深水橋梁基礎鎖扣鋼管樁圍堰應用技術研究

高明慧

(中國鐵建大橋工程局第一工程有限公司，遼寧 大連 116000)

1 工程概況

重慶軌道交通十八號線李家沱復線橋毗鄰李家沱長江公路大橋，兩橋基礎凈距為17.06 m。李家沱長江復線橋全長1 306.2 m，布置為(68.4+150.8+454+161.3+102.2+50)m，主橋跨徑為454 m。該橋為中國第一座市政道路與軌道交通同層布置的非對稱大跨雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。其中，主梁鋼箱梁寬度為33.95 m，鋼箱梁高度為4.0 m；主橋下游側為雙線軌道交通，上游側為四車道市政公路；橋塔形式為混凝土花瓶形結構，北岸塔高179.5 m，南岸塔高175.5 m，設置上、下兩道橫梁。P2、P3為主橋主塔，其承臺為矩形結構，尺寸為40 m×26 m×6 m，主塔基礎采用24根直徑3 m鉆孔灌注樁，樁長26 m。

P3主塔地形平緩，覆蓋層為卵石土，厚9.2～11.2 m，下部為砂質泥巖、砂巖，承臺位于卵石層中；枯水期水深0～6.5 m，洪汛期水深0～17.5 m，蓄水期水深0～8.5 m。考慮工程水文地質條件及施工工期等因素，對可以適用的鋼板樁圍堰、雙壁鋼套箱圍堰、組合圍堰(咬合樁圍堰+雙壁鋼套箱圍堰)、鎖扣鋼管樁圍堰進行施工工藝可行性、施工難度、經濟指標、安全性等方面的研究和比對[1]，確定P3主塔承臺施工采用鎖扣鋼管樁圍堰施工，其主要施工工藝為：鉆機引孔、孔內換填、插打鎖扣鋼管樁、圍堰合龍、注漿、鋼管內滿灌砂礫、基坑開挖、內支撐安裝、承臺施工。

2 鎖扣鋼管樁圍堰結構設計

依據P3主塔承臺結構形式及尺寸，鎖扣鋼管樁圍堰及內部構件的設計參數具體如下：鎖扣鋼管樁圍堰設計平面尺寸為43.44 m×29.33 m，鋼管樁采用?1 020×12 mm；鋼管樁圍堰頂部高程178.5 m，設防水位178.0 m，鋼管底部高程152.5 m，嵌入巖石深度5.0 m，封底混凝土厚度為3.0 m，混凝土底面高程158.5 m；鋼管樁圍堰分為18 m和8 m兩個節段，引孔換填完成后先插打18 m節段，圍堰合龍、注漿后接高8 m節段；圍堰內設4道支撐，支撐分別采用?1 000 mm×12 mm和?1 000 mm×16 mm鋼管，支撐從上往下高程分別為174.5 m、168.5 m、165.5 m及162.5 m；圍檁采用2HN900×300 mm、3HN900×300 mm的H型鋼以及1 500 mm×900 mm焊接箱梁；外側通長焊接鎖扣，鎖扣寬5 cm，通過鎖扣之間咬合達到止水效果。鎖扣鋼圍堰內部圍檁、橫撐、斜撐等構件材料均采用Q235B鋼材。鎖扣鋼管樁圍堰平面及立面如圖1、圖2所示。

圖1 鎖扣鋼管樁圍堰平面布置(單位：mm)

圖2 鎖扣鋼管樁圍堰結構立面(單位：mm)

3 鎖扣鋼管樁圍堰結構分析

3.1 確定計算工況

依據圍堰結構設計參數，根據施工工序和施工工作環境確定五種計算工況進行施工過程受力分析。

工況一：鎖扣鋼管樁圍堰合龍、注漿加固后，內部抽水開挖至第3道支撐下0.5 m處，安裝第2道支撐。圍堰外施工水位標高+169 m，河床標高+168.5 m；圍堰內水位和土層標高+165 m。

工況二：接高圍堰至圍堰頂，安裝第1道支撐和第3道支撐，抽水開挖至第4道支撐下方0.5 m處。圍堰外施工水位標高+173.5 m，河床標高+168.5 m；圍堰內水位和土層標高+162 m。

