浅谈大体积封底混凝土施工技术

浅谈大断面钢板桩围堰水下封底砼施工技术

朱洪葛

摘要：本文以永宁黄河公路大桥主墩41#、42#围堰封底施工为背景，系统阐述了大型围堰封底施工的工艺方法，介绍了大型围堰水下混凝土封底的施工质量控制要点，总结了永宁黄河公路大桥主墩承合成功封底的施工工艺，对以后同类施工有一定指导和借鉴。 关键词：钢围堰；大体积水下混凝土；浇筑工艺； 质量控制

1、前言

极易产生各种混凝土结构裂缝，轻者会影响混凝土的耐久性，重者会随着经济的迅速发展，科学技术的进步，水下大体积混凝土在大型桥梁、大型码头、大型水坝等现代工程建设中占有越来越重要的地位，因此这些大体积混凝土施工工艺控制、结构质量的优劣就显得相当重要，然而由于大体积混凝土体积庞大，一次性混凝土浇筑量大，浇筑过程连续性强，水下工程条件复杂，若施工措施不力，导致封底失败，或者封底厚度不均，严重影响混凝土的力学性能。因此，对大体积混凝土施工工艺进行有效的控制，成为施工中经常遇到的问题。下面以用永宁黄河公路大桥主墩围堰封底工程为例，进行阐述论证。

2、工程概况

永宁黄河公路大桥工程主桥桥跨结构布置为（110+260+110）m 双塔双索面斜拉桥，桥梁宽2×16.5m 。承台施工采用钢围堰加内撑，围堰长54.0m ，宽34.8m ，封底砼厚2.5m ，找平层为0.5m 设计封底混凝土方量为4698m 3

3、工艺原理

3.1封底方案选择

项目部通过对水下封底和干封两种形式进行对比，干封混凝土施工方便，混凝土质量容易控制，节约成本，但其受水位及地质影响大，适用于施工水位低，透水性差的地质条件。水下封底施工过程复杂，混凝土质量控制较难，混凝土平整度不易控制，施工成本大，但其不受水位和地质影响。进过计算必选，结合地质状况和桥址段黄河水文状况，最终选择最优的水下封底混凝土并在承台的腰部增加抗拔桩加大混凝土抗浮能力的方法进行施工。

3.2封底混凝土强度计算

围堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水头差引起的向上的压力，封底混凝土标号为C25，其容重γ=23kN/m，施工时清理基底保证封底混凝土厚度不小于3.0m ，考虑到封底砼底部分“夹砂”及顶面的浮浆问题，计算取2.5m 有效厚度。

封底混凝土所受荷载：

q=γ水3h 水－γ砼h 砼

=10×（1110.5-1097.211）-23×2.5=75.4kN/m

采用有限元midas 软件对未加抗拔桩封底砼进行实体建模如图3.2-1。 2

图3.2-1 未加抗拔桩封底砼建模

模型中，将钢板桩内侧与封底砼间、钢护筒与封底砼间共同节点进行DX 、DY 、DZ 方向的约束，对模型进行加载计算，结果如图3.2-2。

图3.2-2 未加抗拔桩时封底砼强度（单位：N/mm）

由上图计算结果可知封底砼最大等效应力为0.53MPa ＞[σ]=0.5MPa。且考虑到大面积封底砼为水下浇筑，一般设计强度应给予折减。所以在未加抗拔桩的情况下封底砼强度不满足要求！

施工拟考虑在承台横桥向上下两侧各增加两根φ2200mm 砼抗拔桩，加入抗拔桩后封底砼建模如图3.2-3。 2

图3.2-3 加入抗拔桩后封底砼建模

加载计算结果如图3.2-4。

图3.2-4 加入抗拔桩时封底砼强度（单位：N/mm）

由上图计算结果可知加入抗拔桩后，封底砼最大等效应力为0.22MPa ＜0.8[σ]=0.8×0.5MPa=0.4MPa，满足要求！

3.3 抗拔桩计算

抗拔桩抗拔力按其与封底混凝土粘结力相等计算，混凝土容重取23kN/m，细沙桩周极限摩阻力为45kPa ，护筒与封底混凝土粘结力取120kPa ，抗拔系数取0.5，安全系数取1.5，护筒直径2.5m ，桩身直径2.2m 。

单根抗拔桩承受的抗拔力R1=2.5x3.14x2.5x120=2355kN.

