肖雨晨 （北京化建建筑工程有限公司，北京 102300）

1 引言

在常规桥梁基坑施工中，一般采取坑内排水机械干法作业进行坑内土方开挖，同时针对深度较大的基坑设置内支撑对围护结构进行支撑。基坑开挖、支护遵循先支撑后开挖、随挖随支的原则进行施工，以确保支护结构安全。但由于特殊的桥位水文特点、地质条件及作业环境，给挖掘机械直接开挖及保障支护结构安全带来了极大的难度。然而采取锁口钢管桩进行基坑支护，机械挖掘配合坑内回灌水，潜水员水下吸泥的组合开挖方式，为深大基坑安全施工创造了有利条件。

2 工程概况

2.1 桥梁结构概况

本工程桥主桥跨越安庆市石门湖航道，主桥设计采用3跨1联81+148+81m连续刚构。主墩P54、P55#墩位于安庆市石门湖现状航道两侧。连续梁主墩设计采用钻孔灌注桩基础，主桥主墩设计桩径φ2m，桩长57.5m，共计28根。主桥主墩承台长宽高截面尺寸为46.9×13.2×5m，承台顶标高5.7m，主桥承台采用C35混凝土浇筑。主桥墩柱采用Y型结构设计，墩柱全高19.7m，分为下部“一字型”及上部“V字型”两部分。主桥墩柱、承台结构尺寸如图1所示。

图1 主桥墩柱、承台尺寸构造图（单位：mm）

2.2 桥位处地质、水文情况

拟建承台处地质主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、卵石土、强风化岩及中风化岩。根据建设工程勘察报告，主桥P54#墩位处自上而下土层物理力学性质见表1。

土层物理力学性质 表1

拟建主桥P54#主墩承台处位于石门湖航道K8里程段，经对近5年石门湖航道水位情况分析，2016年7月航道水位达到最高值16.513m，与当地水利局提供洪评文件中20年一遇洪水位16.231m大致相一致。通过对水位变化情况分析，每年4月至10月间，石门湖航道水位已超过拟建承台处原地面，主桥承台开挖计划于7～8月进行施工，均为水中作业。航道近5年水位变化见图2。

图2 石门湖航道五年水位变化曲线图

3 支护结构设计

主桥P54#墩承台基坑围堰采用长度32m锁口钢管桩进行止水支护，钢管桩选用直径φ710mm壁厚10mm材质Q355螺旋钢管制作，钢管间采用“CO”套型锁口进行连接，围堰平面尺寸为51.1×16.4m。基坑围堰防洪标准按20年一遇洪水位计算，最大抽水及开挖合计深度达17.8m，结合支护结构受力分析，围堰内共布置三道内支撑，第一道对撑及斜角撑均采用直径φ426mm，壁厚10mm材质Q235螺旋钢管，对撑长度15.43m，横向间距为6@5m，单个斜角共设置三道斜角撑。第一道围檩采用单根HW400×400型钢。第二道对撑采用直径φ609，壁厚16mm材质Q235钢支撑，对撑长度14.83m，横向间距为6@5m，四角斜撑共设置三道，采用直径φ 609、壁厚16mm钢支撑及双拼2-HN700×300型钢。第二道围檩采用双拼2-HN700×300型钢。第三道对撑采用直径φ820mm，壁厚12mm材质Q235螺旋钢管，对撑长度14.83m，横向间距为6@5m，四角斜撑共设置三道，采用直径φ820mm、壁厚12mm螺旋钢管及三拼3-HN700×300型钢。第三道围檩采用三拼3-HN700×300型钢。围堰内封底混凝土强度为C35，设计封底厚度2m。主墩锁口钢管桩围堰设计如图3、图4，纵立面布置见图5。

图3 主墩锁口钢管桩围堰设计平面图（单位：m）

图4 主墩锁口钢管桩围堰设计立面图（单位：m）

图5 主墩纵立面布置图（单位：m）

锁口连接大样图

4 施工工艺流程

①桥梁钻孔桩施工完成后，拆除钻孔平台→②借助于桩基钢护筒焊接定位导向架→③利用85t履带吊及DZ150型振动锤打入锁口钢管→④安装首道内支撑→⑤第一次抽水（抽水深度5.5m）→⑥安装第二道内支撑→⑦抽水2.032m，长臂挖机机械开挖1.468m→⑧回灌坑内水位至坑外水位标高，水下开挖至设计封底底→⑨浇筑封底混凝土→⑩坑内抽水至封底顶。

