水下深基礎鎖扣鋼管樁圍堰的設計及施工關鍵技術

趙建鋼 高 輝 施 駿

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

一般深水基礎大多采用圍堰法施工，目前國內常用的圍堰有拉森鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、雙壁鋼套箱圍堰等。在實施之前，應根據不同項目的施工特點，考慮施工環境，選擇最為合理的圍堰形式。

拉森鋼板樁圍堰具有施工方便快速、材料可周轉等特點，但其結構本身剛度較小，難以滿足深度較大的水下基礎施工要求。鋼套箱圍堰具有結構整體性好、剛度大的特點，但安裝工藝復雜，后期拆除困難，且難以周轉使用，需要較大的措施投入。

相比其他的圍堰形式，鎖扣鋼管樁具有適應性強、結構穩定、施工周期短、材料可周轉使用等特點，適用于水下深基礎的施工[1-5]。

1 工程概況

溫州市七都大橋北汊橋工程位于甌江主航道位置，主橋為五跨雙塔中央索面疊合梁斜拉橋（圖1），水上引橋為5跨鋼混疊合連續梁橋，共包含10座水中墩承臺（主橋6座，引橋4座）。

圖1 七都北汊橋示意

北汊橋水上部分橋梁全長約965 m，除主橋2座主墩承臺為高樁承臺外，其余承臺均為低樁承臺，基礎埋入河床以下。甌江潮位為＋4.5 m（高潮位）及－2 m（低潮位）左右，最大水位差6.5 m，橋位處河床標高為－11～－2 m。橋位處地質情況復雜，同時，甌江是一條山溪性潮汐河流，上游洪峰猛漲猛落，歷時短，洪峰流量大，受潮汐影響明顯，高低潮位落差大，漲、落潮流速均較大。

2 鎖扣鋼圍堰設計

2.1 設計原則

水中承臺埋深最深的為引橋31#、32#承臺，其承臺底標高為－13.0 m，尺寸36.5 m×9.5 m×4.0 m，承臺位置的河床標高為－10.5 m。

圍堰結構采用鎖扣鋼管樁圍堰形式，圍堰內設置圍檁及支撐系統，圍堰底設置封底混凝土。圍堰設計時考慮以下幾方面因素：

1）圍堰設計標高考慮滿足20年一遇最大高低潮差，高潮位取＋4.9 m，低潮位取－2.0 m，河床標高取－10.5 m，最高水位至河床底取17.4 m（考慮2 m沖刷，封底以下內外平衡）。

2）圍堰主要荷載包括：自重、浮力、靜水壓力、流水壓力及土壓力作用。

3）由于甌江環境具有腐蝕性，故圍堰設計時材料強度計算考慮結構腐蝕影響。

2.2 圍堰結構設計

圍堰結構分為鎖扣鋼管樁、圍檁及內支撐系統、封底混凝土三部分，鎖扣鋼管樁采用φ800 mm×10 mm鋼管樁，樁長36 m，鎖扣形式采用“C＋O”陰陽鎖扣。“C”形鎖扣采用φ150 mm×10 mm鋼管開槽口，“O”形鎖扣采用φ135 mm×10 mm鋼管，陰陽鎖扣在主鋼管兩側通長焊接。圍堰的圍檁及支撐在高度方向共布置4道。圍檁采用H588 mm×300 mm型鋼，支撐采用H900 mm×300 mm（下部2道）及H588 mm×300 mm型鋼（上部2道）。封底混凝土厚度2 m，采用C30水下混凝土。

2.3 圍堰計算

2.3.1 計算模型及荷載組合

圍堰計算中鎖扣鋼管樁按等剛度代換采用板單元模擬，圍檁及對撐等采用梁單元模擬，封底混凝土采用混凝土實體單元模擬。

鋼圍堰采用全模型進行計算，圍堰底部為約束x、y、z向的鉸接，內支撐支點設置于圍檁上，節點處采用剛性連接，封底混凝土在鋼護筒處設置x、y方向的約束。具體模型如圖2所示。

