水下深基礎鎖扣鋼管樁圍堰的設計及施工關鍵技術

趙建鋼 高 輝 施 駿

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

一般深水基礎大多采用圍堰法施工，目前國內常用的圍堰有拉森鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、雙壁鋼套箱圍堰等。在實施之前，應根據不同項目的施工特點，考慮施工環(huán)境，選擇最為合理的圍堰形式。

拉森鋼板樁圍堰具有施工方便快速、材料可周轉等特點，但其結構本身剛度較小，難以滿足深度較大的水下基礎施工要求。鋼套箱圍堰具有結構整體性好、剛度大的特點，但安裝工藝復雜，后期拆除困難，且難以周轉使用，需要較大的措施投入。

相比其他的圍堰形式，鎖扣鋼管樁具有適應性強、結構穩(wěn)定、施工周期短、材料可周轉使用等特點，適用于水下深基礎的施工[1-5]。

1 工程概況

溫州市七都大橋北汊橋工程位于甌江主航道位置，主橋為五跨雙塔中央索面疊合梁斜拉橋（圖1），水上引橋為5跨鋼混疊合連續(xù)梁橋，共包含10座水中墩承臺（主橋6座，引橋4座）。

圖1 七都北汊橋示意

北汊橋水上部分橋梁全長約965 m，除主橋2座主墩承臺為高樁承臺外，其余承臺均為低樁承臺，基礎埋入河床以下。甌江潮位為＋4.5 m（高潮位）及－2 m（低潮位）左右，最大水位差6.5 m，橋位處河床標高為－11～－2 m。橋位處地質情況復雜，同時，甌江是一條山溪性潮汐河流，上游洪峰猛漲猛落，歷時短，洪峰流量大，受潮汐影響明顯，高低潮位落差大，漲、落潮流速均較大。

2 鎖扣鋼圍堰設計

2.1 設計原則

水中承臺埋深最深的為引橋31#、32#承臺，其承臺底標高為－13.0 m，尺寸36.5 m×9.5 m×4.0 m，承臺位置的河床標高為－10.5 m。

圍堰結構采用鎖扣鋼管樁圍堰形式，圍堰內設置圍檁及支撐系統(tǒng)，圍堰底設置封底混凝土。圍堰設計時考慮以下幾方面因素：

1）圍堰設計標高考慮滿足20年一遇最大高低潮差，高潮位取＋4.9 m，低潮位取－2.0 m，河床標高取－10.5 m，最高水位至河床底取17.4 m（考慮2 m沖刷，封底以下內外平衡）。

2）圍堰主要荷載包括：自重、浮力、靜水壓力、流水壓力及土壓力作用。

3）由于甌江環(huán)境具有腐蝕性，故圍堰設計時材料強度計算考慮結構腐蝕影響。

2.2 圍堰結構設計

圍堰結構分為鎖扣鋼管樁、圍檁及內支撐系統(tǒng)、封底混凝土三部分，鎖扣鋼管樁采用φ800 mm×10 mm鋼管樁，樁長36 m，鎖扣形式采用“C＋O”陰陽鎖扣。“C”形鎖扣采用φ150 mm×10 mm鋼管開槽口，“O”形鎖扣采用φ135 mm×10 mm鋼管，陰陽鎖扣在主鋼管兩側通長焊接。圍堰的圍檁及支撐在高度方向共布置4道。圍檁采用H588 mm×300 mm型鋼，支撐采用H900 mm×300 mm（下部2道）及H588 mm×300 mm型鋼（上部2道）。封底混凝土厚度2 m，采用C30水下混凝土。

2.3 圍堰計算

2.3.1 計算模型及荷載組合

圍堰計算中鎖扣鋼管樁按等剛度代換采用板單元模擬，圍檁及對撐等采用梁單元模擬，封底混凝土采用混凝土實體單元模擬。

鋼圍堰采用全模型進行計算，圍堰底部為約束x、y、z向的鉸接，內支撐支點設置于圍檁上，節(jié)點處采用剛性連接，封底混凝土在鋼護筒處設置x、y方向的約束。具體模型如圖2所示。

