厚砂層水中承臺鎖扣鋼管樁圍堰施工技術

閆古龍

(中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710038)

1 前言

隨著城市軌道交通的發展，跨水域公軌兩用橋的修建越來越多，公軌兩用橋水中分離式基礎具有樁基數量多、承臺尺寸大的特點，對水中施工平臺、水中基礎圍堰提出更高的要求。目前水中低樁承臺普遍采用套箱圍堰、雙臂鋼圍堰、沉井、鋼板樁或鋼管樁圍堰等方法施工[1-2]，幾種施工方法各有優缺點，相同之處都是為水中基礎施工提供一個穩定的干作業環境。近年來鎖扣鋼管樁圍堰由于剛度大、止水效果相對較好、可回收利用等特點，應用得越來越廣泛。李偉針對深水裸巖大體積承臺在施工鋼管樁圍堰后下挖影響圍堰穩定性和密閉性的問題，提出了基坑預封底反向開挖施工技術[3]。王衛宏等針對斜巖面河床鋼管樁插打困難問題，采用先樁后堰、鋼管樁引孔入巖無封底的施工方法避免了水下爆破、大體積混凝土封底等高風險作業[4]。高明慧針對河床卵石、砂巖覆蓋層鋼管樁插打困難問題，提出了旋挖鉆機全護筒跟進引孔，底部回填碎石黃土，鋼管樁插打后進行底部注漿解決止水的施工技術[5]。對于鋼管樁圍堰施工技術，大多是解決河床基巖裸露、覆蓋層較淺所引起的鋼管樁插打困難等問題[6-9]，而在厚砂層鎖扣鋼管樁的施工應用研究很少，在厚砂層河道中施工鋼管樁圍堰，由于砂層的透水飽和性，對鋼管樁的剛度和止水要求提高，在鋼管樁插打過程中由于砂層的擠密和管樁的土塞效應[10-12]，鎖扣鋼管樁同樣面臨插打困難的問題。本文結合西安地鐵十號線跨渭河大橋主橋W06＃墩圍堰為工程實例，根據不同施工工況鋼管樁圍堰受力分析，對圈梁針對性設計，在承臺施工完成后設置混凝土圈梁替換底層圈梁的方式保持鋼管樁剛度穩定性。并在基坑開挖過程中視基底滲水情況，制定干挖和調整內外水頭差水下吸泥封底兩種施工方案，解決厚砂層基底滲水的問題。提出在厚砂層地質中采用高頻液壓振動錘插打鋼管樁，解決厚砂層中鋼管樁插打困難的問題。

2 工程概況及施工重難點

2.1 工程概況

西安地鐵十號線跨渭河大橋位于西安市高陵區，上部結構采用軌道交通與市政橋梁合建方案，上層為快速路采用雙向六車道，下層為軌道交通與輔路(雙向四車道機動車道、非機動車道、人行道)共面布置，主橋采用加勁連續鋼桁梁，總長1 412 m，W06＃墩 ～W08＃墩位于渭河河道內，河道常水位＋361.0 m，常水位水深6.1 m，承臺墩身施工期間度汛水位＋363.3 m，圍堰在枯水期施工，圍堰設計水位＋358.0 m，其中以靠近河道岸邊W06＃墩承臺埋深最深，基坑開挖深度16.0 m。分離式基礎采用鉆孔灌注樁＋承臺基礎，樁基設計為直徑φ2 m的摩擦樁，樁長75 m，承臺尺寸為18.2 m×18.2 m×4.5 m，承臺頂位于河床面以下5.4 m。

墩位處河床為砂性河床，樁長范圍內由上到下分布為黃土、細砂、粉質黏土、中砂、粗砂，屬于厚砂層地質，W06＃墩下部結構如圖1所示。

圖1 W06＃墩下部結構(單位:cm)

