余姚江特大橋水中墩圍堰設計與施工方法探討

徐亞平 中國鐵路上海局集團有限公司工程質量監督站

1 工程概況

余姚江特大橋為寧波樞紐莊橋至寧波段增建三四線重難點控制性工程，大橋位于既有杭深上行線余姚江特大橋上游約25 m處，主要為跨越余姚江而設。特大橋跨越余姚江采用3跨簡支鋼桁梁結構形式,孔跨布置為1 m-80 m鋼桁梁+1-128 m鋼桁梁+1 m-80 m鋼桁梁。設置有水中墩兩個，分別為14#墩及15#墩，本文重點對兩個水中墩的圍堰設計及施工方法進行探討，兩個水中墩平面布置如圖1。

圖1 水中墩平面布置圖

2 工程地質、水文條件

施工前開展工程地質、水文地質和氣候情況調查，發現橋址區均分布有淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土和流塑狀粉質黏土。橋址區淤泥質粉質黏土：流塑，厚度約27.5 m；粉質黏土：流塑，厚度約6.5 m；粉質黏土：軟塑，厚度約4.6 m；中粗砂：密實，厚度7.7 m。

寧波四季分明，冬夏季長達4個月，春秋季僅約2個月。主要雨季有3～6月的春雨連梅雨和8～9月的臺風雨和秋雨，主汛期5～9月的降水量占全年的60%，施工中遇有極端天氣時應暫停施工。

3 圍堰設計及施工工藝

3.1 圍堰結構設計

兩主墩承臺位于余姚江水中，考慮水文、地質情況，通過計算，對方案的安全性、經濟性、可實施性等方面分析比較，決定采用鎖口鋼管樁圍堰對主墩承臺墩身施工。逐根插打鎖口鋼管樁至設計位置，圍堰支撐、內吸泥封底，抽水，施工承臺墩身。主墩承臺為一級承臺，承臺結構尺寸為9 m（縱）×18.9 m（橫）×3 m（高），圍堰尺寸根據鎖口鋼管樁排布為12.69 m（縱）×21.55 m（橫），與承臺邊緣凈空為92 cm。

鎖口鋼管樁結構形式為鋼管樁+H型鋼圍檁+鋼管樁內撐，鎖口鋼管樁采用Q345φ820 mm×12 mm鋼管，工字鋼圍檁采用雙拼Q345H588H型鋼，內撐采用φ609 mm×16 mm鋼管。根據實勘地層地質情況，14#墩鎖口鋼管樁長度設計為38 m，錨固深度為21.61 m；15#墩鋼管樁長度設計為30 m，錨固深度為13.36 m。圍堰內共設置3道內支撐，距圍堰頂1.5 m，4.0 m，4.0 m各設置一道。封底混凝土厚2.5 m，采用C40混凝土。根據寧波地區防洪及施工洪評要求，圍堰防洪能力按照10年洪水位設計。14#、15#墩基坑從上而下共設置三道支撐，第一道支撐中心距圍堰頂為1.5 m，其余二道支撐中心間距均為4 m。圍檁均采用雙拼H588×300×12×20，加綴板焊接而成。鋼管樁圍堰滲漏一般出現在鎖口位置，因此施工過程中重點加強對鎖口的檢查。

3.2 圍堰結構驗算

3.2.1 計算模型

圍堰結構土壓力計算根據朗肯土壓力理論，按土層分布進行分層計算。圍堰結構按平面桿系結構彈性支點法進行內力和位移的計算。支撐結構按平面問題進行分析，取“荷載-結構”模式，采用彈性有限元法進行結構計算。

3.2.2 荷載組合及分項系數

（1）永久荷載

①結構自重：鋼管支撐、鋼圍檁重度γ=78.5 kN/m3。

②地層壓力：豎向壓力按計算截面以上全部土柱重量計算；施工期間作用在圍護結構上的主動區土壓力按朗肯公式的主動土壓力計算。

③水壓力：施工期間基坑內水位按基坑底面下1.0 m計算。基坑外按水位標高2.0 m計算。

（2）可變荷載

施工超載：圍堰外側按10 kN/m2（均布）考慮，模擬棧橋鄰圍堰結構邊及土方車、挖機作用的超載。

（3）荷載組合

圍護結構及內支撐體系按施工階段進行強度、剛度和穩定性計算。因本基坑圍護結構安全等級為一級，在驗算構件強度時，根據浙江省地方標準《建筑基坑工程技術規程》（DB33/T 1096-2014）采用綜合分項系數1.25，基坑重要性系數1.1。