圖2 鎖扣圍堰計算模型

2.3.2 工況分析

當封底混凝土澆筑完成并達到設計強度后，圍堰內抽水至封底混凝土頂面，圍堰在自重、浮力、靜水壓力、流水壓力及土壓力作用下，圍堰自身結構受力最為不利。在此工況下進行圍堰自身、抗浮及封底混凝土厚度與強度驗算。

2.3.3 計算結果

1）鎖扣鋼管樁在不利工況下的最大應力為160 MPa，鋼管最大變形37.7 mm。

2）圍檁及內支撐組合在不利工況下的最大組合應力為151.3 MPa，支撐受最大軸力為－8 534.3 kN（承壓）。

3）封底混凝土厚度參照CECS 137：2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程》驗算。浮力取分項系數(shù)1.27，自重取分項系數(shù)1.0，計算得出封底混凝土最小厚度為1.7 m，現(xiàn)場施工取2.0 m。圍堰抽水后，封底混凝土在浮力作用下主要受拉應力影響，其強度應以拉應力控制，封底混凝土主要承受自重、靜水壓力和浮力的共同作用，對其進行建模計算，封底混凝土拉應力小于1.1 MPa。

4）圍堰的鎖扣鋼管樁入土深度約20 m，樁底入②4層土，計算得出抗隆起安全系數(shù)為1.35＞1.25。

3 鎖扣鋼管樁圍堰施工

3.1 鎖扣鋼管打設

鎖扣鋼管采用履帶吊＋振動錘打設，應結合施工區(qū)域水流情況及施工場地合理安排順序。一般可利用橋梁樁基施工的鋼護筒設置定位導向支架，先施工角樁進行定位，隨后沿導向支架依次打設鋼管，最后在起始點對角線位置的角樁進行合攏。

本工程水上樁基施工平臺在搭設時只布置了單側的施工支棧橋，若在打設前將全部樁基施工平臺拆除，則會因距離過遠導致設備無法滿足作業(yè)要求。因此，本工程中鎖扣鋼管的打設與施工平臺的拆除同步進行，即先拆除部分平臺，完成半幅鎖扣鋼管的打設，隨后履帶吊后退至樁基施工平臺范圍以外的支棧橋。拆除剩余樁基施工平臺后，再完成另外半幅的鎖扣鋼管打設（圖3）。

3.2 圍檁及支撐安裝

為提高安裝效率，圍檁及支撐采用從下往上整體帶水安裝，即每一道圍檁及支撐在后場加工成整體，鎖扣鋼管樁打設完成后，在圍堰內部先將圍檁及支撐安裝標高定位，隨后整體直接下放到圍堰內。由潛水員確認安裝標高到位后，用拉桿直接同支架頂口臨時拉結固定。隨后安排潛水員排摸每一根鋼管同圍檁之間的間隙，并用鋼墩將圍檁同每一根鋼管頂緊。

圍堰共設置4 道支撐及圍檁，其中最底下2 道圍檁采用雙拼H588 mm×300 mm型鋼，支撐采用雙拼H900 mm×300 mm型鋼。根據下放質量，上部2道圍檁及支撐采用2臺大噸位吊機抬吊下放，而下部2道圍檁及支撐由于自重超過100 t，故采用千斤頂下放。

3.3 基底清理

承臺底標高為－13 m，根據圍堰計算情況，封底混凝土厚度取2 m，因此基底應清理至－15 m的標高。根據此位置的河床標高（－10.5 m），基底清理深度為5 m左右。

為提高施工效率，基底清理采用伸縮臂挖機＋抓斗抓泥＋吸泥泵聯(lián)合進行，即在鎖扣鋼管樁打設完畢后、支撐及圍檁安裝前，先采用伸縮臂挖機及抓斗挖除基底大部分的淤泥，隨后圍檁及支撐安裝完成后，安裝吸泥泵，配合潛水員對鋼管、護筒周邊等挖機無法清理的位置進行吸泥處理，最后由潛水員對基底清理情況進行排摸。基底清理時重點控制基底清理的標高以及鋼管、鋼護筒等同封底混凝土接觸位置的清淤效果，同時也要對基底承載力情況進行確認，如河床土質較差，承載力不足，應考慮進行塊石拋填，以滿足封底混凝土澆筑需要。