圖2 鎖扣圍堰計算模型

2.3.2 工況分析

當封底混凝土澆筑完成并達到設計強度后，圍堰內抽水至封底混凝土頂面，圍堰在自重、浮力、靜水壓力、流水壓力及土壓力作用下，圍堰自身結構受力最為不利。在此工況下進行圍堰自身、抗浮及封底混凝土厚度與強度驗算。

2.3.3 計算結果

1）鎖扣鋼管樁在不利工況下的最大應力為160 MPa，鋼管最大變形37.7 mm。

2）圍檁及內支撐組合在不利工況下的最大組合應力為151.3 MPa，支撐受最大軸力為－8 534.3 kN（承壓）。

3）封底混凝土厚度參照CECS 137：2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》驗算。浮力取分項系數1.27，自重取分項系數1.0，計算得出封底混凝土最小厚度為1.7 m，現場施工取2.0 m。圍堰抽水后，封底混凝土在浮力作用下主要受拉應力影響，其強度應以拉應力控制，封底混凝土主要承受自重、靜水壓力和浮力的共同作用，對其進行建模計算，封底混凝土拉應力小于1.1 MPa。

4）圍堰的鎖扣鋼管樁入土深度約20 m，樁底入②4層土，計算得出抗隆起安全系數為1.35＞1.25。

3 鎖扣鋼管樁圍堰施工

3.1 鎖扣鋼管打設

鎖扣鋼管采用履帶吊＋振動錘打設，應結合施工區域水流情況及施工場地合理安排順序。一般可利用橋梁樁基施工的鋼護筒設置定位導向支架，先施工角樁進行定位，隨后沿導向支架依次打設鋼管，最后在起始點對角線位置的角樁進行合攏。

本工程水上樁基施工平臺在搭設時只布置了單側的施工支棧橋，若在打設前將全部樁基施工平臺拆除，則會因距離過遠導致設備無法滿足作業要求。因此，本工程中鎖扣鋼管的打設與施工平臺的拆除同步進行，即先拆除部分平臺，完成半幅鎖扣鋼管的打設，隨后履帶吊后退至樁基施工平臺范圍以外的支棧橋。拆除剩余樁基施工平臺后，再完成另外半幅的鎖扣鋼管打設（圖3）。

3.2 圍檁及支撐安裝

為提高安裝效率，圍檁及支撐采用從下往上整體帶水安裝，即每一道圍檁及支撐在后場加工成整體，鎖扣鋼管樁打設完成后，在圍堰內部先將圍檁及支撐安裝標高定位，隨后整體直接下放到圍堰內。由潛水員確認安裝標高到位后，用拉桿直接同支架頂口臨時拉結固定。隨后安排潛水員排摸每一根鋼管同圍檁之間的間隙，并用鋼墩將圍檁同每一根鋼管頂緊。

圍堰共設置4 道支撐及圍檁，其中最底下2 道圍檁采用雙拼H588 mm×300 mm型鋼，支撐采用雙拼H900 mm×300 mm型鋼。根據下放質量，上部2道圍檁及支撐采用2臺大噸位吊機抬吊下放，而下部2道圍檁及支撐由于自重超過100 t，故采用千斤頂下放。

3.3 基底清理

承臺底標高為－13 m，根據圍堰計算情況，封底混凝土厚度取2 m，因此基底應清理至－15 m的標高。根據此位置的河床標高（－10.5 m），基底清理深度為5 m左右。

為提高施工效率，基底清理采用伸縮臂挖機＋抓斗抓泥＋吸泥泵聯合進行，即在鎖扣鋼管樁打設完畢后、支撐及圍檁安裝前，先采用伸縮臂挖機及抓斗挖除基底大部分的淤泥，隨后圍檁及支撐安裝完成后，安裝吸泥泵，配合潛水員對鋼管、護筒周邊等挖機無法清理的位置進行吸泥處理，最后由潛水員對基底清理情況進行排摸。基底清理時重點控制基底清理的標高以及鋼管、鋼護筒等同封底混凝土接觸位置的清淤效果，同時也要對基底承載力情況進行確認，如河床土質較差，承載力不足，應考慮進行塊石拋填，以滿足封底混凝土澆筑需要。

