水下施工有“创意”——山区特大桥深水承台嵌岩基础的施工决策

山区河流河床特点是岸坡较陡峭，主河道覆盖层较薄，河床推移质（砂卵石）粒径较大。长江上游流域的山区特大型桥梁水中基础受航道条件限制的要求，设计通常要求将承台基础埋置于河床基岩内，承台基础在基岩内开挖常规是采用爆破开挖，或者将围堰嵌入水下预开槽的基岩中。

四川省泸州市白沙长江大桥因通航和环保要求，设计将承台埋置于深水河床的基岩下，基坑及基础施工遇到了较大的风险和挑战。这个例子印证了山区特大桥水下基础施工受到环境因素影响，无法采用爆破或者围堰刃脚嵌入基岩时，采用无刃脚无封底的围堰进行水下嵌岩基础施工是可行、可靠、简捷的。在该基础施工过程中进行了水下开挖方式选择、桩基渡洪、围堰形式、围堰锚固、基坑堵漏开挖基岩等多次技术决策及实施，最终取得了成功，为同类桥梁提供了宝贵经验。

通常把宜宾至宜昌区间称为上游，宜昌至湖口区间称为中游，湖口至上海区间称为下游。长江上游流域广阔、支流分布多，主要有雅砻江、大渡河、岷江、嘉陵江、乌江等支流。统计至2020年10月，长江上已建成的桥梁共计141座，其中上游为70座桥梁，占整个长江主干流桥梁总数量的约50%。斜拉桥以其造价较低、跨度大、对地质等环境要求低，在上游地区较多，占了总数的48%；拱桥对地质和环境要求高，故数量最少。

图1 长江上游各类桥型比例图

长江上游流域桥梁基础施工具有以下特点：

（1）岸坡地势陡峭、河道狭窄。上游河床坡降较大，各类滩地冲刷严重，故主墩均有较大可能位于斜陡岸坡地带。

（2）上游水流湍急。能留在河床的砂卵石均为粒径较大的推移质，基岩一般以泥岩和砂岩互层居多。

（3）电站水文特点显著。长江以重庆为界，重庆-宜宾段：受向家坝、乌东德电站、白鹤滩电站、溪洛渡四大枢纽的多级调控作用明显；重庆-宜昌段：受库区调控影响，消落区和蓄水期影响显著。

（4）水上设备受限，各种大型设备如打桩船、浮吊、水上拌和站、运输船、钻爆船、抓斗船和铰吸船等设备的规格功能受到限制。

泸州市合江新城过江通道泸州市白沙长江大桥为主跨520m的双塔独柱中央平行索面斜拉桥，主桥桥型布置44.2+56+59.8+520+59.8+56+44.2m。

图2 泸州市白沙长江大桥总体布置图（单位：m）

图3 南岸4#主墩基础图（单位m）

白沙长江大桥南岸4#主墩基础（图3）采用19根直径2.8m的钻孔灌注桩，梅花形布置，桩间净距3m，桩长41m；承台直径34m，高7m，嵌入岩层4-10m。项目处于珍稀鱼类保护区，南岸主墩距离航道65m，河床无覆盖层，枯水季节河心侧水流速4m/s，水深约20m。

长江上游流域水中基础施工的方法主要分为以下三种形式。

（1）筑岛+围护基础施工：筑岛和围护组合能较充分适应长江上游的河面宽度和河流季节性地形地质条件及设计特点，故数量较多，如江安长江二桥、临港长江大桥、盐坪坝长江大桥等。

（2）先堰后桩施工：如桥位附近有造船厂，一般为河面宽阔处采用。该类施工出现于护筒直接作为钻孔平台施工年代之前，如江安长江一桥、茜草长江大桥、忠县长江大桥等。

（3）先桩后堰施工：桩基和围堰可以基本同步施工，能提高建设工效；但对护筒的河床自立及稳定要求高、对施工协调组织要求高。如泸州长江六桥、万州长江三桥、马桑溪长江大桥等。

