潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》是中鐵十六局集團有限公司、中鐵建電氣化局集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是王小飛、潘壽東、樓敏、周培峰、郭秀琴。適用於河床覆蓋層較薄或基岩裸露的水中橋樑下部基礎施工。

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》主要的工法特點是施工簡單便捷，鋼套箱加工質量可靠，降低工程投入。

2011年9月，《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法
• 工法編號：GJEJGF255-2010
• 完成單位：中鐵十六局集團有限公司、中鐵建電氣化局集團有限公司
• 主要完成人：王小飛、潘壽東、樓敏、周培峰、郭秀琴
• 套用實例：310國道臨洪河大橋
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

在潮汐大流速深水裸露基岩潮汐水深流急、覆蓋層較薄或岩面完全裸露的水域進行橋樑下部結構施工需要解決鑽機工作平台穩定性難題、鋼護筒定位、穩定性及與河床表面的密貼、水下套箱穩定性等問題。310國道臨洪河大橋主墩位於潮汐水位高差較大、基岩覆蓋層較薄且岩面傾斜、水閘放水時流速較大等環境中，施工難度較大，為此，中鐵十六局集團有限公司和中鐵建電氣化局集團有限公司針對工程特點，取得了“潮汐大流速深水裸露基岩雙薄壁墩連續剛構橋基礎及梁部施工技術”成果，同時形成了《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》。

工法特點

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的工法特點是：

1.施工簡單便捷。採用在岸上整體拼裝壁板及內支撐，整體吊裝入水，減少了水上作業時間。

2.鋼套箱加工質量可靠。鋼套箱拼裝在岸上進行，大大降低了操作難度，質量易於控制。

3.降低了工程投入。利用內支撐系統作為鋼護筒定位系統，充分考慮了套箱與河床面的摩擦力作為穩定措施，不需額外增加工程投入，大大減少了工程投入。

操作原理

適用範圍

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》適用於河床覆蓋層較薄或基岩裸露的水中橋樑下部基礎施工，在受潮汐影響、河床覆蓋層較薄或基岩裸露的深水橋樑下部基礎施工經濟效果最為顯著。

工藝原理

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》採用鋼套箱內支撐系統作為圍籠進行鑽孔樁鋼護筒定位，利用封底混凝土解決套箱及鋼護筒底與岩面的密貼問題，同時藉助封底混凝土作為承重基礎在其上搭設鑽孔平台進行鑽孔樁施工，利用封底混凝土與河床的摩擦力解決了鋼套箱的穩定性問題，使下部主體結構能安全順利地建成。

施工工藝

• 工藝流程

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的工藝流程如圖1。

圖1 水中墩基礎施工工藝流程圖

操作要點

鋼套箱受力分析

鋼套箱在施工中主要承受靜水壓力及流水壓作用，特別是套箱的迎水面。

1.滿潮時套箱受力

由於潮水漲的比較緩慢，此時上游也不放水，所以計算過程中只考慮靜水壓力作用，不考慮動水壓力（圖2）。靜水壓力計算公式：

=yx=10x

式中q靜——靜水壓力，單位千牛/平方米；

y——水容重，取10，單位千牛/立方米；

x——水深，單位米。

2.臨洪閘放水時

當上游放水時，套箱既承受靜水壓力又承受動水壓力。動水壓力圖見圖3。

根據動水壓力的合力計算公式（詳見《路橋施工手冊•橋涵》p172頁）及動水壓力圖，可以得出任一深度的動水壓力公式：

式中符號

	動水壓力，單位千牛/平方米；
H	最大水深，單位米；
x	任意水深，單位米；
	水的容重，千牛/立方米，取10；
v	水的流速，米/秒，取2；
g	重力加速度，9.81米/二次方秒。