5 基坑开挖支护关键技术

5.1 基坑支护设计要点

基坑最大抽水及开挖深度达17.8m，河床上部水深7.5m，河床下部开挖10.3m。考虑挖掘机械在坑内作业空间限制及在开挖过程中支护结构安全，结合地质土层特性，提出在基坑开挖过程中，最大限度地采取机械挖掘作业，以提高基坑开挖效率，为此在长臂挖掘机械最大开挖深度以上50cm处设置第三道钢支撑。支撑完成安装后，由于无法继续采取长臂挖掘机械开挖，若采取常规人工内部冲泥或机械抓斗干法开挖作业，一是降低施工工效，二是随着基坑深度增加，需增加内支撑层数，增大深大基坑内支撑安装难度及作业安全风险。为此提出采取坑内回灌水，潜水员水下射水吸泥的开挖方式，以平衡支护结构坑内外压力，同时在基坑开挖至设计坑底标高后，采取水下封底工艺，利用封底混凝土的抗压强度作为支护结构内支撑，并充分利用锁口钢管桩强大的抗弯剪能力，减少基坑内支撑层数，为下一步桥梁承台结构施工创造了大空间的作业环境，同时提高基坑施工效率及支护结构安全性。

图6 主墩锁口钢管桩围堰总体施工流程图

5.2 支护桩受力分析

基坑开挖深度一定，支护结构坑外主动土压力一定，为减少支护结构内力变化，保证支护结构安全，采取措施一是增加内撑层数，减小支护桩计算跨度，二是支护结构选用抗弯、剪能力强的材料，三是减小支护结构坑内外主被动压力差，尽量做到平衡，四是增加坑底被动土抗力。鉴于以上措施，该基坑在完成第三道内支撑安装后，采取回灌水以平衡坑内外水土压力，利用混凝土封底作为支护结构刚性铰支点，并采用抗弯剪能力强的锁口钢管桩作为支护材料，保证了基坑开挖过程中的安全性，并为下步承台一次性施工提供空间。以下针对带水及不带水开挖工况做对比分析，支护结构内力按弹性支点法计算、稳定性按经典法计算。

图7 基坑带水开挖土压力计算简图（单位：m）

图8 基坑带水开挖嵌固稳定性计算简图（单位：m）

图9 基坑带水开挖锁口钢管桩弯曲应力（单位：MPa）

图10 基坑不带水开挖锁口钢管桩弯曲应力（单位：MPa）

图11 开挖工况支护管桩最大应（反）力

图12 开挖工况支护结构稳定性

经对比分析，在相同支护结构设计及不同开挖方式条件下，基坑在回灌水作业工况下，相较干法开挖作业，支护结构应力有较大程度降低，并满足钢材应力取值要求，同时基坑稳定性也有较大安全保证，满足规范中一级基坑安全系数要求。

5.3 水下吸泥工艺简述

第三道围檩及内支撑安装完成后，首先对坑内进行回灌水，坑内回灌水位标高13.8m，再采用潜水员水下吸泥作业，直至清淤至承台底设计标高下2.0m处。

吸泥设备使用3台型号XP950E额定功率160kW空压机和6台9.2kW内装式高压潜水泵组合为自制吸泥机进行水下吸泥作业。由于该地层土质特性为高粘聚力淤泥质粉质黏土及粉质黏土，需采取潜水员水下作业。潜水员利用9.2kW内装式高压潜水泵由坑外抽水，形成高压射水，冲击河床淤泥，使淤泥打散成堆，再利用直径φ50mm高压气管将160kW空压机产生的高压气体由直径φ273mm排渣管底部向上鼓入，充分利用气体逃逸产生的动能，带动已打散的松软土体进入直径φ273mm排渣钢管，排出基坑外。在排渣过程中，持续利用潜水泵向坑内回灌水，保证坑内水位标高不低于坑外水位，以减小支护结构内外压力差。排渣钢管采用起重设备吊挂，汽车吊站位于基坑两侧支栈桥。排渣管出口位于航道侧，以利于泥浆船停泊，进行储渣外运。

图13 水下开挖原理图

图14 水下开挖实景图

图15 基坑水下封底

图16 桥梁承台施工

6 结语

在深水湖区施工中，应充分对基坑所处地质、水文情况进行充分调查，并结合基坑开挖深度及作业环境合理选择支护结构材料及开挖方式，对超深基坑围堰支护材料尽量选用截面刚度较大的支护材料，并可采用回灌水配合潜水员水下开挖及水下封底的方式，在确保基坑安全前提下，尽可能减少支撑层数，为主体结构施工带来便利。

勇进路大桥主桥已完成承台施工，施工中基坑支护结构各监控指标数据正常，承台施工安全、质量均可控，为其他同类型深水湖区承台施工提供了借鉴经验。