淺談承插式鋼管排樁的設計與應用

■陳德華 ■廈門源昌城建集團有限公司，福建 廈門 361004

筆者結合某工程項目的不斷探索和實踐，在常規鋼管排樁基礎上，依據上述橋梁施工條件上，成功地改進并命名為承插式鋼管排樁圍堰體系，替代了鋼套箱圍堰施工方法。該體系在保障質量和安全的前提下，成功地克服了場地不足、工期緊張的困難，同時節約了成本。

1 適用條件

如上所述，承插式鋼管排樁圍堰體系有其自身應具有的施工條件，總結如下:

(1)橋梁承臺位于常水位以下。

(2)樁基施工過程采用二次筑島圍堰，即先行施工半河道寬范圍內的橋梁結構，而后施工另一半河道范圍內的橋梁結構并恢復之前河道以保障通水，最后全部恢復河道。

(3)河床水文地質條件良好，河床較為平緩，嵌入端為非卵石層(卵石含量大于70%)即可。

2 工藝原理及流程

2.1 工藝原理

在滿足上述施工條件下，依據工程的水文地質件，以擋土、防水為基本原則，在保障基坑開挖時的安全與穩定性前提下，經安全計算，選用三種不同直徑和規格的鋼管，其中兩個小直徑管鋼應可以互相嵌套。再依據基坑大小和形狀，采用合適厚度和長度的鋼板在大直徑鋼管將兩個小直徑鋼管(分別作為承管和插管)焊接在所選用的滿足工況需要的表面合適位置上，形成了一個單元組件。將單元組件按事先測量的位置，將一組件的插管套入另一組件的承管，依次首尾連接便構成了承插式鋼管排樁圍堰主體。其中大直徑鋼管保證了堰體具有滿足施工要求的足夠的強度和剛度，小直徑鋼管和鋼板組成的扣件保證了堰體具有足夠的整體性和密封性，再加上必要的內支撐構件，組成了一個較為完美的泥水支擋結構體系。由于扣件之間的縫隙不大，因此施工過程中滲水量很小，甚至不滲水，從而為水中及地下構筑物施工創造必要的條件。

2.2 工藝流程

承插式鋼管排樁圍堰體系工藝流程具體如下圖(圖1)所示:

圖1 承插式鋼管排樁圍堰體系施工流程圖

3 設計及施工技術要點

3.1 圍堰體系設計

3.1.1 設計原則

(1)在基坑開挖施工之前應充分考慮工程地質與水文地質條件、基礎類型、基坑開挖深度、降排水條件、周邊環境對基坑側壁位移的要求、基坑周邊荷載、施工季節、支護結構使用期限等因素，執行國家、地方和行業現行的有關標準、規范和規程的規定，結構設計以分項系數表示的極限狀態設計表達式進行設計為原則，做到因地制宜，因時制宜，合理設計、精心施工、嚴格監控。

(2)根據承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的設計要求，應按下列規定進行計算和驗算:

①基坑支護結構均應進行承載能力極限狀態的計算;

②對于安全等級為一級及對支護結構變形有限定的二級建筑基坑側壁，尚應對基坑周邊環境及支護結構變形進行驗算;

③地下水控制計算和驗算。

3.1.2 鋼管排樁圍堰結構設計

(1)確定圍堰體系平面尺寸。根據構筑物實際尺寸擬定平面尺寸和形狀，以構筑物設計尺寸為基礎，四周預留符合要求的工作面及基坑排水空間再加上內支撐體系所占用的空間，以此作為圍堰平面尺寸。

(2)確定圍堰體系豎向尺寸。在熟悉圖紙的基礎上，依據結構物豎向標高及水文地質勘察資料及施工期間汛期情況，在確保大于汛期最高水位基礎上，選擇相應長度規格的鋼管和加工長度。

3.1.3 計算機模擬設計

為提高設計精度和效率，同時為實施過程中提供必要的數據，采用PKPM和理正等結構設計軟件，將不同材料、不同規格和不同方法等數據錄入計算機，并不斷優化，最終形成符合本工程所需的“額定自由度的單元組件”的管徑、壁厚及內支撐位置和形式等內容。然后采用CAD軟件，將本工程基坑尺寸和組件寬度錄入CAD中，作現場模擬實施，并以平面和縱面相結合，將水文和地質資料等最終繪制成有指導性的現場施工圖紙，與此同時，可最終確定所須單元組件和內支撐的數量，并可提前加工，不會造成材料和時間上的浪費。

3.2 圍堰體系加工

為了便于闡述，本文以筆者所在項目為例，簡要介紹鋼管排樁、圍檁和內支撐制作方法。該橋梁工程位于福建省南安市，該橋承臺位于河道常水位之下，此部位河道寬度35.4m，中心水深約1m，流速0.3m/s，河床地質為砂卵石層，其中卵石含量20%，采用筑島法施工。

3.2.1 確定鋼管排樁直徑和壁厚以及支撐的主要用材

經過上述設計方法步驟計算，在該項目中大鋼管直徑和壁厚采用D400×6mm的鋼管螺旋加工而成，總長度6m，基坑開挖后上部懸出長度為3m，入土深度3m。在入土端依據地質情況(為砂卵石層)，增焊一圈鋼板，并將端頭加工為可通水錐形，以確保順利入土和入土端鋼管不變形。插管采用D70×8mm無縫鋼管，承管采用D90×8mm無縫鋼管，插管的連扳和承管的加勁肋板采用10mm厚鋼板，圍檁用25a槽鋼焊接，內撐桿件采用Ⅰ25A。