根據以上兩種工況分別對鋼套箱進行受力檢算。

封底混凝土厚度計算

詳見《簡明施工計算手冊》P257頁。

鋼套箱抗浮驗算

套箱封底後抽水所受的浮力最大，為確保施工安全及經濟上考慮，待樁基施工完畢後方可抽水利用樁基與封底混凝土的粘結力共同抵抗上浮力。

1.套箱承受的浮力

由於套箱結構比較規則，所以採用壓力差法進行套箱浮力計算：

式中——箱內底板上表面所承受的水壓力，千牛；

——箱外底板下表面所承受的水壓力，千牛。

2.抵抗浮力的各種力

套箱結構及封底混凝土自重；樁基自重與封底混凝土的粘結力。

1）樁基自重及樁與孔壁的摩阻力

樁基自重：

式中n——單個承台鑽孔樁數量；

L——樁基長度為，米；

R——樁徑，米。

2）樁基與孔壁的摩阻力

式中U——樁的周長，米；

L——樁的有效長度，米；

——鑽孔樁樁周土的極限摩擦阻力，千帕。

3）混凝土與鋼護筒之間的粘結力

根據經驗數據，C40混凝土與鋼護筒之間的粘結力為0.88兆帕斯卡，從安全考慮取1/2，即440千帕。

式中U——樁周長度，米；

L——樁與護筒的接觸長度，米。

3.套箱抗浮計算

套箱穩定性計算

套箱穩定性主要依靠河床與套箱底的摩擦力來實現，如河床面比較平緩，可採取在套箱四周引孔插入鋼管等取輔助措施確保套箱穩定。

1.套箱底與河床的摩擦力

河床岩面起伏不平有利於無底套箱平台的抗滑穩定性。

河床對無底套箱的摩阻力：

F=μG

式中G——取無底套箱扣除浮力後的自重；

μ——套箱底與河床的摩阻係數，根據河床實際情況選取，該工程選用0.5。

2.動水壓力合力

動水壓力的合力P（詳見《路橋施工手冊•橋涵》p172頁）。

3.無底套箱的穩定性抗滑穩定係數：K=F/p

式中K——抗滑穩定係數，一般要求大於2；

F——套箱底河床面的摩擦力；

P——動水壓力。

• 鋼套箱及基礎施工

一、鋼套箱的尺寸與加工

1.尺寸：為滿足承台施工立模、套箱內抽水、支撐等需要，鋼套箱平面尺寸每邊比承台大0.9米。

2.鋼套箱採用6毫米鋼板作為面板，模板外側用[14號槽鋼作加勁肋，肋間距0.3~0.5米。單塊鋼模板四周肋與面板之間全部焊接密封，中間部分焊縫長度不小於50%。鋼模安裝時，鋼板面向外，帶肋面在套箱內側。

3.鋼套箱需達到止水的目的，因此模板接縫必須設定止水條，並在套箱外側做防水處理。

4.鋼套箱模板由工廠製作，並進行預拼試驗，經預拼合格後運到工地進行現場安裝。

二、套箱拼裝和下沉

1.鋼套箱拼裝準備

1）鋼套箱在岸上拼裝場地設在碼頭處，原地面進行換填和硬化。

2）根據套箱設計尺寸在地面放出輪廓線，沿套箱輪廓線用水泥漿找平，以便於安裝套箱模板。

3）在地面輪廓線內側搭設鋼管腳手架，高度6.0米，並將第一、二層水平支撐槽鋼預放到位。

2.第一、二、三層鋼套箱模板的拼裝

1）用25噸汽車吊起吊第一塊套箱鋼模，落位於設計位置，並與輪廓線對齊，上下口分別用8號鋼絲與鋼管腳手架連線牢固，平面位置、垂直度等要符合要求。

2）起吊相鄰的第二塊鋼模；就位與第一塊用螺栓連線，並與腳手架固定。依此類推，完成第一層鋼套箱鋼模的安裝。

3）根據套箱設計，安裝豎向支撐。豎向支撐為2I32a工字鋼，與鋼模焊接。

4）安裝第一層水平支撐，與豎向支撐焊接牢固。

5）在第一層套箱鋼模上，對接第二層鋼模，並安裝第二層水平內支撐。

6）鋼套箱內外側所有模板接縫填充橡膠止水條，外側拼縫處進行防水處理，防止漏水。

3.第一、二、三層鋼套箱起吊就位

1）起吊前應對吊架、鋼絲等進行受力檢算，按規範預留足夠安全係數。

2）起吊前檢查50噸浮吊各部位、錨錠、鋼絲繩等完整情況，確保沒有問題才可以進行作業。

3）鋼套箱就位，利用臨洪河漲潮時從臨時碼頭起吊（在臨洪河岸邊用ф由55厘米混凝土管樁和草袋進行護岸，作為臨時碼頭，長50米。ф55厘米鋼筋混凝土管樁單根長12米，入土不少於5米，間距1米），臨時安放於浮式平台上；在退潮時下沉就位。

