深水深嵌岩大型双壁钢围堰施工技术研究
 
 摘要
 
深水深嵌岩大型双壁钢围堰施工是桥梁深水基础工程中的关键技术难题，涉及复杂水文地质条件下的围堰结构设计、精准定位着床、嵌岩下沉及大体积封底混凝土等一系列施工挑战。本文以某新建铁路跨虎跳门水道18主墩基础施工为工程背景，系统分析了深水裸岩工况下大型双壁钢围堰施工面临的技术难点，着重探讨了非爆破开挖、钢围堰精准定位与高效着床、深水大体积封底混凝土施工等关键技术，并总结了相应的质量控制措施。研究表明，通过围堰结构设计优化、裸岩开挖后精准定位着床技术及封底混凝土施工工艺改进，可有效攻克深水深嵌岩基础施工难题。研究成果可为类似工程条件下的深水基础施工提供技术参考。
 
关键词：深水深嵌岩；双壁钢围堰；非爆破开挖；精准定位；封底混凝土
 
 一、引言
 
随着我国交通基础设施建设的持续推进，跨江、跨河、跨海桥梁日益增多，深水基础施工技术面临越来越严峻的挑战。双壁钢围堰作为深水基础施工中广泛应用的大型临时设施，其主要作用是为承台施工提供挡水结构，同时为钻孔平台提供支撑。在深水、裸岩、嵌岩等复杂工况下，双壁钢围堰的设计与施工涉及结构力学、水力学、岩土力学等多学科交叉，技术难度大、风险高、工期紧。
 
深水深嵌岩大型双壁钢围堰施工面临的核心难题可归纳为四个方面：其一，水深大、流速急，围堰下放与定位过程中受水流冲击影响显著，平面位置与垂直度控制难度极大；其二，河床无覆盖层、基岩裸露且表面不规则，围堰刃脚难以均匀着床，嵌岩深度和稳定性难以保证；其三，嵌岩施工需在深水环境下进行水下开挖与岩层处理，作业条件恶劣，施工效率低；其四，大体积封底混凝土在水下浇筑，对混凝土的流动性、抗渗性及与岩面的结合质量要求极高。正是这些相互交织的技术难点，使得深水深嵌岩大型双壁钢围堰施工成为桥梁深水基础工程中公认的“硬骨头”。
 
科技创新导报曾刊文指出，深水基础施工技术的突破往往依赖于围堰结构设计的创新与施工工艺的系统优化，单一技术的改进难以应对复杂工况的综合挑战。机电信息也有研究强调，大型钢围堰施工中的精准控制与实时监测，是确保施工安全与质量的关键所在。本文以某新建铁路跨虎跳门水道18主墩基础施工为工程实例，着重探究深水、裸岩工况下围堰基础施工技术，通过对围堰结构设计进行优化、创新裸岩地区开挖后钢围堰精准定位与高效着床技术，以及研发应用深水大体积封底混凝土等高斜面推进施工方法，有效攻克了深水深嵌岩基础施工难题。
 
 二、工程概况与技术难点
 
 2.1 工程概况
 
某新建铁路跨虎跳门水道18主墩是该桥梁工程的关键控制性节点。桥位处河床缺乏覆盖层，基岩直接裸露，最大水深超过20m。承台高度为6m，底部埋置于河床以下10.26m。该桥位距既有高速公路仅30m，对施工过程中的安全防护和变形控制提出了严格要求。基础施工采用非爆破开挖与双壁钢围堰施工工艺相结合的方式。
 
 2.2 水文地质条件分析
 
工程区域的水文地质条件具有典型的三方面特征。水深大：最大水深超过20m，属于典型的深水基础施工范畴，水压力大，对围堰结构的强度与刚度要求高。无覆盖层：河床基岩直接裸露，缺乏砂卵石等覆盖层作为围堰下沉的缓冲介质，围堰刃脚直接与硬岩接触，着床难度大。基岩硬度高：河床为坚硬岩层，围堰需嵌入岩层一定深度以满足抗浮和抗渗要求，嵌岩施工需采用专门的岩层处理工艺。
 
 2.3 主要技术难点
 
基于上述水文地质条件，该工程面临以下核心技术难点：
 
其一，围堰结构设计的适应性难题。 在深水大压力条件下，围堰结构需同时承受外部水压力、土压力及施工荷载，结构受力复杂。同时，由于河床无覆盖层且基岩面起伏不平，围堰刃脚需适应不规则的地形条件，这对围堰底节的设计与加工精度提出了极高要求。
 
其二，围堰精准定位与着床难题。 在水深超过20m的条件下，围堰下放过程中受水流冲击影响显著，平面位置和垂直度的控制极为困难。围堰着床后，需确保刃脚与岩面紧密贴合，为后续嵌岩施工创造条件。
 