工況三：圍堰內安裝第4道支撐，抽水開挖至封底混凝土底部高程后，澆筑封底混凝土。圍堰外施工水位標高+173.5 m，河床標高+168.5 m；圍堰內水位和土層標高+158.5 m。

工況四：拆除第4道支撐，進行第1層承臺施工并回填。圍堰外施工水位標高+178.0 m，河床標高+168.5 m；圍堰內水位和土層標高+158.5 m，第1層承臺標高+164.5 m。

工況五：拆除第2、3道支撐，進行第2層承臺和塔座的施工并回填。圍堰外施工水位標高+178.0 m，河床標高+168.5 m；圍堰內水位和土層標高+158.5 m，第2層承臺標高+167.5 m。

3.2 計算方法及荷載

3.2.1 計算方法和計算內容

結構計算方法采用以概率論為基礎的極限狀態設計法，結構重要性系數為1.1，強度設計值為215 MPa。鋼圍堰計算內容包括鎖扣鋼管樁圍堰的鋼管、圍檁、斜撐、水平撐等結構的應力、鋼圍堰結構的整體變形、鋼圍堰整體穩定性以及鋼圍堰各構件的穩定性，結構整體穩定性驗算以結構自重為不變荷載，靜水壓力、流水壓力為可變荷載，計算各工況下結構的第一階屈曲模態臨界荷載系數，當鋼結構屈曲系數大于4時滿足《鋼圍堰工程技術標準》(GB/T51295-2018)要求。

3.2.2 計算荷載

鋼圍堰計算荷載包括鋼圍堰結構的自重，根據設計尺寸以及對應的材料特性計入。水壓力，分為靜水壓力和流水壓力；靜水壓力沿圍堰周邊均勻線性分布，大小按照p=γh計入，其中重度γ=10 kN·m3；流水壓力根據Fw=KAγv2/2g確定(其中，Fw為流水壓力標準值(kN)；K為橋墩形狀系數，取1.3；A為橋墩阻水面積(m2)；v為設計流速(m/s)，汛期流速取3.61 m/s)，作用于圍堰上游側每根鋼管，位于水面以下水深1/3處，大小148.2 kN。土壓力，利用朗肯土壓力理論計算，采用水土分算原則，沿圍堰周邊均勻線性分布。主動土壓力系數Ka=tg2(45-φ/2) ，被動土壓力系數Kp=tg2(45+φ/2) 。土層參數如表1所示。

表1 各土層物理力學指標

承載能力極限狀態下工況一、工況二、工況三、工況五的荷載采用自重加靜水壓力與土壓力的組合形式，組合系數為1.2；工況四的荷載采用1.2自重+1.2靜水壓力或土壓力+1.4流水壓力的組合形式；正常使用極限狀態下各工況采用荷載標準值組合形式。

3.3 結構計算

3.3.1 鋼圍堰整體分析

鎖扣鋼管樁圍堰由鎖扣鋼管樁、鋼圍檁、內撐鋼管、封底混凝土組成，根據五種計算工況分別建立有限元模型，其中采用梁單元模擬鋼管樁及圍堰內部支撐、圍檁，用板單元模擬鋼管樁之間的鎖扣連接，采用實體單元模擬封底混凝土；邊界條件為鋼管進入土層部分為彈性支承約束，鋼管樁打入巖層部分為固定支承約束；各道圍檁與鋼管樁之間的約束采用剛性連接模擬，內撐鋼管與圍檁之間的約束采用彈性支承模擬。

由于篇幅有限，僅列出工況三的相關模型和計算結果，如圖3所示。 計算結果及結論如下：在工況三荷載作用下，鎖扣鋼管樁圍堰的最大應力出現在第4道支撐圍檁，最大應力為119.8 MPa(壓應力)≤215 MPa，圍堰整體結構的最大變形為4.8 mm；第一階屈曲模態臨界荷載系數為49>4滿足要求。其余工況計算結果如表2所示。

圖3 工況三計算結果

表2 其余工況計算結果

施工完封底混凝土后，根據規范進行抗浮與抗彎的驗算。計算得封底混凝土抗浮安全系數μ=F抗浮/F浮=1.7 > 1.15，滿足抗浮要求；封底混凝土抗彎計算應力為0.03 MPa，滿足強度要求。