3.2.3 圍堰穩定性驗算

（1）通過對φ820 mm×12 mm C0型鎖口鋼管樁+三道鋼支撐+水下封底混凝土進行了圍堰穩定性驗算，驗算圍護樁樁身抗彎強度，基坑整體穩定性、抗傾覆穩定性、抗隆起穩定性、內支撐、圍檁穩定性強度等內容，結果表明，圍堰整體穩定性系數、抗隆起穩定性等均滿足相關規范標準要求。

（2）φ820 mm×12 mm C0型鎖口鋼管樁圍堰+三道鋼支撐+水下封底混凝土的圍堰方案，樁身截面抗彎驗算、樁身位移均滿足規范要求。

3.2.4 封底混凝土抗隆起驗算

封底混凝土主要作用是：防水滲漏和抵抗水浮力在封底混凝土底部形成的彎曲應力，以及作為承臺的承重底模。水下封底混凝土承受的荷載按照施工中最不利的情況考慮，即在圍堰封底以后，圍堰內的水被抽干，封底混凝土將受到可能產生的向上水壓力的作用，封底混凝土主要受靜水壓力、自重以及封底混凝土與CO型鎖口鋼管樁圍堰、橋梁工程樁側壁摩阻力的共同作用。經驗算，抗隆起滿足要求。

3.3 施工工藝

3.3.1 總體施工順序

按設計順序打設鎖口鋼管樁→抽水至第一道圍欄下1 m,施工第一道支撐及圍檁→搭設鉆孔樁平臺→埋設鋼護筒、鉆樁→鉆樁完成，拆除鉆樁平臺→抽水至第二道圍檁下1 m，施工圍檁及對撐→放水至內外水位標高一致，吸挖泥至封底混凝土底→澆筑封底混凝土2.3 m→抽水至第三道圍檁下1 m，施工圍檁及對撐→抽水至封底混凝土頂面，拆除護筒和樁頭→澆筑0.2 m墊層→施工承臺混凝土→承臺施工完成后，承臺四周回填2.5 m砂并夯實→澆筑承臺四周50 cm混凝土→第一次墩身施工8 m→澆筑墩身頂帽→采用砂或質粉質黏土回填至三道支撐下1 m，拆除第三道支撐→采用砂或粉質黏土回填至二道支撐下1 m，拆除第二道支撐→回抽水至第一道支撐下1 m，拆除第一道支撐→回抽水保持內外水位相同→拔出鎖口鋼管樁。

3.3.2 鎖口鋼管對接焊接施工

先將鋼管對接成設計長度對接，一根鋼管樁吊起平放在可旋轉的固定架上，另一根鋼管樁吊放在鋼管樁成一條直線由兩臺門架式手拉葫蘆調節至同一軸線，管口應打坡口至5 mm然后將兩根鋼管樁定位焊接。每根鋼管樁上的鎖口要對稱對位在同一直徑線上。接口處滿焊不得高于鋼管外徑，然后在對接處緊貼管壁焊4塊加強鋼板（鎖扣中間焊兩塊），尺寸30×40×10（mm）瓦形板。質量要求：焊縫飽滿、無沙眼或漏焊現象，鋼管樁制作標準按規定執行。

3.3 鎖口鋼管樁插打

在圍堰上下游一定距離的河岸陸地上設置控制測量點。在導向梁安裝之前，用全站儀測放出圍堰的內輪廓線；在鋼管樁插打過程中，用全站儀控制鎖口鋼管樁的垂直度。

（1）工工藝流程

準備工作→儀器定位→安裝導向架→插入管樁→鎖口鋼管樁→下一根管樁施工。

（2）施工方法

①鋼管樁從上游側圍堰中心開始打入第一根鋼管樁，然后逐步向兩邊插打，在下游合龍，最初的一、二根鋼管樁的打設位置和方向要確保精度，以起到樣板的作用。為防止鎖扣中心線平面位移，在打樁進行方向的鋼管樁鎖扣處設卡板，阻止鋼管位移。鋼管樁合龍通過精確計算，確定合龍口位置，合龍口的位置選擇在距離角樁4～5根的鋼管樁位置合攏。

②為了確保每一根鋼管樁插打準確，第一根鋼管樁是插打的關鍵，第一根鋼管樁位置選擇在上游中心位置，插打前在導向架上設置限位裝置，大小比鋼管樁每邊放大1 cm，插打時，鋼管樁樁背緊靠導向架，邊插邊將吊鉤緩慢下放。

