鎖扣型鋼管樁圍堰在水中深基坑中的應用

陸庚 LU Geng

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

橋梁水中承臺圍堰中常用的有三種類型：一是土袋圍堰，該類型圍堰適用于水深較淺且水流平緩的水域，優點是施工成本較低且施工工藝簡便，施工速度快；缺點是適用范圍小且對周邊環境影響較大。二是鋼板樁圍堰，該類型圍堰適用于水深小于5m，地質軟弱的水域施工，優點是施工速度較快，圍堰止水效果較好；缺點是受鋼板樁材料尺寸及受力性能所限，無法用于水深較深的區域，圍堰剛度較小，當周邊壓力較大時變形較大，存在一定的安全風險；三是雙壁鋼圍堰或鋼吊箱，該類型圍堰適用于水深較深且所需支護面積較大的情況，優點是圍堰剛度大，支護后變形較小，在深水施工中優勢明顯；缺點是圍堰安裝和拆除較為復雜，施工周期較長施工成本較高，水下作業風險較大，存在一定的安全隱患。在重慶合川至四川安岳高速公路項目渠江特大橋水中主墩承臺施工中，該主墩承臺位于水下8m 位置，承臺較大且進入河床較深，上述幾種圍堰均不適用，對此項目部通過對渠江水文地形地質的詳細勘測后，決定采用鎖扣型鋼管樁圍堰進行水中承臺的施工。該類型圍堰充分利用了鋼管樁剛度大的受力特性，大大提高了圍堰的受力性能，保證了圍堰內人員作業安全。相比于上述三種類型圍堰，鎖扣型鋼管樁圍堰兼具了鋼板樁圍堰的安拆便捷性和雙壁鋼圍堰的剛度大的優點，從而縮短了圍堰的施工周期，降低了水下作業所帶來的安全風險，同時鋼管樁圍堰變形較小，確保了圍堰內部作業環境的安全。該類型圍堰拆除后的材料還可用于橋梁支架等其他臨時工程，提高了材料的使用周轉率，降低了施工措施費用。通過現場實際應用，鎖扣型鋼管樁圍堰在水中深基坑施工中取得很好的效果。

1 工程概況

重慶合川至四川安岳高速公路（重慶段）地處成渝經濟區腹地，位于川東及渝西北地區，是川渝間一條東西走向的連接高速。渠江特大橋是該項目上一座重要橋梁，該橋起訖樁號為K07+611.96～K8+380，橋梁全長768.04m。主橋采用雙塔雙索面斜拉橋，橋跨布置為（155+350+155）m=660m。小里程側引橋采用1×30m 預應力混凝土T 梁，大里程側引橋采用2×30m 預應力混凝土T 梁。主塔最高139.5m，引橋橋墩最高約30m，設計荷載為公路－Ⅰ級；主橋橋面總寬度31.5m，總凈寬為2×11.75m。

渠江特大橋2#主墩位于水中，距岸邊約60m，墩位處水深約7.5m-8.5m。承臺頂面標高+199.332m，承臺底面標高193.332m，承臺高度6.0m，承臺平面尺寸：22.5m（線路方向）×28.5m（垂直線路方向）。

圖1 鎖扣鋼管樁圍堰立面結構示意圖

圖2 鎖扣鋼管樁之間連接示意圖

2 圍堰結構設計

鎖扣鋼管樁圍堰平面尺寸為：37m×27m，圍堰頂部標高為+206.7m，深度為13.368m。鎖扣鋼管樁圍堰由φ720mm 螺旋管、鎖口（陰口為φ180 鋼管，陽口為I20b 工字鋼）、限位器、止水袋及內支撐組成，樁間距為1.204m。鎖扣鋼管樁圍堰內設三道水平支撐，在距離圍堰頂深度2.768m、6.368m、9.868m 各設置一層支護，第一、三層內支撐順橋向安裝兩根主支撐，轉角處安裝兩道斜支撐；第二層內支撐順橋向安裝四根主支撐，轉角處安裝三道斜支撐。第一、二層圍檁采用2-HN700x300 熱軋H 型鋼，支撐材料采用φ630×12.8mm 螺旋鋼管；第三層圍檁采用3-HN700x300 熱軋H 型鋼，支撐材料采用φ820×14mm 螺旋鋼管，圍檁與支撐鋼管端頭采用厚δ20mm 鋼板焊接牢固，并采用三角形加勁板對鋼管樁端頭連接鋼板進行加強，上下兩層內支撐之間采用[20 槽鋼進行連接。支撐中心線之間距離由圍堰底部距離為2.8m、6.4m、9.9m。圍堰內水平支撐桿采用φ600×16mm 鋼管，圍檁采用雙拼HN700x300熱軋H 型鋼組合焊接而成。

3 鎖扣鋼管樁圍堰受力計算

3.1 荷載及主要計算工況[4]

3.1.1 水流力

式中Fw——水流力標準值（kN）；

V——水流設計流速（m/s），取2.95；

K——水流阻力系數，取1.3；

γ——水的重力密度（kN/m3），取10.0；

A——計算構件在與流向垂直平面上的投影面積*（m2）。

水面處流水壓力為：

3.1.2 靜水壓力

施工水位：14.464-1.496=12.968m

鋼管樁底：

3.3.2 建設能源大數據平臺。推進能源數據標準化，打通政府、企事業單位數據壁壘，探索多方參與、共建的能源大數據平臺。大力發展能源大數據服務應用，實現能源信息整合增值和商業模式創新。

