高水位復雜地層無封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工關鍵技術*

黎建寧，甄玉杰，李華龍，羅國龍，盧慧忠

(中建三局集團有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

西安市建材北路(北辰大道—迎賓大道)工程為東西走向，全長2.318km，為城市主干路。建材北路跨灞河橋主橋采用雙塔空間索面自錨式懸索橋，結構體系為半漂浮體系，矢跨比為1/4.02，跨徑布置為(50+116+300+116+50)m，全長 632m，加勁梁和橋塔均為鋼結構，鋼箱梁頂板寬56m，橋塔高123m。

橋塔采用承臺樁基礎，承臺順橋方向長 35.25m，橫橋方向長 29m，高 5m。承臺上方設置塔座，塔座底部尺寸26m×22m，頂部尺寸20m×16m。承臺下設置群樁基礎，樁基全部采用直徑 2.5m 鉆孔灌注樁，順橋向設置6 排，橫橋向設置 5 排，橫、縱向樁中距均為 6.25m。樁基共計30 根，樁長 65m。橋塔基礎構造如圖1所示。

圖1 橋塔基礎構造(單位：cm)

2 工程地質條件

根據已完成鉆孔現場鉆探描述、原位測試及室內土工試驗結果，擬建場地地基土(勘探深度80.50m范圍內)自上而下為：人工填土、第四系全新統沖積砂類土及碎石類土、第四系上更新統及中更新統沖積粉質黏土及砂類土等。

根據地勘資料，建材北路穩定地下水位埋深8.8～19.50m，屬潛水類型。其中橋址區地表水主要為灞河河水。灞河屬渭河一級支流，為雨水補給性河流，在橋位區水流方向呈北西向。灞河流域面積約2 577km2，多年平均徑流量15.636m3/s；年平均最大徑流量33.295m3/s(1983年、1964年)，年平均最小徑流量3.964m3/s(1995年)，百年一遇頻率洪水流量3 300m3/s，橋位處單式斷面，全斷面過流，該段灞河平均比降約為1.58‰。

3 施工關鍵技術

深水承臺常用的施工方法一般有雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰和鋼管樁圍堰，其中鎖口鋼管樁圍堰綜合了鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰擋水、圍護特性，截面強度及剛度大、適應性強、支撐簡單方便、施工速度快。鋼管樁圍堰制作、加工、安裝方便靈活，工藝簡單，無需大型機具設備，同時簡化了結構。在特殊地質條件下施工方便、造價低、安裝過程中不易變形，具有很好的穿透和貫入特性，能適應于各種復雜地層。

對于高水位地質條件，鎖口鋼管樁圍堰一般均需設置封底混凝土，以抵抗坑底水土壓力和防止坑底突涌。封底施工是鋼圍堰施工的關鍵工序，但傳統的水下封底混凝土施工方法存在施工流程復雜、施工周期長、施工造價高的問題。

3.1 施工步驟

針對傳統鎖口鋼管樁圍堰水下封底混凝土施工存在的弊端，以建材北路跨灞河橋為依托，進行技術創新，提出一種高水位復雜地層無封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工方法，施工步驟如下。

1)步驟1 利用導向架在基坑周圍插打一圈鎖口鋼管樁形成圍堰壁體。

2)步驟2 采用旋挖鉆機從鋼管樁內向下進行旋挖，在鋼管樁內安裝降水井，如圖2所示。降水井自河床面往下穿越深處隔水層。

圖2 無封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰示意

3)步驟3 每個降水井內安裝1臺潛水泵，潛水泵配置自動開關、流量表和出水口。

4)步驟4 將圍堰內水位降至基坑底以下，進行基坑支護、開挖、清基至承臺底部。

5)步驟5 澆筑承臺底部混凝土墊層，在無水環境下完成承臺施工。

3.2 鋼圍堰設計

鋼管樁采用T-C型鎖口鋼管樁，主管采用φ820×10 Q235鋼管，鎖口陰頭為φ180×8鋼管，陽頭為I20b。鋼管樁距承臺邊緣預留2m間距，方便承臺施工時模板安裝。圍堰豎向設置3層內支撐，第1，3層腰梁采用雙拼700×300 H型鋼，對應斜撐、對撐采用φ609×16 鋼管；第2層腰梁采用三拼700×300 H型鋼，對應斜撐、對撐采用φ820×10 鋼管。腰梁底部設置鋼板牛腿支撐。圍堰施工前完成鉆孔灌注樁施工并拆除鋼平臺，隨后進行鋼管樁圍堰工序的施工，墊層施工完成后進行樁頭破除。鋼管樁圍堰構造平面如圖3所示。