2.2 施工重難點

(1)針對厚砂層水中基礎施工圍堰方案選擇，要統籌考慮圍堰插打難易程度以及透水性飽和砂層中圍堰的剛度滿足要求。

(2)上部結構采用連續鋼桁梁，采用頂推施工，要充分考慮工期因素，水中基礎要保證在枯水期快速施工。

(3)選用鎖扣鋼管樁圍堰要充分吸取在厚砂層河床條件棧橋及鋼平臺螺旋鋼管插困難經驗，確保鋼管樁插打順利。

3 鎖扣鋼管樁圍堰設計

3.1 W06＃墩鋼管樁圍堰構造及布置

圍堰采用φ820×14 mm鋼管樁，長度32 m，兩側分別焊接 14型鋼及φ159×8 mm鋼管，共采用四道圈梁支撐，第一道圈梁圍檁采用2HN600×200型鋼，角撐采用φ609×16 mm鋼管，第二道圍檁和第四道圍檁采用3HN700×300型鋼，角撐采用φ800×16 mm鋼管，第三道圍檁采用2HN700×300型鋼，角撐采用φ800×16 mm鋼管，W06＃墩鎖扣鋼管樁圍堰布置如圖2所示。

圖2 W06＃墩鋼管樁圍堰布置(單位:m)

3.2 鋼管樁圍堰檢算

采用有限元軟件建立鋼管樁圍堰受力模型，其中鋼管樁采用梁單元模擬，基坑內土彈簧、封底混凝土約束、各道圈梁約束均采用只受壓節點彈性支撐模擬，土壓力、初始土反力及水壓力換算后均以梁單元荷載的形式加載到鋼管樁上，根據地勘資料，中砂層土水平抗力系數m取10 MN/m4。如圖3所示。

圖3 彈性支點法計算鋼管樁

根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)規定，地下水位以下的砂土應采用土壓力、水壓力分算方法:

式中，Pak、Ppk分別為支護結構外側第i層土計算點的主動土壓力和支護結構內側第i層土計算點的被動土壓力；σak、σpk分別為支護結構外側、內側計算點的土中豎向應力；Ka，i、Kp，i分別為第i層土的主動土壓力系數、被動土壓力系數；ci為第i層土粘聚力；ua、up分別為支護結構外側、內側計算點的水壓力。

圍堰施工根據現場實際透水情況分為回水并封底和干挖兩種方案，主要施工階段如下:

階段一:圍堰內開挖至＋357.0 m，干環境下安裝第二道圈梁。

階段二:圍堰內繼續開挖4 m至＋353.0 m，干環境下安裝第三道圈梁。

階段三:圍堰內繼續開挖3.5 m至＋349.5 m，干環境下安裝第四道圈梁。

階段四:若圍堰內基底未發生嚴重滲水現象，則繼續將圍堰開挖至＋344.4 m，施工0.5 m厚墊層混凝土；若基底發生嚴重滲水，則停止干挖，將基坑內回水至內外水頭齊平，水下吸泥至封底混凝土底高程＋342.4 m，水下施工2.5 m厚封底混凝土，將圍堰內水抽干。

階段五:施工承臺及混凝土圈梁，拆除第四道圈梁；汛期水位上漲超過＋358.0 m時，將圍堰鋼管接高6 m至＋364.5 m，并安裝第一道圈梁。

階段六:施工墩柱，圍堰內回水，拆除第三道圈梁。

階段七:圍堰內回水，拆除第二道圈梁。

經計算分析比較，干挖方案下圍堰鋼管樁及圈梁支撐受力較大。對干挖方案各階段進行詳細計算，鋼管樁嵌固段的被動土壓力及嵌固深度滿足要求，基坑抗隆起穩定性、基坑滲透穩定性滿足要求，階段七鋼管樁最大彎曲應力165 MPa強度滿足要求，最大變形31.2 mm，剛度滿足要求。圈梁最大應力158 MPa，角撐最大應力100 MPa，最大變形1.0 mm，滿足要求，如圖4～圖6所示。

圖4 鋼管樁應力

圖5 鋼管樁變形

圖6 圈梁應力

4 厚砂層水中基礎施工

水中基礎總體采用“先樁后堰”法，先在渭河主河道打設好鋼棧橋平臺，作為施工運輸通道和水中樁基施工平臺，在鋼棧橋和鋼平臺搭設過程中，收集振沉螺旋鋼管的施工參數，為厚砂層鎖扣鋼管樁施工提供依據。

