鋼管樁圍堰的設計與實踐

任八鋒

(中鐵十八局軌道交通公司，廣西南寧530000)

1 工程概況

仙葫大橋主橋11#、12#墩處在邕江主航道上，其河床平均高程分別為53.5 m、52.0 m，覆蓋層厚度0.6～0.9 m。樁基采用直徑2.2 m鉆孔灌注樁。承臺左右幅分開，單幅尺寸為13.2 m×9.6 m×3.5 m，臺頂高程為60.5 m。承臺施工采用本項目部設計的鋼管樁圍堰。施工時間為邕江枯水期。施工設計水面高程為61.6 m左右，水深8.1～9.6 m。

2 圍堰整體設計方案

仙葫大橋主橋基礎處于深水中，為保證承臺和橋墩施工安全，項目部為其專門設計了以鋼管樁為骨架，以貝雷梁和鋼管、回填片石和沙袋來實現內支撐，以模板隔水、防水雨布閉水的“鋼管樁圍堰”。“鋼管樁圍堰”外型尺寸為31.3 m×13.9 m，圍堰頂標高為63.00 m。

2.1 鋼管樁設計

鋼管樁是圍堰的骨架。鋼管樁采用兩種管徑，圍堰的迎水面采用80鋼管，樁與樁中心間距1.3 m;其余三邊采用50鋼管，樁與樁中心間距為1.0 m(圖1)。

圖1 鋼管樁平面示意圖

2.2 圍堰內撐設計

內撐是加強圍堰抗拒江水側壓力，保證圍堰安全的重要技術措施。圍堰上部內撐采用雙層支撐，高程分別在61.7 m和63.2m。材料采用貝雷梁、80鋼管、36#工字鋼、36#槽鋼。圍堰下部內支撐，主要是回填沙袋和片石來實現。

施工順序如下。

2.2.1 第二層圍檁及內撐

在61.7 m高程處，沿圍堰內緣用36#工字鋼焊接第二層圍檁，然后沿橋縱向安裝6道貝雷梁作支撐。貝雷梁由貝雷片拼裝成1.5 m×0.9 m的箱形截面，并安放加強弦桿，安裝在兩層圍檁之間，即貝雷梁底部與第二層圍檁、頂部與第一層圍檁連接成為整體，起內支撐作用。同時，分別在左右幅承臺中間位置上方、高程61.7 m處，各設2道支撐，支撐與貝雷梁底平行，用80鋼管與第二層圍檁焊接成一體(圖2)。

安裝貝雷梁，要避開墩身位置，避免影響墩身預埋件的安裝。

圖2 鋼圍堰內支撐平面圖

2.2.2 第一層圍檁及支撐

在高程63.2 m處，沿圍堰內緣用36#槽鋼焊接第一層圍檁。分別在左右幅承臺中間位置上方，高程63.2 m處，各設一道支撐，支撐與貝雷梁頂平行，用80鋼管與第一層圍檁焊接成一體。

2.2.3 圍堰回填

回填的作用，一是起到對圍堰下部的內支撐，二是為承臺施工創建工作平臺。

圍堰上部兩層圍檁及內支撐安裝完成，使圍堰上口得到加固穩定后，對圍堰內進行回填。回填材料主要是片石和沙袋。

2.3 圍堰封水設計

封水是保證圍堰內有一個良好的工作環境而采用的一項技術措施。它是整個圍堰設計的控制性工序，若這道工序效果不理想則整個圍堰設計完全失敗。使用的主材是隔水擋板、防水雨布和沙袋。

2.3.1 安裝圍堰隔水擋板

隔水擋板根據工地的實際情況可采用鋼模板或竹膠板拼裝。拼裝尺寸為9 500 mm×1 500 mm。安裝在鋼管樁外側，起阻水作用。

2.3.2 鋪設防水雨布

隔水擋板安裝完成，圍堰內水下填筑高程達到56.6 m時，進行防水雨布鋪設。防水雨布分3層鋪設，安裝在圍堰隔水擋板外側，上端掛在圍堰頂部，下端鋪設在河床上用沙袋壓實，防止漏水。