图4 长江上游基础施工方法统计

桩和围堰施工顺序的确定可直接影响工程进度的安排。在合理的条件下，结合现场实际情况，确定最优的顺序可大幅度地节约工期，也可增强其他部分结构的安全性。白沙长江大桥受新冠疫情影响，3月份才进场，基础施工需要考虑渡洪及围堰加工制造时间，故白沙长江大桥采用先桩后围堰的顺序才能充分满足工期和平台渡洪的要求。在桩基施工过程中，同步加工或者安装钢围堰，可缩短整个基础的施工时间。护筒施工采用了冲击钻预整平技术（见图5 a），围堰施工与桩基同步施工（见图5 b）。

图5 白沙长江大桥先桩后围堰施工

传统的水下开挖有“水下爆破整平+围堰”“嵌槽+围堰”“钢管桩围堰”三种方式。桥区主墩位置处于珍稀鱼类核心保护区，无法进行爆破施工，因此决策时直接排除了爆破开挖的形式。

白沙长江大桥4#主墩承台嵌入岩层4-10m，水深近20m；由于主墩基础位于水流湍急的主河道，河心侧河床无覆盖层，河岸侧仅有少量的砂卵石层，岩层为粉砂质泥岩；若采用钢管桩围堰，则钢管桩在水中插打时由于流速高摆动较大，插打效率低，且无法直接打入倾斜岩层中稳定，更无法保证其有效地止水，所以未采用钢管桩围堰施工。

开槽施工是目前长江中上游使用较多的施工水下嵌岩承台基础的一种形式，通过取芯钻机将岩层清理，形成槽状，然后再将加工好的双壁钢围堰放入环形槽中，浇筑封底混凝土，使槽内钢箱梁与岩层间封闭密实，达到堰底止水的目的。白沙长江大桥施工前期考虑采用回旋钻机在承台外开孔360个，形成槽状。经过试钻发现河床为斜陡坡，即使河床进行预整形，且加外护筒，钻机也极易卡钻（图6）；同时在水流湍急的情况下外护筒的定位效率很低；在完成开槽后，清理槽底也很困难，故在试钻10m的弧线长度后放弃了该方式。

图6 钻杆偏移卡钻

由于无法成槽，故我们想到了万州长江一桥的防撞工程导向井圆形围堰在成槽时，遇到了一段约5m长槽段被岸坡滑下的砂岩块石土掩埋，然后我们将该段围堰刃脚切割后进行围堰下放，通过浇筑堰内水下混凝土、预留压浆管完成了该围堰封闭施工。受此工程实例的启发，我们想到是否可以将围堰刃脚底板全部去除，并预留压浆管，将双壁钢围堰直接放置于河床上，这样大大节约成槽、清槽时间。

无封底无刃脚的双壁钢围堰设计内径38m，宽1.5m，高10.5m-16m（高度上形成异形，见图7），环向分为12块，上下分为2环段，整体坐落于河床上。围堰由于未能进入河床，故需要设置φ720mm钢管混凝土锚固桩，每个环块设置1根锚固桩。为解决围堰底段与基岩面存在的间隙，采取沿钢围堰外壁设置能上下滑动的钢板，钢板能自适应河床的高低起伏不平；无封底围堰开口的堰脚夹壁混凝土采用水下不离析混凝土进行浇筑。为确保止水效果，采用预留花管注浆的方式，使围堰夹壁混凝土与岩层间的间隙能紧密结合。

图7 无刃脚和封底围堰设计图（单位：cm）

异形围堰结构施工阶段计算的核心内容主要有三个方面：（1）内有桩基护筒的围堰在着床前堰内外形成的湍流流势复杂，但对导向架等的受力需要对动水压力有较准确的分析，动水压力的核心是需要知道各个阶段的流速分布；（2）围堰着床并开挖承台基坑后，护筒已割除，围堰在河床面的平衡全依靠12根锚固桩，而锚固桩受力不均匀，因此确定最不利锚固桩的结构设计，对整个基坑的安全都是至关重要的；（3）基岩底的渗流稳定分析。

异形围堰在入水后，有一部分结构将会提前接触水面，从而造成堰体受力不均等现象。对此，将整个下沉过程通过数值模拟程序FLUNT进行计算，得到围堰下沉各阶段的水流切面速度分布图。根据整个施工过程，从围堰入水至着床，基坑开挖围堰与岩层共同受力分析，得出各个工序工况的最不利部位与数值，其结论如图8所示。

