黃岡活力之門大橋深基坑鎖扣鋼管樁圍堰設計與施工

章志平

（中鐵九橋工程有限公司 江西九江 332004）

1 前言

通過棧橋及水上鉆孔平臺的施工，可以得知黃岡活力之門大橋5～8#深基坑原設計的鋼板樁圍堰方案將很難實施，后經技術經濟多方比較，并征得設計單位、業主單位、政府主管部門等各單位同意，將5～8#墩深基坑圍堰方案由原設計的鋼板樁圍堰改為鎖扣式鋼管樁圍堰技術，并取得了理想效果。

2 工程概況

2.1 工程概況

黃岡活力之門大橋位于黃岡城東新區，是赤壁大道跨白潭湖的一座大橋，全長601.3m，主橋采用獨塔雙索面斜拉橋，塔梁固結體系；引橋采用預應力混凝土連續箱梁，跨徑布置為：（2×31+2×30+25）m預應力連續箱梁+（150+150）m獨塔雙索面斜拉橋+（21+35+3×30）預應力連續箱梁。主塔墩（6#）承臺采用分離式承臺設計，單個承臺為矩形承臺，縱向寬23.2m，橫橋向長16.9m，承臺厚5m，承臺埋置深度7m，基坑開挖深度（常水位以下）9.8m；主橋過渡墩（5#、7#）承臺為矩形承臺，采用C30混凝土，順橋向寬7.6m，橫橋向長8.4m，承臺厚度為3.0m，承臺埋置深度8m，基坑開挖深度（島面以下）8m。引橋8#墩為矩形承臺，順橋向寬5.4m，橫橋向長8.6m，埋置深度7m，基坑開挖深度（島面以下）7m。

2.2 地質水文條件

（1）地質條件

根據地勘資料，巖土工程設計參數建議值見表1；基坑各土層主要物理力學性質見表2。

表1 巖土工程設計參數建議值

（2）橋址區地表水發育，主橋墩位于白潭湖，湖水面寬約300m，湖水深2.5～3.5m，白潭湖匯集和排泄大氣降水，湖水水位及水量大小與降水量直接相關。其中6#墩位于白潭湖中央，水深3m左右；5#、7#、8#墩位于白潭湖靠近岸邊，已人工筑島。

表2 土層主要物理力學性質

3 深基坑圍堰的比選與鎖扣式鋼管樁圍堰的選用

3.1 圍堰方案比較（以6#主墩一個圍堰為例）

表3

3.2 鎖扣鋼管樁圍堰的選用

3.2.1 雙壁鋼圍堰

由于雙壁鋼圍堰的整體性，使其具有剛度和強度大、圍堰內支撐少、止水效果及抗水流沖擊優越等特點，被廣泛用于深水基坑。但它體積龐大，需要眾多大型起吊設備。在覆蓋層中的下沉速度較慢，若在刃腳下遇土層中有障礙物，水下清除也較為困難，勢必影響工期。針對本工程而言，圍堰底部已穿透強風化并進入中風化約0.5m，雙壁鋼圍堰很難下沉到位。另外，雙壁鋼圍堰回收率低造價高。因此，該方案首先予以排除。

3.2.2 拉森鋼板樁圍堰

拉森鋼板樁是制式型材，黃岡周邊如武漢等地有出租和出售，鋼板樁插打和吊裝不需大型起吊和下沉設備，但由于其截面特性，它的慣性矩不到直徑630mm壁厚12mm鋼管的1/12，抗扭轉能力低，導致其插打深度不能進入基坑開挖底部，存在較大安全隱患；圍堰內支撐間距密集，對開挖和承臺施工干擾較大。

3.2.3 鎖扣鋼管樁圍堰

鎖扣鋼管樁加工安裝比雙壁鋼圍堰簡單的多，制作、加工、運輸、插打等工藝簡單，所需設備少，可一邊加工一邊插打，大大節約工期。雖一次性投入大，但其回收率高，可重復使用，最后回收的鋼管樁可用于主橋箱梁水中支架施工，經濟優勢明顯。由于其慣性矩可截面剛度大于拉森鋼板樁，其插打深度足可以插打入基坑開挖底邊以下超過1m，其安全性能高。

3.2.4 拉森鋼板樁與鎖扣鋼管樁圍堰打樁分析

（1）沉樁阻力

柱樁在施工過程中，其所受沉樁阻力為：

式中：Q——沉樁阻力/kN；

u——鋼管樁周長/m；

Ap——鋼管樁底面積/m2；

qsik——樁極限側阻力標準值/kPa；

qpk——樁極限端阻力標準值/kPa。

根據主塔6#墩圍堰地質條件，鋼管樁抵達設計深度，其最大沉樁阻力為：

根據日本株式會社經驗公式結合本項目土質和振動錘參數，計算動摩阻力降低系數0.58，震動下沉阻力為：992.25×0.58=575.505kN。鋼管樁施工采用一臺50t履帶吊配合DZ-90型震動打樁錘實施插打及拔除，其激振力為677kN，大于沉樁阻力575.05kN。