為節省工程成本，根據現場的實際情況防水雨布采用塑料彩條布加工。上部加工成桶狀，緊貼隔水擋板安裝;下部加工成敞口便于覆蓋防滲水溝。

2.4 圍堰內抽水

封水完成后開始抽水，并對圍堰進一步加固。抽水采用7臺7.5 kW抽水機。抽水見底后，3臺工作，4臺備用。

2.5 圍堰封底

封底是圍堰安裝施工的最后工序。在標高57.5 m處，即承臺底部以下澆筑30 cm鋼筋混凝土，它的作用一是壓實回填物，加強內支撐和閉水，二是承臺施工的墊層。

2.6 圍堰安全驗算

2.6.1 力學模型的建立

2.6.2 最不利工況

當圍堰內抽水至56.7 m高程時，圍堰內外水面高差為4.9 m，此時鋼管樁懸臂部分受力最大，為最不利工況。

2.6.3 受力計算

圍堰所受的荷載主要是靜水壓力、動水壓力(迎水面)、被動土壓力。計算公式如下:

2.6.3.1 靜水壓力

式中:γ0為水密度(kN/m3);h為堰外水面至計算點的深度(m);B為計算寬度(取鋼管中距)(m)。

2.6.3.2 動水壓力

對于煤炭資源的開發利用以及環境保護方面，我國都有相應的明確規定。包括以下幾個方面：第一、堅持一致性，即煤炭資源的開發利用要與環境保護的一致性，也就是說，煤炭開采的相關工作人員既要承擔相應的開采的責任同時也要承擔在開采過程中對生態環境造成損失的賠償；第二：預防與解決問題為主，即在煤炭資源的開采過程中，一定要以預防以及開采過程中對于環境的破壞為主；第三：加強環保措施，即在開采過程中一定要有行之有效的環境保護制度，通過制度來確保環境保護，大幅度降低開采過程中的生態環境污染。

作用在水面以下1/3水深處:式中:γ0為水密度(kN/m3);H為堰外水深(m);B為計算寬度(取鋼管中距)(m);V為水流速度(m/s);g為重力加速度，g=9.81(m/s2);K為系數，取K=2.0。

2.6.3.3 被動土壓力

式中:γ1為片石浮密度，取γ1=16(kN/m3);z為拋填片石頂面至計算點的深度(m);φ為拋填片石內摩擦角，取φ=40°;B為計算寬度(取鋼管中距)(m)。

2.6.4 兩側鋼管樁受力驗算

鋼管樁兩側的受力，考慮圍堰內外靜水壓力和堰內片石產生的被動土壓力，其受力如圖3所示。

圖3 兩側鋼管樁受力簡圖

采用等值梁法確定反彎點深度h:(AB段按5 m考慮)

解得h=0.7 m

彎矩圖見圖4。

圖4 鋼管彎矩圖

3 各工序施工方法及注意事項

3.1 打設鋼管樁

鋼管樁的位置，可利用鉆孔樁施工平臺準確定。鋼管樁定位后用震動錘打入河床。打設鋼管樁，采用先角點、后四周的順序施工。在鋼管樁圍堰未成型之前，利用原樁基施工固定平臺的鋼管樁作為輔助樁，并用槽鋼將其焊接，確保已打設的鋼管樁整體穩定。圍堰鋼管樁打設完成后，為加強鋼管樁的穩定性，在鋼管樁底部安裝一道對拉桿螺栓，拉桿橫檔采用36#槽鋼，一端置于鋼管樁外側，另一端置于已澆筑完畢的樁基上，槽鋼放置前先在開口處焊接鋼板使之構成箱型截面。拉桿采用28圓鋼制成。

施工過程由潛水員在水下配合進行。

3.2 圍堰內支撐及加固

鋼管樁圍堰的內支撐，要由上而下進行。待圍堰上口穩定后，再進行圍堰下部內支撐。

3.2.1 加固圍堰上部

圍堰的上部支撐主要由圍檁、貝雷梁和鋼管來實現。因此，在圍檁和貝雷梁安裝施工過程中，要重點加固以下部位:

(1)在第二層圍檁施工過程中，在61.7 m高程處(貝雷梁底面)焊接牛腿，用于安裝、固定貝雷梁。

(2)在圍檁安裝施工完成后，采用高強螺栓和焊接方式，將貝雷梁和第一、第二層圍檁連接，使之成為整體。

(3)用槽鋼將貝雷梁底部和頂部分別與第二、第一層圍檁焊接成三角，增加其穩定性。

(4)在圍堰四個角用槽鋼將圍檁連接成三角，增加圍堰的穩定性。

3.2.2 堰內回填

在鋼管樁圍堰上部內支撐加固完成后，進行圍堰下部內支撐。內支撐主要以回填片石和沙袋來實現。

為避免回填體對已打設的鋼管樁造成過大的側壓力，回填前在打設的鋼管樁與已澆筑的樁基之間用鋼管做成自穩的敞口箱子，并用井字架固定于已澆筑好的樁基上，架子在船上拼裝好，用吊車安放到位。放置架子前讓潛水員用砂袋把河底找平，保證架子平穩。架子安放完成后，潛水員在架子范圍內用沙袋碼砌至高程56.6 m，中間采用拋填片石到設計高程(見圖5)。

圖5 閉水施工示意

3.3 安裝隔水擋板

在堰內進行回填的同時，可進行圍堰外側隔水擋板安裝。隔水擋板在碼頭拼裝完成后運至圍堰，用吊車安放。安放模板前，用15#槽鋼加工制作導向架，使模板從兩片槽鋼中間插入，保證模板安裝到位。安裝模板的順序是先兩側、再上游、后下游。

3.4 閉水

隔水擋板安裝完成后，在堰內回填至標高56.6 m時，進行防水雨布施工。

(1)在鋪設防水雨布前，用抓砂船在圍堰四周外側2 m內的河床上挖一條防滲水溝，以增強閉水效果。

(2)在隔水擋板外側鋪設三層防水雨布將圍堰封閉起來，形成桶狀，達到閉水目的。鋪設防水雨布從標高63 m開始由上而下垂直進行，鋪設到鋼管樁根部時轉向水平方向將防滲水溝全部覆蓋，并在鋼管樁根部至防滲水溝外沿堆碼沙袋，將防水雨布壓嚴實，防止滲水(圖5)。

閉水施工過程由潛水員配合進行。

3.5 抽水

閉水完成后進行抽水施工。抽水前，在鋼管樁內灌滿沙，增加鋼管的抗壓能力，防止鋼管樁變形扭曲。抽水至高程59.0 m時，用36#槽鋼對圍堰進行臨時支撐加固。抽水至高程56.7 m處，再用36#槽鋼進行加固。加固后，拆除臨時支撐。

抽水過程中，要控制抽水速度，注意觀測圍堰變化情況，對薄弱點及時進行加固處理，對漏水較大的地方，在圍堰內進行封堵，在防水雨布外側拋填沙袋堵壓，防止空隙隨著水壓增加而增大。

3.6 基礎處理

抽水見底后，割除樁基鋼護筒，鑿除樁頭，清理基底。在堰內回填雜砂石至高程56.8 m。堰內四周設排水溝，圍堰上游內側設置集水井，堰內抽水由專人值守。

樁基檢測合格后進行墊層施工。

3.7 圍堰拆除

承臺施工和墩身第一節施工完成，并搭設好墩身施工平臺后，拆除圍堰。先用抓砂船清理圍堰外側回填物，同時對圍堰內支撐進行拆除。待圍堰內支撐拆除、鋼管樁與鋼模板之間的焊接解除后，用振動錘配合吊車拆除模板和鋼管樁。

圍堰拆除施工由潛水員輔助施工。

4 鋼管樁圍堰施工的效益

鋼管樁圍堰在仙湖大橋11#、12#墩承臺及墩柱施工過程中起到了比較好的經濟效益，不但節省了工期(比預計工期提前15 d完成施工任務)，而且施工圍堰的很多材料基本都是廢物利用或者是就地取材，如使用掛籃廢棄的貝雷梁，隔水板是已經使用過的木模板等等，因此整個鋼管樁圍堰施工、維護、拆除的費用很低，總費用大概80萬元左右。更重要的是我們積累了寶貴的經驗，仙湖大橋的鋼管樁圍堰施工經驗也在南寧市葫蘆頂大橋及其橋梁工程的深水圍堰施工過程中得到廣泛應用。