设桩底深入封底混凝土底面以下深度为L

则，桩周抗拔极限摩阻力Q1=0.5x2.2x3.14x(L+2.5)x45=155.43L+388.58 桩自重Q2=(3.14x2.2/4)(L+2.5)x23=87.39L+218.46 232

Q1/1.5+Q2=R1=2355kN

155.43L+388.58+1.5x(87.39L+218.46)=1.5x2355

L=9.8m，取L=10m

桩身按设计抗拔力R1配筋，需抗拉钢筋面积As=2355000/253=9308.3mm

选用30ф20的HRB400钢筋。

3.4 基坑底土抗隆起验算

在工况二下围堰内清淤到+1097.211m标高时，须验算坑底的承载力，如承载力不足，将导致坑底土的隆起。

本工程基底抗隆起计算参照Prandtl （普朗德尔）和Terzaghi （太沙基）的地基承载力公式，并将桩墙底面的平面作为极限承载力的基准面，承载力安全系数的验算公式如下： 2

K s =

式中： N c ⋅c +N q ⋅γ⋅t γ(h +t ) +q ≥1.1~1.2

N q 、N c ---按Prandtl 公式时，

N q =tan 2(450+ϕ/2)⋅e πtan ϕ， N c =(N q -1) /tan ϕ；

c---土的粘聚力(kPa)； φ---土的内摩擦角（°）；

γ---土的重度(kN/m3)； t---支护结构入土深度(m);

h---基坑开挖深度(m); q---地面荷载(kPa)。

对于工况二进行验算，则

Nq =tan 2(45+ϕ

2) e πtan ϕ=12.4

Nc =(Nq -1) /tan ϕ=23

Ks =N c c +N q γτγ(h +t ) +q =23⨯6. 3+12. 4⨯18. 8⨯10. 21118. 8⨯(5. 789+10. 211) =8.4＞1.2, 满足要求！

3.5 基坑底管涌验算

在工况一下围堰内抽水至+1103.5m标高时，围堰内外水头差为7m ，基底可能发生管涌现象，因此需对此工况下基坑底进行管涌验算。

围堰内不发生管涌的条件为： K=(h '+2t ) γ'

h 'γ≥1.5

w

在工况一下： K=(7+2⨯16) ⨯8. 8

7⨯10=4.9≥1.5，满足要求！

4、水下混凝土封底施工工艺

4.1施工准备

1）水下吸泥施工

本工程封底砼面以上土层为砂性土，围堰内吸泥采用水下吸泥法施工。根据围堰设计要求，在内支撑安装到位后并保持围堰内外水位一致的情况下进行水下吸泥施工。为保证围堰内水位能始终与围堰外水位保持一致，在钢板桩插打前，每个围堰选择6根钢板桩根据设计桩顶标高至低水位时的高度在钢板桩上开孔设置开关阀，在围堰内水下吸泥过程中打开开关阀使围堰内水位随河水涨落变化，在封底砼达到强度准备抽水前，在低水位时关闭开关阀。

吸泥施工采用高压水枪配合泥浆泵进行作业，清理围堰内基底至封底砼底标高，清理完后检查基底平整度并作好记录。

水下吸泥工作原理：机具由一台22kw 泥浆泵带1台11kw 高压水枪，吸泥管端绑定高压水枪枪头。工作时整个吸泥管伸入水中，用高压水将河床泥沙冲为泥浆，由泥浆泵吸出泥浆以此往复循环直至设计吸泥标高。

水下吸泥施工示意如图4.1-1。

图4.1-1 水下吸泥施工示意图

吸泥至设计标高后，潜水员下水利用高压水枪将封底砼高度范围内钢板桩及钢护筒冲洗干净以保证封底砼与钢板桩、钢护筒的粘结力。

4.2 围堰内抽水、基础开挖、钢管桩基础割除及回填

封底混凝土作用：一方面通过封底混凝土与桩基钢护筒、钢板桩形成一个整体，依靠其自重、封底砼与钢护筒、钢板桩的粘结力抵抗水浮力；另一方面在封底砼达到强度围堰内抽水后，封底砼对钢板桩下部形成有效支撑。

封底砼采用导管法水下浇筑。施工前先利用钢护筒或钻孔平台定位桩放置型钢分配梁，其上铺设脚手板作为封底施工平台。然后根据围堰尺寸及桩基位置布置封底导管。

封底平台布置示意如图4.2-1。

图4.2-2 封底平台布置示意图

封底导管采用Φ300mm 钢管，导管顶部装有一设法兰盘的管节与储料斗相接，储料斗采用桩基施工时首盘冲灌的储料斗。导管计划使用39

根，导管在使用前须进行水密试验，导

管安装时，每个接头须预紧检查，下放固定时，导管下口悬空15－20cm 。导管布置按每根导管的作业半径4m 考虑，导管固定在平台分配梁上。

灌注前，把储料斗装满混凝土。一切准备工作就绪后，利用吊机“拔球”使混凝土瞬间通过导管压向基底，在导管周围堆成一平坦的混凝土圆锥体，然后吊运混凝土漏斗通过导管源源不断地灌入锥体内，混凝土在水下摊开和升高，直至达到承台底设计标高。封底混凝土浇筑顺序及导管布置见图4.2-2