綜合以上結果，各工況最大應力均小于強度設計值，最大變形均小于鋼圍堰整體高度的1/600=26 000 mm/600=43 mm，第一階屈曲模態臨界荷載系數均大于4。因此各工況下圍堰結構的強度、剛度、整體穩定性均滿足規范要求。

3.3.2 內撐桿件受壓穩定性檢算

對于內支撐受壓桿件需進行穩定性的檢算，選取上述工況中應力最大的工況，對其進行壓桿穩定計算。工況一中最大應力出現在第2道支撐處，其中斜撐與直撐均采用?1 000 mm×12 mm鋼管，截面面積A=37 247mm2，截面抗彎模量W=9×106mm3，彈性模量E=200 GPa。

4 鎖扣鋼管樁圍堰施工技術

4.1 引孔、換填、插打鋼管樁、圍堰合龍

圍堰下方卵石層采用直徑為2.2 m的旋挖鉆機鉆孔，全護筒跟進至巖層，砂巖層采用沖擊鉆進行鉆孔，達到深度后，樁底部7 m范圍內換填粒徑為1～2 cm的碎石，上部回填黃土，回填完成后拔出鋼護筒，進行第2根樁孔換填，按此步驟依次進行所有鋼管樁基槽的換填；然后利用振動錘將鋼管插打至設計位置。為了保證鋼管插打的垂直度，需設置導向架，導向架采用型鋼焊接而成，長15 m、寬2.1 m、高4.955 m，導向架結構如圖4所示。為保證插打時導向架的穩定，利用型鋼將導向架固定在主墩樁基鋼護筒上。鋼管插打至設計位置后，鋼管與鋼管之間利用鎖扣咬合進行止水，避免出現滲水問題[2]，后續圍堰內施工證實鎖扣咬合止水效果良好。

圖4 導向架結構(單位：mm)

鋼管樁圍堰在角樁處合龍，利用測距儀或北斗衛星定位裝置得到開口長度，通過調整鋼管樁直徑或全焊搭接位置，安裝異形鎖扣鋼管樁錘擊合龍。圍堰合龍后向鋼管內滿灌砂礫，增強圍堰剛度。

4.2 鎖扣鋼管樁底注漿止水加固

鎖扣鋼管樁圍堰合龍后，在鋼管樁底部5 m范圍內進行注漿，加強止水，同時起到對鎖扣鋼管樁底部固結的作用。由于鎖扣鋼管樁圍堰注漿為水下注漿，且地質具有一定的特殊性，鋼管樁里面為回填碎石，鋼管樁上部覆蓋層為沉積卵石層，鋼管樁底部為砂巖，為保證樁底注漿確實起到樁底加固及良好的止水作用，必須在考慮漿液滲透擴散機理基礎上，根據漿液劈裂作用及空隙追尋偏好實施高壓注漿[3]。

4.2.1 注漿預埋管布置

鎖扣鋼管樁換填前先下放底部5 m范圍內梅花形開孔的?40 mm×3mm注漿管，注漿管每隔30 cm設置4個直徑不大于1 cm的孔，下放注漿管前對孔進行封閉保護，然后再進行鋼管樁基槽換填。注漿管布置在鎖扣樁內外兩側，預埋注漿管根數為180根，四個角外圍補強注漿管為8根，共布置188根注漿管，如圖5所示。鎖扣鋼管樁插打合龍后，對預埋注漿管進行檢查，若預埋注漿管由于圍堰基槽鉆孔被破壞，則換用?108 mm潛孔鉆機鉆孔，套管跟進，最后進行高壓注漿。

