鎖口鋼套箱圍堰運用于深水基礎的可行性研究與探討

【摘 要】在目前深水基礎施工當中，絕大多數技術方案采用單/雙壁鋼套箱或鋼吊箱圍堰。單/雙壁鋼圍堰確實有技術成熟、可靠性高等優點，卻也有著一定的限制，圍堰浮運拼裝對河流的通航和凈高均有一定要求。本文對組合式截面圍堰-鎖口鋼套箱圍堰在深水基礎施工中應用性進行探討研究。

【關鍵詞】深水基礎；鎖口鋼套箱；組合截面；圍堰插打

1 工程概況

武漢鸚鵡洲長江大橋2#墩為懸索橋的中主塔墩，其下部結構基礎為39根φ2.8m鉆孔灌注樁，承臺截面為圓端矩形，順橋向尺寸34.0m，橫橋向尺寸70.0m，主墩布置見“圖1-1 2＃墩基礎布置圖”

墩位處覆蓋層厚16.2～19.8m，上部為①2層新近沉積松散狀粉細中砂（厚度6.7～10.0m），下部為②3層稍密～中密狀粉砂（厚度6.2～12.4 m）。

下伏基巖為二疊系下統孤峰組（P1g）生物碎屑灰巖，巖面高程-10.1～-12.8m。巖體較完整，巖質硬，強弱風化帶不發育。該巖層天然抗壓強度為54.60mpa～115.3mpa。

2 鋼圍堰結構布置

鎖口鋼套箱圍堰由鋼管主體、側板、加勁板、陰陽鎖口和止水口等部分組成，鎖口式鋼套箱圍堰與傳統鋼套箱圍堰所不同的是：現場安裝時側板的連接是通過鎖口，而不是通過螺栓連接。

鎖口鋼套箱圍堰總體布置見：圖2-1 鎖口鋼套箱圍堰平面圖。

鋼套箱圍堰單片由Φ150cm鋼管樁外側貼厚度為1cm鋼板組成，從而形成四方形，鋼管樁與外側板設加勁肋，沿鋼管樁高度方向每40cm布置一層。四方形圍堰體兩側均安裝鎖口。

鎖口式套箱圍堰設計的關鍵部位是側板的鎖口。鎖口的剛度、強度、止水功能及施工便捷程度是成功與否的關鍵。鎖口鋼套箱圍堰采用雙子母扣鎖口結構，鎖口選用Φ300mm 、Φ36mm兩種型號的無縫鋼管，子母扣結構見 圖2-2 子母扣結構平面圖；圖2-3 子母扣連接示意圖。為了便于鎖口鋼套箱圍堰的插打施工，鎖口子母扣之間間隙設置為2cm，因此鎖口的封水能力不高，設計上也未要求兩單片鎖口鋼套箱圍堰側板緊密連接。圍堰的封水依靠圖中陰影部分的封水填充區 ，采用導管法灌筑水下絮凝砂漿。施工中，通過鎖口可以對側板的垂直度、 平面位置進行調整。

為保證在施工中鎖口鋼套箱圍堰底部穩定，對圍堰底部進行加強，擬定在鎖口鋼套箱Φ150cm鋼管樁內進行鉆孔灌注樁施工，樁徑采用120cm，樁長布置為15m，其中10m樁長嵌入弱風化巖層中。