图4.2-2封底混凝土浇筑顺序及导管布置

4.3封底混凝土浇筑要求

封底混凝土应自流平，混凝土拌合物应和易性好、不泌水、不离析，流动性好、扩展性好。在浇筑过程中时刻关注围堰外侧水位，确保内外水位一致。

4.4封底混凝土浇筑准备工作

4.4.1.1测量放线

技术人员给出围堰十字线及边线，精确探明基底各部位的标高。

4.4.1.2基坑清底

钢板桩围堰形成后，对基坑要进行清底。潜水员下水采用高压水泵和水力吸泥机，清理围堰基底至设计标高，清理完后检查基底平整度并作好记录，同时潜水员对封底范围内的钢护筒及钢板桩进行冲洗，以保证封底砼与钢护筒、钢板桩的粘结力。

4.4.1.3施工布置

⑴封底平台的布置，利用钢护筒、

钻孔平台定位桩搭设封底砼平台作为封底砼施工过程

中人员操作、小型机具的堆放平台；

⑵导管内径为300mm 的钢管，具有足够的抗拉强度和密水性，能安全地承受自重力和装满混凝土的重力。导管的内径要一致，误差不大于±2mm ，内壁要光滑无阻，管体要不漏、不裂。导管组拼后要做水密试验，试验压力不小于入水深度水压的1.5倍。导管与顶节用带止口橡胶垫的法兰盘螺栓连接。法兰盘必须与导管轴线垂直，且应焊有加强肋块。导管组拼后用钢尺丈量出准确的长度并在顶部根据封底厚度标识尺寸刻度；

⑶在基坑顶搭设灌注支架，以悬挂缓降器漏斗及导管，导管的提升利用悬挂在支架上的倒链协助施工；

4.5水下封底混凝土灌注注意事项

⑴由于水下混凝土面积大，不可能一次同时“冲灌”灌注。水下混凝土封底采用导管分项逐根灌注，其灌注顺序应从低至高、从横桥向一侧至另一侧逐个进行。从低至高灌注是为了避免因高处导管内混凝土往低处流淌造成导管底口脱空或埋入的厚度过薄，致使导管底口进水，发生质量事故；从横桥向一侧至另一侧灌注是为避免基底浮泥及封底顶面的浮浆集中在基础中间，影响封底混凝土的厚度。

水下混凝土灌注前要精确探明基底各部位的标高，首先用尖锤测量导管底处基底标高，待首批混凝土灌入后再用平底锤测量埋管深度，待确认导管埋深满足要求后再移动储料斗至下一根导管。

⑵封底混凝土配合比的选用：选用配合比的强度要提高10-20%，充分考虑水下混凝土的特性。拌合混凝土要求有足够的流动性，以顺利通过导管，并能在水下自动摊开。混凝土的坍落度控制为18-22cm ，开始灌注阶段，采用增加适量水泥或粉煤灰来增加混凝土的流动性和黏度，使其具有良好的和易性，避免在灌注过程中产生离析。混凝土应掺入适量缓凝剂，初凝时间不小于12小时。

⑶每根导管的首批混凝土坍落度不要太大，以避免因落下的混凝土不能形成一定坡率而埋不住导管底口。

⑷首批混凝土的数量：v=πR2h/3=5m3,R为扩散半径，最大为4m,h 为导管底口处混凝土埋高，h=0.3m。

⑸备用一台插入式振动器，在漏斗颈混凝土卡住时，用来疏通混凝土。

⑹混凝土搅拌时间较普通情况稍加长，一般不小于2min 。

⑺施工中安排专人精确探明基坑底标高、砼表面标高，应该控制导管埋深。

⑻混凝土浇筑前应对所有机具设备进行检修，确保能正常工作运行后才能开盘，同时应备好易损件。

图5.4-4封底混凝土施工示意图

5、施工效果

以永宁黄河公路大桥主桥41#、42#主墩围堰封底为例，按以上施工工艺进行大型钢板桩围堰封底施工后抽水完观察封底效果很好，整个围堰未见涌水现象出现，封底平整度满足后续施工要求。说明施工中所采取的措施是成功的、有效地，封底的成功为桥墩承台和上部结构的施工奠定了坚实的基础。

6、结束语

大型钢板桩围堰水下封底混凝土体积庞大，一次性混凝土浇筑量大，浇筑过程连续性强，水下工程条件复杂，况且封底的成败直接影响后续承台的施工，如封底不成功再进行补救需要耗费巨大的人力物力，所以说大型钢板桩围堰封底施工过程必须统筹安排，有序组织，注重过程控制，务必一次成功。

参考文献

［1］大体积混凝土施工规范. 北京计划出版社，2009. 北京

［2］公路桥涵施工技术规范. 中华人民共和国交通运输部发布.2011.08.01实施