鎖口鋼管樁深水圍堰工程施工技術探析

吳海軍

(漳州市通順交通建設有限公司 福建漳州 363000)

1 工程概況

馬洲大橋中墩N1、S1墩采用矩形圓端承臺，分為東西兩幅，中墩4個承臺基礎均采用13根直徑2.0m的鉆孔樁，承臺底高程-3.37m，頂高程為+2.13m，承臺平面尺寸23.2m×13.2m，厚5.5m，承臺設計為C30混凝土，承臺施工采用鎖口鋼管樁圍堰施工。九龍江常水位標高+3.200m，洪水位標高+5.500m，水位易受西溪橋閘徑流作用和潮流影響。

根據地勘報告和前期棧橋施工經驗，馬洲大橋中墩N1墩位處覆蓋層厚度約22.5m，其中細砂～中砂層厚度約19m，墩位處河床標高為-2.7m～-3.4m。

N1、S1墩圍堰平面凈尺寸為27092(長)×16800(寬)mm，高18m，考慮在水位較高時插打鋼管樁，圍堰頂標高設置為+6m，高出最高水位0.5m，圍堰底標高設置為-12m，吸泥清基后圍堰入土深度為7.13m。距離圍堰頂2.87m設置一道頂層內支撐，距離圍堰頂5.87m設置一道底層內支撐，頂底層內支撐結構相同，四周導梁采用2HN700×300型鋼，其它支撐桿件均采用2HW440×300型鋼，圍堰封底采用水下C30混凝土，封底厚度為1.5m，圍堰平面、立面、內支撐布置如圖1所示。

圖1 圍堰立面及平面布置圖

2 圍堰總體設計及施工方案

圍堰內壁與承臺邊緣距離1.15m，承臺分兩層進行澆筑，第一層澆筑高度3m，第二層澆筑高度2.5m。鎖口鋼管樁圍堰、導梁及內支撐均由專業廠家進行加工制造，采用汽車運輸方式運至橋位施工現場。鎖口鋼管樁圍堰主要施工流程：鉆孔平臺拆除、鋼護筒上焊接拼裝牛腿，拼裝圍堰內支撐，割除拼裝牛腿，利用鋼絲繩將內支撐下放至設計位置后懸掛在鋼護筒上，插打鎖口鋼管樁，圍堰內吸泥清基，布置封底平臺灌注水下封底混凝土，圍堰抽水，鋼管樁上焊接支撐牛腿，拆除懸掛鋼絲繩，割除鋼護筒，樁頭處理，澆筑墊層，轉入承臺施工。

3 鎖口鋼圍堰施工技術

根據施工部署，結合項目水文地質條件，采用有限元軟件對本圍堰進行受力計算，鎖口鋼管樁底部與土體之間施加彈性約束。

通過計算，各工況下圍堰結構受力、變形滿足《鋼結構設計規范》[1]要求；基坑抗隆起等均滿足《建筑基坑工程技術規范》[2]要求。

3.1 鎖口鋼管樁加工

鎖口鋼管樁采用螺旋管、圓鋼和鋼板加工而成，加工時對精度要求較高，尤其是子扣和母扣軸線必須成180°，轉角管成117°或153°。鋼管與鋼管、鋼管與圓鋼及鋼管與鋼板之間的焊接采用滿焊，以防滲水。鎖口鋼管樁主管采用Φ630×10mm鋼管，鋼管頂底口各設置1道50cm高的加強環，加強環焊接時注意避開子母扣，加強環焊接完成后在主管的兩側焊接子扣和母扣；其中，子扣采用Φ127×4.5mm鋼管，子扣鋼管與主管間采用2根Φ16圓鋼連接，母扣采用Φ152×8mm鋼管。為加強母扣的強度，在母扣兩側各焊接一道加強鋼板，板厚1cm，如圖2～圖3所示。為減少或避免焊接變形，焊接時均采用交替焊和分段退焊措施。制作完成后對轉角管樁進行編號，確保插打順利。