由于拉森鋼板樁表面積小于φ630鋼管樁，則沉樁阻力也小于鋼管樁，故插打時震動錘激振力大于沉樁阻力。

（2）穩定性分析

采用結構分析有限元軟件Midas Civil2012。對拉森鋼板樁和鋼管樁單樁施打至設計深度進行穩定性分析，其激振力為677kN。

計算分析可知：當荷載為：677kN×4.76=3222.52kN時，鋼管樁單樁即將發生屈曲，即當激振力為900kN時，鋼管樁單樁穩定性滿足要求；當荷載為：677kN×0.78=528.06kN時，拉森鋼板樁即將發生屈曲，即當激振力為900kN時，拉森鋼板樁穩定性不能滿足要求。

從上述分析可得出如下結論：

（1）采用DZ-90型震動打樁錘對φ630鋼管樁實施沉樁，其激振力大于沉樁阻力；

（2）在鋼管樁沉樁過程中結構強度和穩定性滿足要求，而拉森鋼板樁結構強度和穩定性不能滿足要求。

因此，基于地質條件和客觀因素的考慮，采用鋼管樁作為圍堰支付結構是適用的。根據之前水上棧橋、鉆孔平臺鋼管樁插打和樁基施工的實際情況分析，本工程地質水文情況已經十分明確，通過安全技術、經濟效益和工期等因素對比，在征得設計、監理、業主、造價監管和政府主管部門的同意后，確定該橋5#、6#、7#、8#墩深基坑采用鎖扣鋼管樁圍堰。

4 鎖扣鋼管樁圍堰的設計

4.1 圍堰高程

根據水文地質情況，6#主墩圍堰樁頂高程為18.9m，基坑底部高程8m，樁尖進入封底混凝土以下2.1m；5#、7#邊墩圍堰樁面高程暫定為20m，8#墩圍堰樁面高程定為19.3m，樁尖在封底混凝土下入土深度2～4m。

4.2 鋼圍堰構造及布置形式（以主橋6#墩為例）

圍堰采用φ630×12mm的螺旋管兩側分別加焊I16工字鋼及φ160×6mm無縫鋼管形成鎖扣鋼管樁單體（如圖1）。在圍堰鋼管樁內側設置三圈 2HM500×300×18（第三道為 3HM500×300×18 型）鋼圍囹，（圍囹中心標高分別在17.9m、15.5m、12.2m處，各層圍囹中間設置φ630×14螺旋管橫支撐及角撐。圍堰樁長定為13m。

結構設計見圖1，主橋圍堰平面圖2～3。

4.3 圍堰止水

圖1

圖2 主塔6#墩圍堰平面圖

圖3 主塔6#墩圍堰立面圖

封底混凝土頂面以上鋼管樁，如鎖口處滲水較大，采用止水砂漿止水。在鎖口內灌注止水砂漿，灌漿后鎖口內部均被漿體充實，板結的漿體有效地切斷了外界水系進入圍堰的路徑。

止水砂漿的配比見表4。

表4 止水砂漿配合比（kg/m3）

止水示意圖見圖4。

圖4 止水示意圖

5 圍堰計算

5.1 檢算工況

鋼管樁檢算工況為：

（1）工況1：圍堰內吸泥、抽水至14.5m，在15.5m處安裝第二道內支撐；

（2）工況2：圍堰內繼續吸泥、抽水至11.2m，在12.2m處安裝第三道內支撐；

（3）工況3：圍堰內繼續吸泥、抽水至5.9m，澆筑封底混凝土前。

5.2 結構內力計算

采用MIDAS按不同工況進行整體建模驗算，對驗算結果分析如下：

（1）工況1結構內力分析

第一道支撐安裝完成后，第一道支撐中心標高為17.9m，圍堰內吸泥、抽水至14.5m（抽水深3.4m，第二道內支撐下1.0m），此時第一道支撐受力處于最不利狀態，計算結果：鋼管樁圍堰第一道支撐反力為35.9kN，鋼管樁最大應力為20.74MPa，小于容許應力140×1.3=182MPa。鋼管樁最大變形為1.7mm，小于容許變形3400/400=8.5mm。