3.4 封底混凝土施工

圍堰封底采用水下C30混凝土。混凝土采用分次澆筑，第1次澆筑1.0～1.2 m，第2次澆筑0.8～1.0 m，并保留厚0.2～0.3 m的找平層。

混凝土澆筑采用導管法水下灌注，根據基坑面積，布置2套澆筑設備（可采用布料導槽或汽車泵）。在圍堰內事先布置標高測量點及布料位置。

混凝土澆筑應從一側兩處角點向另一側順序推進，同時在另一側角點處設置吸泥泵，在澆筑混凝土的同時將推擠過來的淤泥吸出，確保封底內不夾泥。

第1次封底完成后，派潛水員對封底混凝土澆筑效果進行排摸，特別是鋼管及鋼護筒周邊位置，同時用吸泥泵清除混凝土表面的浮淤，隨后進行第2次封底（圖4）。

圖3 鎖扣鋼管打設

圖4 圍堰封底施工

3.5 圍堰抽水及止水

圍堰封底混凝土養(yǎng)護至設計強度后，進行圍堰的抽水及止水施工。

由于圍堰鋼管陰陽鎖扣之間存在間隙，特別是已經周轉使用過的材料，由于鋼管或鎖扣存在變形，更容易導致漏水的情況。

現(xiàn)場對圍堰止水及圍堰內積水控制主要采用的方法包括：

1）對于鎖扣豎向縫隙的漏水，可向鎖扣內灌砂或石屑，同時配合在外側掛土工織物（包裹在鋼筋上）進行止水。

2）對于較大的漏水點，可采用在對應位置焊接鋼板＋灌注混凝土的方式進行封堵。

3）在基底布置排水溝和集水井，在施工期間用水泵抽水，保證施工作業(yè)面不積水。

3.6 圍堰拆除

承臺及墩柱施工完成后對圍堰進行拆除，拆除按照先圍檁支撐、后拔出鎖扣鋼管樁的順序進行。

拆除前先對圍堰進行回灌，至最下道支撐位置，隨后將圍檁及支撐割除后分段拆除。最下道支撐及圍檁拆除完成后，將水回灌至第3道圍檁下口位置，隨后拆除此道圍檁及支撐。然后按照相同的方法直至完成全部圍檁及支撐的拆除。

由于鎖扣鋼管樁打設深度較深，且鎖扣之間摩阻力較大，因此鋼管拔出作業(yè)的設備（履帶吊及振動錘）應根據實際工況需要選擇，本項目鎖扣鋼管樁打設時選用90 t履帶吊＋D90振動錘，而拔鋼管選用120 t履帶吊＋P200液壓振動錘。

4 結語

本文以溫州市七都北汊橋工程為依托，從結構設計、理論計算、施工實施等方面對深水基礎鎖扣鋼圍堰的各個實施要點進行了分析。

1）鎖扣鋼管樁圍堰具有結構安全、施工快速、材料可回收等特點，同時較雙壁鋼圍堰更為經濟，適用于深水基礎的施工。

2）鎖扣鋼管樁圍堰結構的設計應從工程施工需要出發(fā)，結合周邊地質、水文、環(huán)境等各方面要素綜合考慮，其設計重點包括鋼管長度確定、支撐系統(tǒng)布置以及鎖口防滲水處理等。圍堰設計時的受力計算應考慮最不利的施工工況，總體方案確定后，對細部結構進行分析，判斷出薄弱環(huán)節(jié)，在施工中應采取針對性措施。

3）封底混凝土作為承臺基坑施工階段的承載面，也是整個圍堰系統(tǒng)底部重要的第1道支撐，基底原河床的清理及封底混凝土澆筑是深水基礎施工中最重要的環(huán)節(jié)之一。確保基底清理及封底混凝土的施工質量，可以保證圍堰結構的整體安全，避免基底滲水。

4）圍堰安裝及拆除應結合施工環(huán)境、場地等安排合理的施工順序及工序銜接。對于深水基礎，由于圍堰結構受力較大，而且拆除過程存在受力體系的轉換，因此拆除施工往往比安裝時更需謹慎，每道拆除的工序都應在確認受力體系穩(wěn)定后，方可繼續(xù)。