4）下沉時用全站儀全程監測，及時調整套箱平面位置，確保套箱下沉到位後，其平面偏差控制在5厘米以內。

5）由於河床面岩面傾斜，在鋼套箱入水後，派潛水員在河床堆碼砂袋將套箱找平，實測套箱底與河床面的間隙，繪製出套箱四周河床的岩面走趨圖，按岩面走趨情況對底節鋼套箱進行處理後，重新定位入水。

6）套箱二次下沉到位後，外側四周用砂袋進行反壓，其作用：一是防止在封底過程中，混凝土從鋼套箱下口不平處大量流出，二是平衡封底混凝土澆築時的側壓力。

4.第四層鋼套箱安裝

第一、二、三層鋼套箱下沉就位後，其頂面標高為0.5米，在退潮時頂面露出水位，因此利用退潮時間，進行第四層套箱鋼模的拼裝，並安設豎向、水平內支撐。第三、四層鋼模採用螺栓連線，模板接縫處用橡膠條止水，套箱外側拼縫處塗三層防水材料。

三、鋼護筒的安設

1.鋼護筒的設計：鋼護筒直徑ф170厘米，高11米，採用厚10毫米的鋼板卷制而成。

2.在拼裝鋼套箱時，在第三層與第四層水平支撐上按圖4所示尺寸固定定位槽鋼（[12.6），待套箱下沉就位後從已預留好位置，直接插入鋼護筒並用木楔打緊。

圖4 鋼護筒導向定位平面圖（單位：厘米）

3.安放時，根據測量放出的十字線對中，並調整好護筒的垂直度，就位到河床面，上口四周與頂層水平支撐之間用木楔固定，護筒內回填2米高砂袋，以防止在封底時護筒發生位移。

四、套箱封底

鋼套箱圍堰內混凝土封底是鑽孔樁及承台施工能否順利進行的關鍵，為保證質量，一般按水下混凝土灌注方法進行，在圍堰頂部設大料斗儲存一定數量的首盤混凝土；設多點、多方向封底導管連續泵送灌注；控制坍落度在18~22厘米；摻高效緩凝劑和粉煤灰，以提高流動性、延長初凝時間，封底過程中隨時觀測套箱內水位與外側水位的高差，高差控制在50厘米內，如超過50厘牛用水泵抽水保證堰內外水位平衡。

1.封底順序及導管布置

1）封底施工的順序為：搭設封底平台→安裝導管→布料機、中心骨料斗及分料槽→封底混凝土施工。

導管選用ф300毫米，壁厚6毫米鋼管制作，絲口連線前經過水密試驗。導管上口接1立方米小料斗，導管用夾具掛於橫樑上。導管下口距河床面15~20厘米。

2）導管數量及設定原則：①單根導管作用半逕取3米，全部導管作用範圍覆蓋鋼套箱底面；②導管與鋼護筒外側保持一定距離，以利於混凝土均勻擴散。

3）首批混凝土灌註：首批灌注時，先由中心骨料斗貯料，然後通過布料機讓混凝土進入澆築小料斗，當小料斗內充滿混凝土，拔塞，同時骨料斗連續不斷放料，直至完成導管封口。

2.封底混凝土灌注步驟及要求如下

1）灌注順序：分期對稱封口，灌注。

2）封底前，用測繩自導管內測出導管下口與河床距離，用掬鏈調整導管下口距河床面15~20厘米。

3）一根導管封口完成進行相鄰導管封口工作時，先測量待封導管底口處混凝土頂標高，根據實測重新調整導管底口高度。為保證封口混凝土的順利進行，在每根導管封口完成後，按不大於60分鐘控制同一導管兩次灌入混凝土的間隔時間。

4）測點設9平方米布置1個，澆築混凝土時，做好測深導管原始長度，測量基準點標高等原始記錄。同時每根導管封口結束後應及時測量其埋深及流動範圍，並做好詳細記錄。

5）澆築過程中，方量大，時間長，為防止導管堵管，在澆築到一定方量時，應提升導管，每次提升高度控制在20厘米內，且應緩慢、均勻提升。

6）澆築過程中，注意控制每一澆築點補料一次後的標高及周圍5米範圍內的測點都要測一次，並記錄灌注、測量時間。

7）混凝土澆築臨近結束時，全面測出混凝土面標高，重點檢測導管作用半徑交會處，護筒周邊，套箱內壁周邊等部位。根據結果對標高偏低點進行補澆，力求混凝土面平整。當所有測點標高滿足要求後，結束封底施工。