鉆孔樁間隔布置，即每隔一片鎖口鋼套箱布置一根鉆孔樁。圍堰共需78片鎖口鋼套箱，39根管樁內鉆孔樁。

3 設計計算分析

設計計算標準：

設計施工最高水位：+24.0m；

設計流速：2.0m/s；

3.1 主要計算工況的選定

鎖口鋼套箱圍堰施工的主要計算工況選擇。

3.1.1 鎖口鋼套箱插打階段，受水流沖擊力等影響，單片鎖口鋼套箱圍堰的穩定。

3.1.2 鎖口鋼套箱圍堰插打完成后，圍堰內清淤階段，圍堰內清淤降低圍堰內土壓力，形成圍堰內外較大土壓力差，檢驗此階段圍堰，特別的底部的穩定性。

3.1.3 完成圍堰插打和鋼護筒內鉆孔后，圍堰內抽水，圍堰內外最大水頭差階段，檢驗圍堰的整體穩定。

主要計算工況的劃分和設計條件見 圖3-1 3-2 3-3鎖口鋼套箱圍堰計算工況。

3.2 進行模型建立

依據計算，最大彎矩及應力出現在第二工況階段，第二工況結算計算如下：

工況二：圍堰內清土至基底后單樁穩定

進行圍堰內清理基底開挖后，管樁受到主動土壓力、動水壓力，被動土壓力還是按土彈簧模擬，

此時土層還有一層，m=12.88。在清理前先進行圍堰頂內撐施工。

模型計算如下

樁底最大支反力為F=7995 KN 參照樁底剪力對管樁內鉆孔樁進行配筋。

樁底最大彎矩為M=1943 KNm 參照此彎矩進行樁底配筋及計算入巖深度。

最大變形為21.3mm 對于臨時圍護是可以接受的變形。

最大彎矩M=1943 KNm 位置為樁底，參照此彎矩對基底嵌固樁配筋計算及入巖深度計算。

最大應力位于基底 71 MPa

3.3 圍堰抗浮力計算

鋼圍堰面積約2836平方米，按設防水位+24.0m，基底面高程-5.5m計，圍堰最大浮力為8.366萬噸。鋼圍堰自重4842t；封底混凝土14558.4m3，重3.49萬噸。

鋼護筒與封底混凝土接觸面粘結力：

2#墩樁基采用Φ300cm鋼護筒，單根鋼護筒與封底混凝土接觸面為61.26m2，2#墩共39根樁基，接觸面共2389.2m2，粘結力取值15t/m2，即全部鋼護筒與封底混凝土粘結力為3.583萬噸。

鋼管樁內鉆孔樁摩阻力：鋼管樁內采用Φ120cm直徑鉆孔樁，樁長設計為15m，嵌入巖層10m，樁基礎與巖層摩阻力取值25t/ m2，管樁內鉆孔樁產生摩阻力3.67萬噸。

鎖口鋼套箱鋼管樁內注水，注水重量為4066.2t

圍堰的抗浮力為：鋼圍堰自重0.483萬噸+封底混凝土自重3.49萬噸+封底混凝土與鋼護筒粘結力3.583萬噸+鋼管樁內鉆孔樁產生摩阻力3.67萬噸+管樁內填充水0.406萬噸=11.632萬噸。圍堰抗浮力大于圍堰排水量8.366萬噸，抗浮力系數達1.39。圍堰不會上浮。

4 施工方案

4.1 施工方案簡述

完成鉆孔樁的施工后，拆除施工作業平臺上部分輔助設置，搭設鎖口鋼套箱圍堰插打施工作業平臺，插打導向定位樁，第一道支撐的內圍囹首先布置好，內圍囹由截面為50cm×100cm的鋼箱梁構成，沿著內圍囹逐片插打鎖口鋼套箱圍堰。插打的順序先從上游至下游，在下游處合攏。

鎖口鋼套箱插打深度由進入弱風化生物碎屑巖為準，插打的位置、傾斜度均應符合設計要求。

完成全部78片鎖口鋼套箱圍堰插打后，布置完成第一道圍堰內撐，安排沖擊鉆機在鎖口鋼套箱圍堰的Φ150cm鋼管樁中進行鉆孔，鉆孔樁的深度為巖層以上5m至嵌入弱風化巖層10m，鉆孔樁有效樁長約為15m，完成鉆孔后，按照鉆孔樁的要求，下放鋼筋籠，采用垂直導管法進行水下混凝土灌注。

全部鎖口鋼套箱的鋼管樁不采用逐樁鉆孔，而是每兩片鎖口鋼套箱設置一個鉆孔樁，間隔一片，均勻布置。

5 鎖口鋼套箱圍堰初步研究結論

與常規的單/雙壁鋼套箱、鋼吊箱圍堰相比較。

優點缺點

1.避開了雙壁鋼圍堰浮運方案中圍堰浮運施工，避免了圍堰定位錨錠系統的工序；不需要大面積占用航道；不受2#墩河底防護的影響。1. 鎖口鋼套箱圍堰制作鋼材用量較大，與雙壁鋼圍堰方案的鋼材用量相當。

2.與雙壁鋼套箱圍堰整體下水浮運不同，鎖口鋼套箱圍堰為單片鎖口套箱插打，施工較為便利。2. 施工中需要進行兩次鉆孔樁施工：橋梁樁基和圍堰底部加強樁基。兩次鉆孔樁施工均要布置作業平臺，工序較多，材料用量較多。

3.可以克服和規避河床面高差對施工帶來的不利影響。3. 此施工方案尚未有過施工實例，沒有施工經驗可借鑒。

4.鎖口鋼套箱圍堰所制作的材料均為施工常用材料，完成施工后，易于周轉、回收再利用。

參考文獻：

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[2] GB50017-2003《鋼結構設計規范》

[3] JTJ215-98 《港口工程荷載規范》

[4] JTJ 213-98 《海港水文規范》

[5] 陳紹蕃《鋼結構設計原理》

[6] 華孝良 徐光輝 《橋梁結構非線性分析》