圖2 子扣加工圖片

圖3 母扣加工圖片

3.2 內支撐導梁安裝

樁基施工完成后，利用85t履帶吊站位于支棧橋上拆除鉆孔平臺，保留中間通道及兩側支棧橋；履帶吊站位于支棧橋及中間通道作業時，正吊不大于30t，側吊不大于20t(墩頂側吊不大于30t)。接著，割除與圍堰內支撐有影響的鋼護筒，在鋼護筒上安裝內支撐拼裝牛腿，牛腿上測量定出圍堰內支撐內外框線。首先拼裝底層內支撐，拼裝完成后，安裝內支撐與鋼護筒間的懸掛鋼絲繩及臨時限位，利用2臺85t履帶吊機站位于支棧橋樁頂吊起底層內支撐，拆除內支撐拼裝牛腿，將底層內支撐下放至設計位置+0.130m標高處。利用6個10t手拉葫蘆對其進行懸掛。底層圈梁下放完成后，重新安裝牛腿，拼裝頂層圈梁，將頂層圈梁下放至設計位置+3.13m標高處并使用6個10t手拉葫蘆進行懸掛。懸掛點均布設在6個轉角處，內支撐圈梁下放前復核懸掛吊耳標高，確定鏈條長度，如圖4所示。頂層內支撐圈梁下放至標高后，安裝斜拉桿、反向掛鉤和型鋼進行加固。

底層內支撐下放完成后，重新安裝內支撐拼裝牛腿，在牛腿上測量定出圍堰內外框線，拼裝頂層內支撐，拼裝完成后，安裝內支撐與鋼護筒間的懸掛鋼絲繩及臨時限位。利用2臺履帶吊站位于支棧橋樁頂吊起頂層內支撐，拆除內支撐拼裝牛腿，將頂層內支撐下放至設計位置+3.130m標高處。

圖4 內支撐安裝圖片

3.3 鋼管樁插打

鋼管樁入土深度約7.5m，側摩阻按中砂層最大40kPa計，動摩阻系數平均取0.5，則單根鋼管樁沉樁設計標高需要克服的摩擦力F=(0.63×3.14)×7.5×40×0.5=296.73kN，同時考慮到陰陽鎖口之間的摩阻力，為了安全及滿足設計要求，根據振動錘的技術參數選用DZJ90振動錘插打圍堰管樁。鎖口鋼管樁沉樁，采用85t履帶吊配合選用DZJ90振動錘施工，由圍堰上游分兩頭進行插打。利用頂底層內支撐作導向插打鎖口鋼管樁，插打步驟如下：

(1)吊樁

吊機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取下樁上口鋼絲繩，用吊機主鉤起吊振動錘到樁頭，用錘夾夾緊樁壁；啟動振動錘沉樁，直至設計深度停止。隨著下沉過程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，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。所以，打入到設計深度一半時暫停沉樁，檢查樁身的垂直度是否符合要求，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，所以，每插打15～20根作一次檢查，保證樁身的垂直度符合要求即可。

(4)合攏

①鎖口鋼管樁由圍堰上游分兩頭插打，到下游合攏，鋼管合攏如圖5所示。

圖5 鋼管樁插打合攏完成圖片

②鋼管樁圍堰合攏前，在插打至最后4～5根樁時，測量缺口的寬度，準確計算出合攏樁的外徑，加工大小合適的鋼管樁運至施工現場插打。

③為保證鋼管樁圍堰合攏時兩側鎖口互相平行，避免使用異型樁進行合攏，減小合攏難度。當鋼管樁兩端相距10～15根樁的距離時，之后每打入一根樁，均嚴格控制其垂直度。若樁身存在偏斜，立即逐根糾正，分散偏差，調整合攏。

3.4 吸泥清基

鋼管樁鎖口圍堰施工完成后，布設吸泥機吸泥施工。必要時，配合高壓射水進行圍堰內吸泥、清基施工。

(1)布設吸泥機

①采用4臺吸泥機布設在圍堰4個角落上，從四周向中間移動吸泥。

②吸泥機由圍堰上布設的起重設備配合施工，其中1臺吸泥機備用。

③空氣吸泥機風包設置在距離吸泥管口1m～1.5m的位置。

(2)吸泥、清基施工

①吸泥分層往復施工，以逐漸提高吸泥管口至河床面的距離，逐步吸泥至設計標高。

②吸泥至設計標高后，不立即拆除吸泥設備，以待圍堰水中泥砂沉淀后繼續將泥砂吸干凈。

③吸泥管及排泥管彎頭處容易堵塞，吸泥時小心防備木塊、沙袋掉入圍堰內堵塞吸泥設備。

④靠近鋼管樁、鋼護筒附近的泥砂較難吸出，利用高壓射水將泥砂沖散后吸出。

⑤吸泥過程，作業人員站在浮漂上利用測錘勤測量河床標高，盡量減小河床高差。

⑥在圍堰內吸泥達到設計標高后，由潛水用高壓水槍清除鋼護筒及鋼管樁上的泥土，檢查基底是否平整，對凸出部分進行清理。

3.5 封底

吸泥清基完成后，布設封底平臺。封底采用水下C30混凝土，混凝土塌落度控制在18cm～22cm。嚴格依照封底混凝土澆筑順序和方法，防止因混凝土澆筑質量而造成封底失效或滲漏。封底采用多導管分布澆筑混凝土。