3.2.2 單元組件加工

依據基坑形式，該項目為矩形基坑，除四個轉角的單元組件其承管和插管按90°布置外，其余分別對稱布置在大直徑鋼管的兩側，軸線相互平行，兩邊滿焊牢固。承管依據連接板厚度進行開口，后直接與大直徑鋼管焊接，并每50cm設置一道加勁肋板，插管采用10mm厚鋼管(寬40mm)與主管連接，必要時在承插管的頂部和底部宜做適當處理，以便拼裝時順利就位，具體如圖2所示。

圖2 單元組件設計平面圖

3.3 承插式鋼管排樁圍堰體系施工

3.3.1 垂直度和標高控制

承插管排樁下沉時采用兩臺經緯儀和一臺水準儀同時進行沉樁監控。其中一臺經緯儀安置在圍堰的邊軸線上，另一臺安置在90°夾角方向上，同時用于監控管樁的垂直度和平面位置，水準儀用于樁頂標高控制。在垂直度偏差滿足要求后，啟動振動錘，緩慢沉樁。

3.3.2 施工順序

沉樁應由河岸邊往河道中順(逆)時針方向進行，依據設計圖紙中的編號依次沿圍檁外緣，利用震動錘施打鋼管排樁，打入深度按設計深度控制，局部異常部位，根據現場實際情況進行調整。排樁打入后應與圍檁焊接牢固，形成整體。

3.3.3 調整糾偏

第一根樁下沉必須進行準確的位置和垂直度監控。為了不突破額定自由度的伸縮范圍，定位偏差以不超過插管連板長度的一半，垂直度偏差以不超過樁長的0.15%。一般情況下，第一根樁準確就位后，在施打過程中亦可采用垂直度檢測儀貼在鋼管表面隨時控制，如果發現垂直度偏差超過時，應立即停止下沉進行糾偏進行處理，在偏差在允許范圍內時繼續下沉。第二根及其以后的排管下沉時，只要將排管的承管(插管)對準套住(插入)第一根排管的插管(承管)，慢慢下沉就位即可。

3.4 其他注意事項

3.4.1 基坑開挖

基坑開挖應嚴格遵循之前的施工方案，對于吹砂填筑而筑島平臺因上部含水量不大，可采用挖掘機挖除;中部土體含水量逐漸增大，可采用高壓水槍配合泥漿泵外排;下部土體因含水量大，可采用空氣吸泥機進行外排，同時注意向基坑內補水。

3.4.2 內支撐施工

隨著基坑開挖深度的增加，堰體內外的壓力差不斷加大，因此在開挖深度達到設計標高后，應根據施工組織設計和設計圖紙的要求在坑內相應的位置設置“并聯工字鋼水平支撐系統”，保證鋼管排樁具有足夠的強度和整體穩定性，以抵御外側壓力。并聯工字鋼水平支撐在設計圖紙確定后即可加工，采用16#工字鋼利用鋼板焊接成“II”形式，安裝順序宜先焊接牛腿或支柱，然后安裝圍檁(圈梁)，接著焊接支撐桿件。一般縱向采用整根撐桿，橫向的撐桿、角撐和加勁撐采用短桿，各種構件連接處采用環焊牢固，豎向支撐采用牛腿或支柱和鋼板與撐桿焊接。

4 方法特點

經改進后承插式鋼管排樁圍堰體系具有如下特點:

(1)經設計驗算和工程實踐，在內支撐體系的加強下，該鋼管排樁圍堰剛度較大，密封性好，滲水量小，結構簡單，圍堰內支撐較少。

(2)構件輕巧，易于制作與拼裝，可根據需要增加或減少單元組件而形成不同尺寸的矩形基坑，可在不同橋梁下部基坑和不同項目中使用，極大提高了每個單元組的周轉次數，節約了成本。

(3)施工便捷，構件制作、加工、運輸、吊插、下沉等方便靈活。單體重量輕，無需大型施工設備，施工安全可靠效率高。

5 結語

本文重點介紹了承插式鋼管圍堰體系的設計和實施環節中須注意的問題，但是針對整個圍堰體系的順利實施，除了技術方面保障外，仍須采取多方面的保障措施，如(安全)技術交底、基坑安全監測、勞動力組織等多個方面，如此才能較好地保證施工質量和安全。

同時，該承插式圍堰體系，經多個市政橋梁工程的實施工，證明其是一個綜合性能較高的施工方法，不僅在工期和成本上得到較好的節約，也在質量和安全方面有較好的提高，尤其是在本文所提到的某些特定施工條件下，其優點可以較好地發揮出來，因此，筆者結合自身經驗和理論，對該方法作一個總結，以饗讀者。

［1］李安《路橋工程施工常用數據資料與計算速查手冊》［M］.出版地:北京，當代中國出版社，2012年7月.

［2］中華人民共和國交通部JTG_TF50－2011《公路橋涵施工技術規范》［S］.出版地:北京，人民交通出版社，2011年6月.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部GB50017－2003《鋼結構設計規范》［S］.出版地:北京，中國計劃出版社，2012年6月.

［4］黃國章《承插式鋼管排樁在橋梁墩臺圍堰施工中的應用》［J］.《中國市政工程》2011年第6期.