3.4 封底混凝土施工

圍堰封底采用水下C30混凝土。混凝土采用分次澆筑，第1次澆筑1.0～1.2 m，第2次澆筑0.8～1.0 m，并保留厚0.2～0.3 m的找平層。

混凝土澆筑采用導管法水下灌注，根據基坑面積，布置2套澆筑設備（可采用布料導槽或汽車泵）。在圍堰內事先布置標高測量點及布料位置。

混凝土澆筑應從一側兩處角點向另一側順序推進，同時在另一側角點處設置吸泥泵，在澆筑混凝土的同時將推擠過來的淤泥吸出，確保封底內不夾泥。

第1次封底完成后，派潛水員對封底混凝土澆筑效果進行排摸，特別是鋼管及鋼護筒周邊位置，同時用吸泥泵清除混凝土表面的浮淤，隨后進行第2次封底（圖4）。

圖3 鎖扣鋼管打設

圖4 圍堰封底施工

3.5 圍堰抽水及止水

圍堰封底混凝土養護至設計強度后，進行圍堰的抽水及止水施工。

由于圍堰鋼管陰陽鎖扣之間存在間隙，特別是已經周轉使用過的材料，由于鋼管或鎖扣存在變形，更容易導致漏水的情況。

現場對圍堰止水及圍堰內積水控制主要采用的方法包括：

1）對于鎖扣豎向縫隙的漏水，可向鎖扣內灌砂或石屑，同時配合在外側掛土工織物（包裹在鋼筋上）進行止水。

2）對于較大的漏水點，可采用在對應位置焊接鋼板＋灌注混凝土的方式進行封堵。

3）在基底布置排水溝和集水井，在施工期間用水泵抽水，保證施工作業面不積水。

3.6 圍堰拆除

承臺及墩柱施工完成后對圍堰進行拆除，拆除按照先圍檁支撐、后拔出鎖扣鋼管樁的順序進行。

拆除前先對圍堰進行回灌，至最下道支撐位置，隨后將圍檁及支撐割除后分段拆除。最下道支撐及圍檁拆除完成后，將水回灌至第3道圍檁下口位置，隨后拆除此道圍檁及支撐。然后按照相同的方法直至完成全部圍檁及支撐的拆除。

由于鎖扣鋼管樁打設深度較深，且鎖扣之間摩阻力較大，因此鋼管拔出作業的設備（履帶吊及振動錘）應根據實際工況需要選擇，本項目鎖扣鋼管樁打設時選用90 t履帶吊＋D90振動錘，而拔鋼管選用120 t履帶吊＋P200液壓振動錘。

4 結語

本文以溫州市七都北汊橋工程為依托，從結構設計、理論計算、施工實施等方面對深水基礎鎖扣鋼圍堰的各個實施要點進行了分析。

1）鎖扣鋼管樁圍堰具有結構安全、施工快速、材料可回收等特點，同時較雙壁鋼圍堰更為經濟，適用于深水基礎的施工。

2）鎖扣鋼管樁圍堰結構的設計應從工程施工需要出發，結合周邊地質、水文、環境等各方面要素綜合考慮，其設計重點包括鋼管長度確定、支撐系統布置以及鎖口防滲水處理等。圍堰設計時的受力計算應考慮最不利的施工工況，總體方案確定后，對細部結構進行分析，判斷出薄弱環節，在施工中應采取針對性措施。

3）封底混凝土作為承臺基坑施工階段的承載面，也是整個圍堰系統底部重要的第1道支撐，基底原河床的清理及封底混凝土澆筑是深水基礎施工中最重要的環節之一。確保基底清理及封底混凝土的施工質量，可以保證圍堰結構的整體安全，避免基底滲水。

4）圍堰安裝及拆除應結合施工環境、場地等安排合理的施工順序及工序銜接。對于深水基礎，由于圍堰結構受力較大，而且拆除過程存在受力體系的轉換，因此拆除施工往往比安裝時更需謹慎，每道拆除的工序都應在確認受力體系穩定后，方可繼續。