其三，水下岩层处理难题。 围堰需嵌入基岩一定深度，但桥位距既有高速公路仅30m，爆破振动可能对既有结构造成不利影响，因此不能采用常规的水下爆破方案。如何在非爆破条件下实现岩层的有效开挖与处理，是施工面临的一大挑战。
 
其四，大体积封底混凝土施工难题。 深水条件下的大体积封底混凝土浇筑，需在水下完成，对混凝土的流动性、和易性及水下不分散性能要求极高。同时，封底混凝土需与凹凸不平的岩面形成有效结合，确保围堰的止水效果和抗浮稳定性。
 
 三、关键施工技术研究
 
 3.1 围堰结构设计优化
 
针对深水裸岩的工程条件，围堰结构设计需在传统双壁钢围堰的基础上进行针对性优化。围堰采用双壁结构，内外壁板之间设置竖向加劲板和水平环板，形成若干独立的分室隔舱。这种结构形式一方面可利用舱内注水调节围堰的下沉姿态，另一方面可增加结构的整体刚度，抵抗深水条件下的巨大水压力。
 
在围堰底节设计方面，针对基岩面不平整的特点，刃脚采用变高程设计，以适应实际地形起伏。刃脚底部设置加强型钢，提高与岩面接触处的局部承压能力。围堰整体分为若干节段，采用竖向分节、水平成环的制造与安装方式。首节围堰通过滑道或气囊法入水，由拖轮浮运至墩位处。浮运过程中，通过调节各隔舱内的水量控制围堰的吃水深度和浮运稳定性。
 
围堰结构设计的另一项重要优化是钢围堰与钢护筒的整体设计。将围堰结构与钻孔平台钢护筒进行一体化设计，实现了围堰与护筒的整体制造、对接与定位，减少了深水作业工作量，节省了后期钢护筒安装工期。
 
 3.2 非爆破开挖技术
 
桥位距既有高速公路仅30m，常规水下爆破方案因振动风险过大而被排除。为此，工程创新性地采用了非爆破开挖与双壁钢围堰施工工艺相结合的方式。
 
非爆破开挖的核心思路是：在围堰下沉就位前，利用专用设备对围堰刃脚范围内的岩层进行机械破碎和清除，为围堰下沉创造空间条件。具体工艺包括：首先，采用大型旋挖钻机在围堰轮廓范围内进行钻孔取芯，形成梅花形布置的钻孔阵列；其次，利用冲击钻对钻孔间的岩脊进行破碎；最后，采用抓斗或空气吸泥设备将破碎的岩块清除出基坑。
 
在深水条件下实施非爆破开挖，需要解决水下作业的定位精度和清渣效率问题。工程中采用了浮船移动平台作为施工载体，平台上安装旋挖钻机和冲击钻机，通过GPS定位系统确保钻孔位置的准确性。清渣作业采用“气举反循环”吸泥工艺，利用压缩空气在吸泥管内形成负压，将岩渣和水混合物一同抽出。
 
有工程实践表明，采用旋挖钻+冲击钻+抓斗的综合开挖方法，可有效解决深水裸岩地质条件下围堰范围内河床开挖困难的问题。这一综合开挖方法在本工程中的应用，为非爆破条件下的岩层处理提供了可行的技术路径。
 
 3.3 钢围堰精准定位与着床技术
 
围堰的精准定位与着床是深水深嵌岩施工的关键环节，直接影响后续嵌岩施工的成败。本工程在传统定位方法的基础上，进行了以下技术创新：
 
浮态定位系统。围堰浮运至墩位附近后，利用浮吊船和岸边地锚组成的锚固系统进行初步定位。在围堰顶口以下2-3m的外侧壁均布6个锚环，通过钢丝绳与岸边地锚连接。通过调整各锚绳的张力，可精确控制围堰的平面位置。
 
多级定位与垂直度控制。围堰定位分为粗调和精调两个阶段。粗调阶段通过锚绳调整使围堰平面位置控制在允许范围内；精调阶段利用布置在围堰顶部的千斤顶系统进行微调。围堰的垂直度通过设置在四个角点的倾角计进行实时监测。监测数据通过数据收发机传输至集中控制器，经分析处理后与系统内置的预警值对比。当垂直度偏差超过允许值时，控制器向相应隔舱的注水电磁阀发送指令，通过调节舱内水量实现纠偏。
 
着床控制。围堰着床是定位的最后一步，也是最关键的一步。着床前，需由潜水员下水检查刃脚着床区域的岩面情况，清除松散岩块和杂物。着床过程中，通过控制各隔舱的注水速度和注水量，使围堰缓慢、均匀地下沉，确保刃脚与岩面均匀接触。着床完成后，立即进行围堰的锚固，防止水流冲击导致围堰移位。
 