8）封底過程中，應隨時觀測套箱內外的水頭差，當水頭差達到20厘米時，在鋼套箱上開口，使鋼套箱內外水頭差保持在20厘米以內，保證鋼套箱的安全。

五、鑽孔作業平台搭設及鑽孔樁施工

1.鑽孔平台搭設施工

在套箱內進行抽水試驗來檢驗封底混凝土質量後，方可搭設鑽孔樁施工平台。

鑽孔平台採用在鋼護筒上焊接鋼牛腿，在牛腿上鋪設I45a工字鋼，在工字鋼上滿鋪5厘米厚的木板（鑽機滾筒支腿直接落在工字鋼上）。為分散封底混凝土受力，在護筒之間的工字鋼下方支撐ф377x8毫米鋼管樁，鋼管樁底部焊接10毫米厚鋼板。為減少懸臂端及兩箱之間的工字鋼撓度，在護筒與箱壁之間的工字鋼下方也設定鋼管樁（圖5）。

圖5 鑽孔作業平檯布置示意圖（未示鋪面）

註：圖5單位：除鋼材規格外均以厘米計。

2.鑽孔樁施工

搭設鑽孔樁施工作業平台後即可進行鑽孔樁施工。由於橋位處地質均為弱風化岩層，故只能採用衝擊鑽機成孔。

由於主橋鑽孔樁開孔即為岩層，自造漿能力差，人工造漿比較煩瑣，同時為了防止套箱封底混凝土底面與外側串通，所以選用清水鑽孔。

採用空氣吸泥機進行清孔，並且鑽孔過程中注意孔內水位與河流水位差不大於50厘米。空氣吸泥機選用外徑150毫米的鋼管制作，送氣管用選用外徑30毫米的鋼管，空氣壓縮機選用9立方米/分鐘。

六、套箱抽水

當封底混凝土強度達到設計值、6根鑽孔樁完成不少於4天后，方可開始鋼套箱內抽水。

開始抽水時，應派專人進行及時跟蹤觀查，如發現問題應立即停止抽水，查明原因並解決後，方可繼續進行。

材料設備

主要材料

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的主要材料見下表。

主要機具設備

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的主要機具設備見下表。

參考資料：

質量控制

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的質量控制要求如下：

1.嚴格執行《公路橋涵施工技術規範》JTJ 041-2000和《公路工程質量檢驗評定標準》JTGF80/1-2004。

2.深水基礎施工難度大，技術含量高，工序多，安全風險也大。具體施工前，各主要工序和各工種都應制定安全防範技術措施亦認真進行技術和安全雙交底。

3.鋼結構加工製造或改裝，要求高，應嚴格按照有關“施工規範”和“技術標準”進行。

4.封底前，必須清乾淨護筒外側和套箱內壁泥皮，保證護筒壁與混凝土有良好的粘結力。

5.鋼圍檁是鋼套箱穩固的保障，應按照設計圖的要求施工，注意檢查焊縫質量，確保結構安全。

6.套箱在下沉過程中，要加強觀察，如有偏位及時採取糾偏措施。

7.在海上水位變化區長期使用情況下對勁板焊縫厚度會產生一定的鏽蝕削弱，在使用過程中要加強對各構件焊縫質量檢查和維修。

8.封底過程中，注意水位變化，根據水位情況，及時調整套箱內外的水頭差。封底過程中，嚴禁船舶碰靠鋼吊箱。

9.加強封底混凝土頂面標高的測量工作，及時計算出套箱內的抽水量，確保封底施工安全，順利。

10.提拔導管或骨料斗應緩慢操作，嚴格按指揮者的口令進行，避免過快、過猛。

安全措施

採用《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

安全管理措施

1.建立、健全安全組織機構，全面負責整個施工過程中的安全組織管理，對所有參加施工的職工進行安全教育。在每一個工作小組內設定一名兼職安全員，負責該小組安全監督與管理。每個工作面設一專職安全員，負責整個工作面安全管理，項目經理部設安全管理領導小組，對水中基礎施工安全統籌管理。