③通過檢測，確定第一根鋼管樁插打合格后，然后以第一根鋼管樁為基準，再向兩邊對稱插打每一根鋼管樁到設計位置。整個施工過程中，要用全站儀始終控制每根樁的垂直度在0.5%以內，出現偏差時及時調整。

④在整個鋼管樁圍堰施打過程中，開始時插一根打一根，即將每一根鋼管樁打到設計位置，到剩下最后5根時，要先插后打，若合攏有誤，用倒鏈或滑車組對拉使之合攏，合攏后，再逐根打到設計深度。

⑤連通閥安裝

為保證鋼管樁合攏后圍堰內外水頭一致，避免因江水漲落造成圍堰內外水頭不一致而產生不平衡水壓力，在鋼管樁上設置連通閥，保證圍堰內水位不論漲還是落始終與圍堰外水位一致。圍堰在鋼管樁側壁上安裝兩個直徑30 cm的連通閥，在合攏前保持連通閥處于開啟狀態，待內支撐安裝到位后，利用低潮位期間，關閉連通閥，開始圍堰的抽水開挖工序。

⑥每一根鋼管樁先利用自重下插，當自重不能下插時，才進行加壓。

⑦鋼管樁插打至設計標高后，立即與導向架進行焊接，以抵抗水流沖擊。

⑧插打過程中，須遵守“插樁正直，分散即糾，調整合攏”的施工要點。在插打過程中，鋼管樁下端有上擠壓，鋼管樁鎖扣和鎖扣之間縫隙較大，上端總會產生向遠離第一根鋼管樁的方向傾斜。因此，每打四五根鋼管樁就要用垂球吊線，將鋼管樁的傾斜度控制在0.5%以內，超過限定的傾斜度應予糾偏（一次性糾偏不能太多，以免鎖扣卡住）。

3.3.4 封閉合攏

（1）鎖口鋼管樁由圍堰上游分兩頭插打、到下游合攏。

（2）鋼管樁圍堰合攏前，在插打至最后4～5根樁時，測量缺口的寬度，準確計算出合龍樁的外徑，加工大小合適的鋼管樁運至施工現場插打。

（3）為保證鋼管樁圍堰合龍時兩側鎖口互相平行，避免使用異型樁進行合攏，減小合攏難度，當鋼管樁兩端相距10～15根樁的距離時，之后每打入一根樁，均須用全站儀控制其垂直度。若樁身存在偏斜，應逐根糾正，分散偏差，調整合攏。

4 變形監測

4.1 監測點布置

監測點一般選在視野開闊、不影響施工、內力和變形的關鍵特征位置，測點標志應穩固、明顯。

（1）基坑及支護結構

鋼管樁頂部的水平和豎向位移監測點沿基坑周邊布置，橫橋向每側按間距（2.57+6.60+3.30+6.60+2.57）m處布置監測點（每邊4個點），縱橋向按間距(2.88+3.3+3.3+2.88)m布置監測點（每邊3個點）,樁頂四周共布置14個測點，均布置在鋼管樁頂。

（2）內支撐的內力

內支撐的內力監測點布置在第二道、第三道和第四道內支撐上，三道支撐的監測點在豎向上保持一致。每層支撐的內力監測點布置3個，布置在兩道斜撐和對撐上，測點布置在支撐的端頭。

（3）坑底隆起

在基坑縱、橫向中心剖面線上，同一剖面上的測點不少于2點。

（4）圍堰內地下水位監測

水位監測點布置在基坑中央和周邊拐角處。

4.2 監測要求

水中深基坑及圍堰工程支護安全等級為一級，基坑監測安全等級為一級。在整個施工過程中應進行全過程監測，實行動態管理和信息化施工。

當出現下列情況時應提高監測頻率：

①監測數據達到報警值；

②監測數據變化較大或者速率加快；

③支護結構出現開裂；

④周邊平臺和棧橋出現較大沉降、不均勻沉降和位移變形；

⑤基坑底部、側部出現管涌、滲漏或流砂等現象；

⑥基坑底部出現隆起。

5 結束語

通過設計φ820 mm×12 mmCO型鎖口鋼管樁圍堰+三道支撐+水下封底混凝土圍堰進行整體建模，對施工工況進行全過程模擬，分析出圍堰內封底后抽干水工況最為不利工況，驗算圍堰結構強度、剛度、穩定性。施工過程中嚴格監測、監控，保證施工安全性，成功完成鎖口鋼管樁圍堰施工。施工效率高，工期短，取得較好經濟效果，可供同類工程參考。