(1)鋼棧橋、鋼平臺搭設

棧橋及平臺搭設采用常規鋼管貝雷梁形式，由于處于厚砂性河床，采用普通90型振動錘插打螺旋鋼管時鋼管樁入土深度不足15 m，與設計計算入土深度23 m相差較大，最終采用ICE高頻液壓振動錘進行振沉，以螺旋鋼管入土深度和貫入度綜合確定停錘標準。

(2)樁基施工

厚砂層長樁基為保證成樁質量，采用反循環鉆機施工，反循環鉆機具有泥漿循環快、成孔速率高等特點，特別適用于厚砂層地質條件下樁基施工。

(3)鎖扣鋼管樁施工

鎖扣鋼管樁、圈梁構件加工完成后，在現場進行接長、焊接安裝，在鋼管樁振沉前，先在樁基鋼護筒焊接牛腿，牛腿上擱置并臨時固定第二道圈梁圍檁作為臨時導向架，確保鎖扣鋼管樁振沉位置準確，導向架布置如圖7所示。

圖7 鎖扣鋼管樁導向架布置

鎖扣鋼管樁施工采用ICE高頻液壓振動錘進行振沉，通過調節振動頻率，在15～40 Hz范圍進行試樁，最終確定采用25 Hz的振動頻率進行鎖扣鋼管樁振沉。低于15 Hz的振動頻率，振動擾動頻率接近砂土層固有頻率，砂層容易出現諧振液化現象；高于25 Hz的振動頻率，振動錘與鋼管樁接觸時間減少，擊振能量弱化導致鋼管樁振沉速度減小，振沉時間增加。

(4)鎖扣鋼管樁止水處理

鎖扣止水是鎖扣鋼管樁圍堰防水的關鍵工序，采用鎖扣內填料方式進行鎖扣止水，鎖扣內穿入長條型棉質布袋至河床面，利用注漿泵將布袋內壓灌砂漿進行止水。

(5)圍堰內挖土、支護與封底

圍堰內挖土采用長臂挖機和絞吸泵進行水下挖土和吸砂土作業，開挖至圈梁設計標高后，采用100 t履帶吊進行圈梁單構件的吊裝作業，吊放至設計標高后，安裝圈梁角撐。開挖到基底標高進行封底，封底混凝土采用C25混凝土，采用水下導管灌注方式成型。

(6)承臺及混凝土圈梁施工

封底混凝土強度達到設計要求后，進行圍堰內抽水，在樁頭處理完成后進行承臺施工，承臺高度4.5 m，承臺施工完成后砂土回填承臺邊緣與圍堰間隙空間至承臺頂以下0.6 m，澆筑剩余0.6 m混凝土圈梁，待混凝土圈梁強度達到設計強度后，拆除第四道圈梁，完成混凝土圈梁與內支撐的轉換。

5 注意事項

(1)在厚砂層河道中施工鋼管樁圍堰，在鋼管樁圍堰設計中必須考慮砂層的透水飽和性，水土分算條件下，鋼管樁受力顯著增大，必須確保鋼管樁和圈梁的剛度滿足要求。

(2)厚砂層地質條件下鎖扣鋼管樁的振沉，必須考慮砂土擠密和樁端土塞效應引起的振沉困難問題。

(3)必須嚴格按照圍堰設計的各施工階段組織施工，尤其是基坑開挖過程中圈梁要及時安裝，承臺施工完成后及時施作混凝土圈梁，才可拆除底層圈梁，確保圍堰整體安全穩定。

6 結語

本文以西安地鐵十號線跨渭河大橋主橋為例，介紹了在厚砂層河床地質條件下水中承臺鎖扣鋼管樁圍堰施工技術。針對透水性飽和砂層地質對鋼管樁的剛度要求，嚴格進行施工階段檢算，合理選擇鋼管樁型號，對內支撐圈梁進行單獨設計。在厚砂層河床中采用高頻液壓振動錘在25 Hz振動頻率下進行振沉，取得了良好的沉樁效果，成功解決了厚砂層河床中鋼管樁振沉困難的問題；采用向鎖扣內穿入棉質布袋后壓灌砂漿進行止水，取得良好的止水效果；承臺施工完成后施作混凝土圈梁，以滿足底層內支撐圈梁拆除后鋼管樁圍堰安全穩定，可為類似工程提供借鑒。