（2）工況2結構內力分析

第二道支撐（中心標高為15.5m）安裝完成后，圍堰內吸泥，抽水至11.2m（抽水3.3m，第三道內支撐下1.0m），此時第二道支撐受力處于最不利狀態。計算結果：鋼管樁圍堰第一道支撐反力為25.0kN，鋼管樁圍堰第二道支撐反力為58.0kN，鋼管樁最大應力為20.70MPa，小于容許應力140×1.3=182MPa。鋼管樁最大變形為2.0mm，小于容許變形2400/400=6.0mm。

（3）工況3結構內力分析

第三道支撐（中心標高為12.2m）安裝完成后，圍堰內吸泥，抽水至8.0m（抽水3.2m，封底混凝土底），此時第三道支撐受力處于最不利狀態。計算結果：鋼管樁圍堰第一道支撐反力為24.10kN，管樁圍堰第三道支撐反力為197.6kN，鋼管樁最大應力為25.07MPa，小于容許應力140×1.3=182MPa。鋼管樁最大變形為0.7mm，小于容許變形2400/400=6.0mm。

5.3 圍囹結構檢算

將圍囹及內支撐視為整體剛架結構，利用結構有限元分析軟件Midas2012進行分析。由上述計算可知，各工況下圍囹受力情況見表5。

表5 各工況下圍囹受力情況

（1）第一層圍囹結構

通過MIDAS計算，第一層圍囹結構計算結果：支撐結構最大正應力為43.67MPa，小于彎曲容許應力140×1.3=182MPa，最大剪應力為12.37MPa，小于剪切容許應力80×1.3=104MPa，即支撐結構滿足抗彎和抗剪要求。鋼圍囹最大變形為3.0mm，小于容許變形6000/400=15.0mm，即支撐結構剛度滿足要求。

（2）第二層圍囹結構

通過MIDAS計算，第二層圍囹結構計算結果：支撐結構最大正應力為67.67MPa，小于彎曲容許應力140×1.3=182MPa，最大剪應力為19.17MPa，小于剪切容許應力80×1.3=104MPa，即支撐結構滿足抗彎和抗剪要求。鋼圍囹最大變形為4.6mm，小于容許變形6000/400=15.0mm，即支撐結構剛度滿足要求。

（3）第三層圍囹結構

通過MIDAS計算，第三層圍囹結構計算結果：支撐結構最大正應力為154.73MPa，小于彎曲容許應力140×1.3=182MPa，最大剪應力為44.18MPa，小于剪切容許應力80×1.3=104MPa，即支撐結構滿足抗彎和抗剪要求。鋼圍囹最大變形為13.3mm，小于容許變形6000/400=15.0mm，即支撐結構剛度滿足要求。

5.4 對撐和斜撐結構檢算

對撐和斜撐采用φ630×14鋼管樁，各工況下斜撐和對撐受力情況見表6。

表6 各工況下斜撐和對撐受力情況

（1）對撐結構

對撐承受軸向力，最大為1838.10kN，為對撐處，采用φ630鋼管，管壁厚 t=14mm，φ=630mm，i=217.8mm，A=27093.1mm2，W=4081725mm3，最長對撐i0=18.05m。根據長細比λ=i0/i=82.87，查《鋼結構設計規范》附表得穩定系數φ=0.756。

滿足要求。

（2）斜撐結構

斜撐承受軸向力，最大為2660.30kN，為對撐處，采用φ630鋼管，管壁厚 t=14mm，φ=630mm，i=217.8mm，A=27093.1mm2，W=4081725mm3，最長斜撐i0=9.04m。根據長細比，λ=i0/i=41.51查《鋼結構設計規范》附表得穩定系數φ=0.93。

滿足要求。

通過鋼管樁圍堰結構計算分析可知，選用鋼管樁作為圍堰開挖防護結構，長13m，頂標高+18.9m，入土深度8.6m。鋼管樁采用φ630×12mm的螺旋管，其在圍堰抽水開挖施工過程中抗彎強度滿足要求。在圍堰內側第一、第二道支撐設置一圈2HM500×300×18型鋼圍囹，第三道支撐設置一圈3HM500×300×18型鋼圍囹。每層支撐鋼圍囹各工況下抗彎和抗剪強度均能滿足要求，對撐和斜撐采用φ630鋼管，壁厚14mm，各工況下強度均能滿足要求。