抽水到第三道支撐標高位置，內側水壓力：

根據現場情況，以第三道內支撐安裝完畢，抽干圍堰內水時最不利工況，驗算鋼管樁及內支撐受力。

3.2 鋼管樁結構受力分析

對圍堰整體建立madis 模型，封底完成后，封底混凝土頂面以下25cm 處，作為鋼管樁支撐點，1.5m 以下作為嵌固端，整體模型中不考慮鎖扣的貢獻，只考慮鋼管樁、圍檁和內支撐參與受力。從而得出鋼管樁彎曲應力及圍檁剪應力。詳見圖3 和圖4。

圖3 鋼管樁彎曲應力（MPa)

圖4 圍檁組合應力（MPa）

彎曲應力σ=127.0MPa<215 MPa，滿足要求[2]

組合應力σ=203.8MPa<205 MPa，滿足要求！

4 鎖扣鋼圍堰主要施工工藝

4.1 鋼管樁圍堰施工工藝流程

插打鎖口鋼管樁圍堰→鎖口止水→圍堰內抽水及內支撐→圍堰內吸泥清底→混凝土封底施工→承臺施工→墩身施工

4.2 鋼管樁導向架定位

為了精確控制鋼管樁的打入后的平面位置，設置2 層導向框，導向框采用有足夠的剛度且帶有平面的工字鋼，導向框水平長度控制在10m 左右，為方便鋼管樁能順利插入導向框，導框寬度大于管樁直徑2cm，即每邊各放大1cm。導框樁與導框焊接牢固。

4.3 鋼管樁施工

4.4 內支撐安裝

承臺底高程為193.332m，圍堰頂標高為+206.7m,深度為13.368m，在距離圍堰頂深度2.768m、6.368m、9.868m 各設置一層支護，第一、三層內支撐順橋向安裝兩根主支撐，轉角處安裝兩道斜支撐；第二層內支撐順橋向安裝四根主支撐，轉角處安裝三道斜支撐。第一、二層圍檁采用2-HN700x300 熱軋H 型鋼，支撐材料采用φ630×12.8mm 螺旋鋼管；第三層圍檁采用3-HN700x300 熱軋H 型鋼，支撐材料采用φ820×14mm 螺旋鋼管，圍檁與支撐鋼管端頭采用厚δ20mm 鋼板焊接牢固，并采用三角形加勁板對鋼管樁端頭連接鋼板進行加強，上下兩層內支撐之間采用[20槽鋼進行連接。

邊抽水邊支撐，直至最后一道支撐完畢。支撐采用鋼管進行加固，在吊車的配合下焊接內支撐，焊接要求滿焊。同時將圍檁與鋼管樁間的縫隙用I25 工字鋼楔緊，使圍檁受力均勻。

①圍堰頂以下2.768m 處，割除支撐處鋼護筒，安裝第一道支撐；

②抽水至圍堰頂以下6.368m 處，割除支撐處鋼護筒，安裝第二道支撐；

③抽水至圍堰頂以下9.868m 處，割除支撐處鋼護筒，安裝第三道支撐。

4.5 吸泥清底

在三層內支撐加固完成后進行圍堰內的淤泥清除及基底清理，配備一套吸泥下沉設備，每套設備由吸泥管、無阻塞排污泵、啟動柜組成，吸泥管選用φ20 波紋膠管制作而成，端頭配備75KW 無阻塞排污泵，高壓水槍配合，將基底淤泥沖至排污泵處。為防止圍堰內粘土吸泥困難，施工時準備沖抓斗1 套，必要時采用沖抓設備清除圍堰內土體。

5 質量保障措施

①加工前先檢查進場材料φ720 鋼管樁、φ180 鋼管、I20b 工字鋼等原材料是否合格。在平整的場地上制作鋼管樁加工胎架，先將鋼管對接成設計長度，然后將鎖口鋼管及工字鋼與鋼管定位焊接，最后焊接加勁肋和限位肋。

②每根鋼管樁上的鎖口要對稱位于鋼管的同一直徑線上，確保鋼管樁順直、不折、不彎。鋼管樁的對接焊縫按照Ⅱ級焊縫質量標準檢查驗收[3]。

③打樁至設計高度前40cm 時，停止振動，振動錘因慣性繼續轉動一定時間，打樁至設計高度。在鎖扣鋼管插打過程中，如遇巖層堅硬難以插打至設計標高，則采用沖擊鉆引孔至設計底標高向上1m 的位置，然后再進行插打[1]。

④當鋼管樁長度不夠需要接長時，相鄰鋼管樁接頭不得在同一平面上，接頭上下位置距離不得少于2m。同一平面上的接頭數量不得超過25%。

6 結束語

相比于其他類型圍堰，鎖扣型鋼管樁圍堰兼具了其他圍堰的優點，通過采用鎖扣型鋼管樁圍堰進行水中承臺的施工，使得圍堰的安裝和拆除均比較方便，縮短了圍堰的施工周期，降低了水下作業所帶來的安全風險。同時該類型圍堰充分利用了鋼管樁剛度大的受力特性，使得圍堰剛度大變形小，大大提高了圍堰的安全性，保證了圍堰內人員作業安全。同時鎖扣鋼管樁圍堰拆除后的材料還可用于橋梁支架等其他臨時工程，提高了材料的使用周轉率，降低了施工措施費用。鎖扣鋼管樁圍堰在水中承臺深基坑施工中取得很好的效果，也為后續類似施工提供了借鑒和參考。