圖5 鎖扣鋼管樁圍堰注漿孔布置

4.2.2 注漿材料選擇

(1)注漿材料主要根據所注地層的狀況、注漿目的，本著造價低、易于取材和不易引起不良后果等原則決定。

(2)根據以往工程經驗及相關資料，本工程采用速凝水泥漿(水灰比1∶1)，輔以一定的外加劑，現場根據注漿效果進行調整。

(3)注漿過程中通過摻加減水劑提高漿液的流變參數，增加漿液的流動性。

4.2.3 注漿壓力

鋼管樁圍堰底部注漿時需控制好施加的壓力，施加壓力越大，填充范圍越大，可提高灌注質量；但注漿壓力過大時，也容易出現漿液噴冒的問題[4]。所以，需依據地質構造與結構形式等確定注漿壓力，對鎖扣樁與巖層間的空隙充分灌注。首先前提是要滿足漿液的擴散半徑，各注漿孔之間注漿的漿液能相互搭接，保證不出現漏注區域。經現場灌注試驗，鎖扣樁外側孔采用0.1～0.3 MPa的注漿壓力，鎖扣樁內側孔采用0.4～0.5 MPa的注漿壓力，能滿足漿液的擴散半徑要求，也能夠實現鎖扣鋼管樁圍堰加固及止水相關預期目標。

施工時將鎖扣鋼管樁頂部開口密封，在樁內施加壓力。注漿時先灌注鎖扣鋼管樁外側孔，后灌注鎖扣樁內側孔。在后續鎖扣鋼管樁圍堰內基坑開挖過程中，隨時檢查圍堰漏水點，對于鎖扣之間的漏水點采用焊接止水，對于鋼管樁根部漏水點采用補孔注漿措施封堵，可實現圍堰內無水施工。

4.3 基坑開挖、內支撐安裝及圍堰接高

P3主塔地面高程166.7～168.7 m，基坑采用長臂挖掘機與圍堰內履帶挖機配合的方式開挖。鎖扣鋼管樁底部注漿完成后將履帶挖機下放至基坑內，配合長臂挖機進行開挖。基坑開挖分層對稱開挖，防止一側開挖過深導致圍堰變形。

基坑開挖至高程+165 m時安裝第2道支撐，內部橫撐通過履帶吊機進行吊裝，并利用法蘭盤栓接。安裝完成第2道支撐后利用?1 020 mm×12 mm鎖扣鋼管將圍堰接高至圍堰頂部高程+178.5 m處，接高完成后向鋼管內滿灌砂礫。鎖扣鋼管接高現場如圖6所示。

圖6 鎖扣鋼管接高

4.4 后續內支撐安裝、澆筑封底混凝土

安裝第1道支撐和第3道支撐，基坑繼續抽水開挖至高程+162 m后安裝第4道支撐。待基坑抽水開挖至封底混凝土底部標高后，基底清理，施工3 m厚封底混凝土并養護。

4.5 承臺施工

待封底混凝土達到一定強度后，拆除第4道支撐，進行第1層承臺的施工，實施方案如下：準確測量放出承臺十字軸線及標高線，并做上醒目標記；依據承臺十字軸線用墨線彈出承臺的輪廓尺寸線；綁扎承臺鋼筋，安裝冷卻水管、測溫元件，拼裝鋼模板，澆筑第1層承臺混凝土并養護；然后依次拆除第3道、第2道支撐，進行第2層承臺和塔座的施工。塔座施工現場如圖7所示。

圖7 圍堰內塔座施工現場

5 結束語

(1)在鎖扣鋼管樁插打過程中采用旋挖鉆、沖擊鉆鉆孔換填碎石的方案解決了深水卵石、砂巖覆蓋層鋼管樁插打困難的問題。

(2)圍堰鋼管樁之間采用鎖扣咬合止水，該種鎖扣止水措施相對于之前的“C-T”、“L-T”型鎖扣止水效果好，不需要在鎖扣之間填充止水材料，因而節省了成本及圍堰施工周期；圍堰鋼管樁內、外側采用注漿的方式進行底部止水加固，在施工過程中通過調整漿液配合比、摻加減水劑的措施提高了漿液的流變參數，增加了漿液的流動性，并通過試驗確定了最佳注漿壓力，保證了注漿效果。施工中證實通過鎖扣間咬合以及底部注漿可基本實現圍堰內無水狀態。

通過對李家沱復線橋P3主塔基礎鎖扣鋼管樁圍堰的應用研究，可為深水卵石覆蓋層地質條件下橋梁基礎大型鎖扣鋼管樁圍堰的應用提供參考與借鑒。