通過鋼管樁圍堰結構計算分析可知：在本地質和水位條件下，鋼管樁圍堰的強度、剛度及穩定性均滿足規范要求。

6 圍堰施工

6.1 鎖口鋼管樁圍堰加工

鋼管樁在工地預制場地加工，整體加工完畢后運至施工現場。6#墩鎖口鋼管樁圍堰平面內尺寸27.85m×21.75m，鋼管樁頂標高為18.9m（高出施工水位1m以上），打入標高5.9m以下，鋼管樁長13m，采用φ630mm×12mm鋼管樁，由于樁徑較大，根據施工經驗，樁徑≥45cm時，樁尖不封閉有利樁下沉，故樁尖不采取樁靴封閉加強，而采取樁尖補強圈補強，即在樁尖鋼管50cm處外側焊接10mm厚鋼板補強圈。

6.2 鎖口鋼管樁插打與合龍

鋼管樁插打采用50噸履帶吊機配合DZ90振動錘插打。先逐根插打至穩定深度，然后依次施打至設計深度。為避免鋼管樁傾斜，插打時采用定位導向架。即先施工角樁，對角樁采取加固措施，使其成為定位樁，兩根定位樁之間設置定位導向框。

（1）吊 樁

吊機的主鉤吊住鎖口鋼管樁上口、副鉤吊住下口同時提升使鋼管樁懸空，然后主鉤繼續提升直至鋼管樁垂直，最后松脫副鉤。

（2）插 打

①吊機吊運鋼管樁至沉樁位置，使其鎖口與已沉入鋼管樁的鎖口陰陽咬合，并從定位架中緩慢下放，直至進入河床不沉、自穩為止。

②取下樁頭千斤繩，用吊機主鉤吊振動錘到樁頭，用錘夾夾緊樁壁；啟動振動錘沉樁，直至設計深度停止。下沉過程中要同步松放吊機的起重繩，控制錘身與樁身保持垂直狀態。

③鎖口鋼管樁不能打入到設計深度，可采用樁內射水或吸泥方法輔助下沉。

（3）糾 偏

①第一根鋼管樁沉入后的垂直度影響到整個圍堰其它鋼管樁的垂直度，其打入時要緩慢些，打入到設計深度一半時暫停沉樁，檢查樁身的垂直度是否在0.5%L以內，如滿足要求則繼續開啟振動錘沉樁；否則拔出重打。

②其它的鋼管樁在定位架和鎖口的共同作用下，一般不會產生較大偏差，只需每插打15～20根作一次檢查，保證樁身的垂直度在1%L以內即可。

6.3 內支撐施工

（1）在標高17.9m處設置第一道圍囹并支撐（水面標高之上）。

（2）圍堰內通過潛水員攜帶高壓水槍沖起湖床淤泥層，并通過泥漿泵吸泥外排，運至適當地方沉淀排放。當抽水至14.5m，在15.5m處安裝第二圍囹。

（3）吸泥挖土抽水至11.2m，在12.2m處安裝第三道內圍囹。

（4）繼續挖土至9m，在10m處安裝第四道圍囹（臨時圍囹，封底后拆除）。

（5）在除土深度達到設定標高后，按如下施工順序安裝、焊接支撐系統。

①定位、焊接圍囹牛腿。

②安裝、焊接圍囹。圍囹與牛腿接觸處采用貼腳焊縫焊接；與鎖口鋼管樁相切面之間的間隙采用鋼板或型鋼塞焊。

③安裝、焊接順橋向撐桿。按標高先焊接豎向撐桿的牛腿，然后按撐桿軸線定位、焊接牛腿上的弧形鋼板，再吊裝、焊接順橋向撐桿。撐桿與圍囹相接處采用環焊，與弧形鋼板相接處采用雙面貼腳焊縫焊接。

④安裝、焊接橫橋向撐桿。橫橋向撐桿采用短桿與順橋向撐桿十字連接，其分段長度依據實際尺寸而定。撐桿安裝時，采用全站儀和經緯儀按理論坐標定位、定線，確保撐桿在同一軸線上，以避免偏心受壓。在與順橋向撐桿交叉處，采用環焊；與圍囹相接處，采用環焊。

⑤角撐和加勁撐：按實際尺寸定尺加工，然后吊裝、焊接。與撐桿和圍囹相接處均采用環焊。

⑥在圍堰承臺封底時，按設計位置預埋豎向桁架底腳鋼板。在混凝土達到設定強度后，焊接豎向連接桁架。桁架與第一層撐桿焊接牢靠，然后拆除第二層撐桿系統，施工承臺。

6.4 基坑出土

圍堰內除土厚度約8.6m（+16.5～+7.9m），方量約4353m3，土質主要為淤泥質粘土、殘積土、強風化泥質粉砂巖及少量中風化泥質粉砂巖。主要除土工具是挖掘機、泥漿泵和高壓射水設備等。