3.6 圍堰堵漏

利用圍堰內抽水后，圍堰外的水位比圍堰內水位高，內外形成水頭差的原理，利用水具有一定的吸附力，采用成品塑料薄膜紙進行止水。具體做法：

根據圍堰頂至河床面的高度，計算出需要準備的每張薄膜紙長度，將購買的成捆(一般寬度為1m，長度100m)裁剪成若干張小的薄膜紙，將其兩端分別系在長度250mm的φ25鋼筋(上端以利于固定薄膜紙，下端水中利于配重)上。潛水工再按照鋼管樁圍堰每道鎖口位置下放準備好的小薄膜紙，隨著圍堰內抽后的水位下降，薄膜紙也被緊緊吸附在圍堰的鎖口縫隙上，發揮其良好的止水效果。如發現問題，及時采取補救措施，抽水后效果如圖6所示。

圍堰在緩慢抽水過程中，由專人觀察壁體的變形。抽水至底層內支撐標高處時，停止抽水，完成底層內支撐體系的安裝和管樁與底層內支撐圈梁之間的抄墊、加固。

3.7 圍堰監測

在圍堰施工和使用過程中，派專人對鎖口鋼管樁圍堰進行監測。主要觀測內容：河床沖刷變化、圍堰的沉降、變形觀測。每2天對圍堰取土、吸泥等各狀態進行圍堰水平位移和變形觀測，每5天對圍堰周邊河床沖刷、圍堰沉降進行觀測；圍堰抽水、封底、內支撐安拆等工序施工時，單獨進行圍堰變形觀測，測量值監控報警值以累計變化量和變化速率兩個值雙控。

圖6 鋼管樁圍堰抽水后效果圖片

4 施工關鍵節點及其技術創新

(1)鎖口鋼管樁圍堰受土體與九龍江水雙側壓力，給鋼管樁局部受力帶來一定難度。基于此，通過在管樁母管開槽，表面焊接加強板等方式，以有效改善鎖口鋼管樁整體受力。

(2)結合圍堰鋼管樁現場插打垂直度、偏位等實測數據，在CAD中進行三維模擬管樁空間姿態，優化工藝，在廠內特制“上寬下窄”的加寬型鎖口管樁，滿足圍堰合攏需要，取得了很好的止水效果，為后續承臺施工創造了良好的作業環境。

(3)鋼管樁之間滲水采用塑料膜、土工布、鋸木粉等材料進行止水效果良好，可操作性強，資源投入少，能夠在干作業環境下快速施工。

(4)圍堰內吸泥采用長臂挖掘機、吸泥泵、空氣吸泥機等方式，有效提高了施工功效及吸泥清基質量，為粉質泥黏土、粉細砂等不同地層吸泥提供工程實踐經驗。

(5)鎖口圍堰鋼管樁采取集中加工及胎架上制作，確保了每根鎖扣管樁全焊接的精度成型，但加工過程必須避免接頭處于局部沖刷線附近，以防漏水。插樁時鎖扣要對準，在打樁過程中，施打樁的連接鎖扣上涂以黃油等潤滑劑，減小阻力，可以保證鋼管樁的垂直度，及時測量糾偏及打至預定深度。內支撐整體下放要安裝導向與鋼護筒之間定位準確，導環與牛腿、內支撐與鋼管樁均應滿焊牢固，以確保抽水工況時內支撐體系轉換的結構安全。澆注水下封底時，混凝土表面無法達到比較平整的要求，在封底時，應將混凝土頂面標高控制在設計標高下20cm左右，待混凝土達到強度，圍堰內抽水后，再補澆20cm混凝土調平層。抽水工況中安排專人觀察鋼管樁圍堰的變化及鎖扣漏水情況，及時采用用薄膜、棉絮、木條等在外側嵌塞。

5 結語

綜上，鎖扣鋼管樁圍堰截面剛度強，抗彎性能好，加工方便,定位插打速度快，施工設備簡單，鎖扣止水效果好，鋼管樁可全部回收，周轉使用，適用于河床起伏較大,土壓力不平衡，工程地質條件復雜等情況的深水橋梁基礎施工。鎖口鋼管樁圍堰施工技術能克服水文地質條件較復雜，土側壓力較大等困難，具有結構穩定性好，防滲水情況好，能夠周轉重復使用等特點。有效解決了市政工程施工場地小、交通運輸困難的問題，為確保項目工期和節省成本提供了有利條件，對今后市政工程水上橋梁建設具有一定的借鑒意義。