图8 围堰入水各阶段水流切面速度分布图

围堰在基坑开挖后形成临空面，卸载后岩体失去初始平衡状态会随之产生变形。采用Midas GTS NX有限元软件建立桩土耦合仿真模型（图9），岩土层按实际分布进行堰内基岩开挖施工阶段仿真模拟。得到基坑岩石完成开挖后，围堰最大x方向位移为0.11mm，最大y方向位移为0.17mm，最大z方向位移为0.34mm；锚固桩最大x方向位移为0.20mm，最大y方向位移为0.21mm，最大z方向位移为0.47mm。锚固桩采用720×10mm的钢混组合结构，最不利受力的锚固桩最大弯矩为2072kN·m，最大剪应力为3260kN，采用钢管内加入型钢构成钢管型钢混凝土进行加强。

图9 总体三维模型网格划分图（上图为围堰构造图）

围堰结构计算考虑了如下的因素：（1）钢围堰夹壁内混凝土达到设计强度；（2）设计最高水位按+217.000m；（3）围堰靠岸侧存在填土高3.5m；（4）考虑已开挖基坑基岩卸载后，堰体会随岩石基坑卸载存在微量内移。钢围堰计算的主要结果如表2所示。

通过计算，得到结构整体最大变形为9.9mm；弹性屈曲模态：第一阶模态临界荷载系数为15.7;并发现：钢围堰异形堰底未形成闭合环的部分，被成闭合环的围堰水平环板结构所约束，实际近似为悬臂结构，因此在进行异形围堰堰体结构尺寸决策时，先由力学解析公式确定，再用数值计算程序验证。

围堰底部基坑基岩为砂质泥岩，是属于微渗透性岩层（10-5级），可以忽略其渗透性，需要注意的是直角倒角处可能存在的应力集中（图10），现场采用混凝土现浇圈梁加固。

图10 类似项目围堰抽水后围岩应力图

（单位kN/m2）

围堰基坑内止水工作主要解决以下四个情况的止水：（1）围堰与河床之间的堵水；（2）不同岩层间的裂隙网络渗水；（3）尺度较大的局部细长状涌水通道；（4）岩间裂隙受渗透压产生水力劈裂后继续增大，具有较大涌水事件的位置。以上四种情况在白沙长江大桥中均出现了，我们采取了以下的决策对问题进行了解决。

第一种情况的止水主要采取了以下措施：在围堰外侧设置50cm高的自适应插板，围堰着床后，围堰内侧堆码沙袋，外侧通过钢管定向抛填沙袋，构成了夹壁混凝土模板，中间浇筑水下不离析混凝土形成止水墙（图11）。

图11 注浆管道布置示意图

第二种情况的止水是针对沙泥岩互层形成的构造裂隙和次生裂隙，根据多座桥的经验，采用在围堰夹壁混凝土内预留双液注浆管进行钻孔注浆，让浆液填充各类缝隙，对堰体下方进行竖向防渗的超前预支护。

第三种情况的止水是解决泥岩和砂岩交界面存在软弱填充物。堰内抽水后，堰外的水头将软弱填充物冲出形成的涌水。办法是：堰内回灌水至江水标高后，堰外采用潜水工释放示踪剂后，确定漏水出入口，再采用水泥沙袋堵漏、软弱夹层通道压注水泥浆。

第四种情况的止水是充分利用钢管桩抗弯刚度大的特点，采用了局部插打钢管桩辅助压浆进行堵塞（见图12右上角处钢管），特别适合有大水头差劈裂作用的部位堵漏。

图12 堰内钢管桩堵漏（右上角）

山区河流特大桥梁的水下基础施工一般是整个项目的控制性工程，水下基础的成败关系到全桥建设的成败。山区特大桥水下基础的复杂环境，导致施工中面临多种较难的抉择。白沙长江大桥通过继承以往山区特大桥水下基础施工的优缺点，科学地进行了循证决策管理，提出了无封底、无刃脚围堰施工水下嵌岩承台的新方法，该方法能够充分适应岸坡陡峭的地形和水流湍急的河流特点。与“先桩后堰”工法结合，可创造出多个工作面，同时为安全渡洪创造有利条件。该方法同时也已成功应用于宜宾泥溪岷江大桥等多座桥梁实践，具有快速、高效和可靠的特点，值得同类桥梁借鉴。