（1）泥漿泵吸泥

圍堰基坑上部淤泥質粘土層與粉質粘土層擬采用高壓水槍結合泥漿泵除泥并配合長臂挖掘機挖除，運輸車運土至指定地點棄土。

（2）坑內挖土

挖至強風化泥質粉砂巖后，抽除圍堰內的水，并依此設置安裝第一、二、三層圍囹與臨時支撐系統，抽水同時及時對圍堰漏水處進行封堵，對于漏水較大的情況采取集水外排的方法。確認基坑穩定安全后用50T履帶吊將小挖機吊入基坑內作業挖土。

（3）挖土順序：由中間到兩邊同步對稱開挖，先開挖承臺中心區域，形成鍋底形，然后逐漸向四周開挖到位。在接近封底底標高+8m（10cm碎石墊層）時，人工找平。

（4）開挖到位后，及時設置碎石盲溝，集水井，鋪碎石墊層。認真清理鋼管樁管壁、鎖口以及鋼護筒表面的泥土，以保證管壁與封底混凝土的粘結力。

設備配備及設備性能要求：

1m3長臂挖機2臺，0.15m3小挖機4臺，后八輪自卸車10臺，長臂挖機主要在第一階段淤泥質粘土段配合高壓水槍使用（開挖深度≤3.5m），0.15m3小挖機主要在第二節至基坑底使用。配備10套沖泥水槍，每套水槍由一臺高壓水泵供水，其流量為50m3/h，水槍出口壓力為0.6MPa。

6.5 圍堰排水

（1）圍堰施工排水內容：

本圍堰工程排水包括：圍堰初期排水、圍堰經常性排水、圍堰維護排水。

①圍堰初期排水

圍堰隨著圍囹安裝進度，進行抽排水作業，圍堰抽水采用30m3/h潛水泵10臺。在抽排水過程中對圍堰變形等參數進行實時監控，同時根據滲水情況及時調整抽排能力，發現問題及時采取減慢抽水速度等措施，做好維護工作，確保安全。

②經常排水

經常性排水包括圍堰滲水、雨水、地下滲水、混凝土養護等施工廢水。

通過在基坑四周挖排水邊溝然后匯入集水井，所有廢水排放必須先行排入集水井，經充分沉淀后方可以將水排出。

（2）基坑預防突降暴雨措施

為防止陡降暴雨，確保基坑排水，除配備正常的水泵外，另外配備一臺發電機，防止暴雨中停電事故的發生。

（3）基坑排水系統維護

根據地質資料和以往工程的施工經驗，在施工過程中，排水溝和集水井要經常檢查疏通，排水設備要經常保養維護，并有一定的備用水泵，防止意外情況發生。基坑維護安排專人負責，對排水溝等意外情況，及時處理。

6.6 封底混凝土施工

由于巖層屬于粉砂巖，存在涌水的可能，因此須進行封底，封底厚1m，采用高流動性C20混凝土。一個承臺封底面積為503.49m2，溜槽干灌法封底。

6.7 變形監測

（1）位移監測：在土方開挖前，做好樁頂位移A點標記，準確測量三維坐標。在第一層土方開挖（抽水）時，每天觀測一次，觀測時間要定時。為減少施工因素對觀測成果的影響，定為早上7：00點；在第二層土方開挖時，每天觀測兩次，上午6：00點和下午18：00觀測；在第三層土方開挖時，根據需要，增加觀測頻率；在封底之前和封底之后三天；第三層支撐拆除前和拆除后。準確記錄數據觀測數據，并計算與首次觀測值的差值。

（2）應力監測：按設計圖布置檢測儀器。第一層應力監測頻率：第二層、第三層土方開挖過程中，與位移監測同步；在封底之前和封底之后三天與位移監測同步；第三層支撐拆除前和拆除后，與位移監測同步。第二層應力監測：在第三層土方開挖過程中與第一層應力監測同步；在封底之前和封底之后三天與第一、二層應力監測同步。

監測結果顯示：圍堰位移、變形及應力均在規范允許范圍之內，并低于方案設計計算值。

7 結束語

黃岡活力之門大橋5～8#墩深基坑工程，從設計到施工，解決了一系列的經濟技術問題，最終的鎖扣鋼管樁圍堰技術取得了良好的社會效應及經濟效益。鎖扣鋼管樁圍堰施工采用可重復周轉利用的鋼管、型鋼，施工成本大大降低。鋼管樁自身有較強的剛度，因此圍堰結構設計簡便，受力明確，便于進行受力分析和施工管理。施工工序明了，有利于施工質量和安全控制。由于材料均可回收重復利用，提高了材料的周轉率，且對環境污染少，符合國家節能降耗與環保要求，值得推廣應用。

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