2.整個水中基礎施工，大部分屬於水上作業，在施工過程中，尤其注意水上作業的安全保護工作。

3.建立定期安全檢查制度，規定每個月檢查的頻率，尤其對水上作業環境進行全面檢查，及時發現安全隱患。

4.制定詳細的應急救援預案，並定期進行演練，以預防突發情況的出現。

安全技術措施

1.套箱下放屬於水上施工，施工人員應穿好救生衣，戴好安全帽，穿好防滑鞋。套箱拼裝人員還應該系好安全帶。

2.吊裝作業所用的鋼絲繩、卡環應經過計算確定。起吊設備的鋼絲繩在吊裝作業前應進行仔細檢查，滿足要求後，方可使用。風力大於六級時應停止吊裝作業。

3.起吊設備應聽從指揮，小心作業。指揮人員要指令清晰，信號明確。

4.施工船舶在規定區域內行駛，並由獲得船員證件的人駕駛。

5.任何作業人員不得酒後進入操作區域。

6.施工用電由電工專門負責，電工持上崗證。

環保措施

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的環保措施如下：

1.在施工期間要嚴格遵守國家環保有關要求進行施工，確保在施工的過程中對周邊環境不造成影響。

2.在新大堤外側禁止堆放建築垃圾、生活垃圾、危險廢物，以防止上述固體廢物污染水域水體。

3.禁止施工期間發生破壞水域的行為。

4.施工過程中在水域沿岸進行建築材料、化學品裝卸活動的，應設定必要的保護措施，防止建築材料及化學品在搬運中向水域泄漏，污染水體。同時裝卸過程應由安全員監督，禁止野蠻作業的人為因素而影響水域環境。

5.建設項目施工期間，確因工程建設需要，在沿江河第一線水域破堤施工或者開缺、鑿洞的，應向堤防或者防汛牆主管部門提出申請，經審核同意，報地方防汛指揮部批准後，方可施工。

效益分析

• 經濟效益

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的經濟效益是見下表：

經濟效益分析表

序號	方案	工作內容	關鍵問題	投入
1	雙壁鋼圍堰	圍堰鋼模板	╱	6個圍堰，每個81噸，計340.2萬元
		拼裝和浮運就位	╱	每噸2600元，計126.4萬元
		封底混凝土	╱	32.4萬元
2	薄壁鋼套箱	圍堰鋼模板	╱	6個圍堰，每個43噸，計180.6萬元
		拼裝和浮運就位	╱	每噸2600元，計67.1萬元
		封底混凝土	╱	28.9萬元

兩方案比較：薄壁鋼套箱方案大大減少了鋼套箱模板的投入和安裝費用，節約主橋施工工期1個月，節約成本222.4萬元。

• 社會效益

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》由於採用了先堰後樁後再施工承台的施工工序，減少臨時工程投入，加快了工程進度，質量、進度、安全、標化工地建設均滿足業主及監理要求，未發生任何安全、質量事故。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》的套用實例—臨洪河工程如下：

工程概況

310國道臨洪河大橋主橋結構設計為（40+48+2×70+2×48）米連續剛構，主墩採用矩形承台，長8.9米，寬5.7米，厚度為2.5米，基樁為6ф1.5米的鑽孔灌注樁，樁基嵌岩。

主橋位於臨洪閘下游，距臨洪閘僅140米。橋址處，在修建臨洪閘前為一座山，由於修建臨淇閘的需要，被爆破，加之臨洪閘長年放水沖刷，因此橋位處岩面裸露，岩面起伏較大。在主橋施工過程中即受臨洪閘放水影響又受潮水影響，每日兩潮，潮水落差4.90米左右。此時開閘，流量大、水流紊亂、沖刷嚴重，流速在4米/秒以上。

施工情況

在施工過程中運用潮汐大流速深水裸露基岩雙薄壁墩連續剛構橋基礎施工工法，有效地解決了鑽孔平台的穩定性、鋼套箱與河床的密貼性問題，取得良好的經濟和社會效益，質量、進度、安全、標化工地建設均滿足業主及監理要求，未發生任何安全、質量事故。

該橋於2008年5月正式開工，2009年12月工程完工，並於2010年元月順利通車。

榮譽表彰

《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》獲2010年度中鐵建股份公司優秀工法。

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《潮汐大流速深水裸露基岩基礎施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。