有研究提出的深水钻孔嵌岩基础双壁钢围堰精准定位着床方法，通过锚环精确调整钢围堰的平面位置，通过千斤顶精确调整钢围堰的竖直度，垂直度控制精度高的特点，可广泛应用于桥梁等工程。本工程借鉴了这一技术思路，并结合实际条件进行了适应性改进。
 
 3.4 深水大体积封底混凝土施工技术
 
封底混凝土施工是双壁钢围堰施工的最后一道关键工序，直接决定围堰的止水效果和结构安全。本工程封底混凝土施工面临以下挑战：水深超过20m，水下浇筑难度大；基岩面凹凸不平，封底混凝土需与岩面形成有效结合；封底混凝土方量大，需连续浇筑以确保整体性。
 
针对上述挑战，工程采用了以下技术措施：
 
配合比优化。封底混凝土采用水下不分散混凝土配合比设计，掺加适量的絮凝剂，提高混凝土在水下的抗分散性能。同时，通过调整骨料级配和胶凝材料用量，确保混凝土具有良好的流动性和自密实性能。
 
“锅底状”浇筑工艺。封底混凝土采用“内厚外浅”的“锅底状”浇筑方案。即围堰中心区域的封底混凝土厚度大于边缘区域，形成中央厚、四周薄的剖面形态。这种浇筑方式有利于混凝土的均匀扩散和气泡排出，提高封底混凝土的密实度。
 
多导管同步浇筑。在围堰内布置多根浇筑导管，采用“多导管、小漏斗、对称浇筑”的施工方法。各导管同时启动，均匀布料，确保混凝土在初凝前完成全部浇筑。浇筑过程中，通过测量导管埋深和混凝土面标高，控制各导管的浇筑速度和间歇时间。
 
抗浮与止水措施。封底混凝土浇筑完成后，利用封底混凝土自重与围堰嵌岩的抗拔力共同抵抗水浮力。在封底混凝土范围内增设钢筋网片劲性骨架，增加封底混凝土的整体刚度。在围堰中部封底混凝土范围内的桩基钢护筒上增设双层型钢牛腿，增强抗浮能力。
 
 四、施工质量控制与监测
 
 4.1 施工过程质量控制
 
深水深嵌岩大型双壁钢围堰施工的质量控制贯穿于全过程。
 
在围堰制造阶段，严格控制钢材的材质和焊接质量，所有焊缝进行无损检测，确保围堰结构的强度和密实性。在围堰浮运与定位阶段，严格控制围堰的平面位置偏差（≤10cm）和垂直度偏差（≤1/300）。在下沉着床阶段，严格控制下沉速度和均匀性，防止围堰偏斜或卡阻。在封底混凝土施工阶段，严格控制混凝土的配合比、浇筑速度和养护条件。
 
 4.2 信息化监测技术
 
随着信息技术的发展，大型双壁钢围堰施工已逐步引入智能化监测手段。本工程在围堰结构的关键部位布置了应力应变传感器和水压力传感器，对围堰施工各工况下的结构受力状态进行实时监测。监测数据通过无线传输系统实时传至监控中心，与有限元分析模型的预测值进行对比分析。当实测值超出预警阈值时，系统自动报警，提示施工人员采取相应措施。
 
有研究以西江特大桥深水基础双壁钢围堰施工为背景，采用了限位导向块设置和下沉智能化监控等方法，有效降低了施工安全风险、提高了工程施工进度。本工程借鉴了类似经验，通过智慧监测平台对围堰施工阶段各工况进行实时监测和数据分析。
 
 五、结语
 
深水深嵌岩大型双壁钢围堰施工是桥梁深水基础工程中的关键技术难题。本文以某新建铁路跨虎跳门水道18主墩基础施工为工程实例，系统分析了深水、裸岩、嵌岩工况下大型双壁钢围堰施工面临的技术难点与应对策略。研究表明：
 
围堰结构设计的优化是应对深水大压力和裸岩地形的首要前提。通过双壁隔舱结构、变高程刃脚设计及钢围堰与钢护筒整体设计，可有效提升围堰的结构安全性和施工适应性。非爆破开挖技术的创新应用，为紧邻既有结构物的深水嵌岩施工提供了可行的岩层处理方案。精准定位与着床技术通过浮态定位系统、多级定位与垂直度控制等手段，确保了围堰在复杂水文条件下的就位精度。深水大体积封底混凝土施工通过配合比优化、“锅底状”浇筑工艺和智能化监测等措施，保障了封底质量与结构安全。
 
《科技创新导报》曾刊文指出，深水基础施工技术的进步有赖于设计、施工与监测三个环节的协同创新。本工程的研究与实践表明，在深水深嵌岩条件下，通过围堰结构设计优化、非爆破开挖技术应用、精准定位着床技术研发及封底混凝土施工工艺改进等多维度技术集成，可有效攻克深水深嵌岩基础施工难题。研究成果可为后续类似工程的基础施工提供一定的参考依据。
 
 
参考文献
 
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