圖3 鎖口鋼管樁圍堰平面(單位：cm)

3.3 鋼管樁插打

由于地層中含有卵石層和硬質黏土層，振動錘無法使硬質黏土層液化，鋼管樁無法下沉。為使鋼管樁底標高達到設計標高，采用長螺旋鉆機進行引孔，引孔直徑與鋼管樁直徑相同，引孔深度與鋼管樁底標高相同。

鎖口鋼管樁插打利用75t履帶式起重機配合DZ150振動錘進行插打。起重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，將鋼管順導向架插入引孔內。鋼管沉入引孔內穩定后，利用履帶式起重機吊裝振動錘至樁頂夾緊鋼管，復測鋼管樁位及垂直度后開始錘擊，錘擊時注意觀測鋼管垂直度。

第1根鋼管樁沉入后的垂直度影響到整個圍堰其他鋼管樁的垂直度，打入時要緩慢進行，打入到設計深度一半時暫停沉樁，檢查樁身垂直度是否在0.5%以內，如滿足要求則繼續開啟振動錘沉樁，否則拔出重打。鋼管樁圍堰合龍前，在插打至最后4～5根樁時，測量缺口寬度，準確計算出合龍樁的外徑，加工大小合適的鋼管樁運至施工現場插打。

3.4 腰梁及內支撐安裝

圍堰合龍后，在鋼管樁上標出腰梁水平中心線位置，在支撐旁將型鋼托架焊接在鋼管樁上，作為腰梁安裝的支承。將岸上連接好的腰梁型鋼用履帶式起重機吊放到托架上，緊貼鋼管樁并與其焊接，不能緊貼鋼管樁的，在兩者之間加小鋼板焊接。

在腰梁上測設出支撐的安裝位置，并準確測量出每根支撐兩端腰梁間凈距，根據凈距對支撐鋼管下料并將其兩端切割成企口。為使支撐鋼管達到軸心受壓計算條件，企口切割時要保證鋼管軸線和腰梁水平中線重合。用履帶式起重機將支撐吊放到對應位置安裝，腰梁與支撐鋼管端頭直接焊接牢固、腰梁頂面與支撐鋼管間用連接鋼板焊接連接。

3.5 降水井安裝

采用旋挖鉆機從鋼管樁內向下進行旋挖，在鋼管樁內安裝降水井，深度根據降水計算確定。無砂濾管高出河床1m，鋼管樁與濾管之間采用粒徑3～7mm豆石填充。降水井內安放11kVA水泵。

降水井自地面至管底分為3段，上部為實管段，中間為濾管段，自管底以上到濾管段底部為沉淀管段，實管段的鋼管樁與降水井井管之間采用黏土球封填，過濾管段的鋼管樁與降水井井管之間填充砂礫濾料，如圖4所示。

圖4 降水井構造

3.6 鎖口止水

鎖口的止水效果是鎖口鋼管樁圍堰的關鍵環節，因此不僅鎖口的方式需要合理設計，還需要采取可靠的措施對鎖口進行止水處理。

止水的一般方法是在施工過程中用棉花、鋸末加黏土混合物填塞接縫。采用人工的方式將棉絮和黏土混合物塞進鎖口內，注意在填充鎖口時盡量1層棉花1層黏土。用振動錘夾住自制直徑10cm的鋼棒在鎖口內上下來回振動，把棉花和黏土混合物壓實，注意不要將鋼棒插入已經振搗密實的棉花和黏土混合物中。

3.7 圍堰內取土

取土采用履帶式起重機將PC75小型挖掘機和PC220型以上大型挖掘機調入圍堰內，小型挖掘機主要負責將邊角及內支撐下放的土向圍堰中部堆放，大挖掘機負責將土歸攏、堆高，以便于棧橋上的長臂挖機向外取土。當取土深度較深、長臂挖掘機不能滿足取土要求時，采用履帶式起重機配合抓斗取土。

3.8 墊層及承臺施工

墊層混凝土分兩次施工。當取土至最下層腰梁及支撐下方時，取土從一側向另一側施工，當有一半圍堰底標高達到墊層混凝土底標高后，采用汽車泵澆筑第一次半邊圍堰墊層混凝土。當圍堰內剩余部分取土達到墊層混凝土底標高后，澆筑剩余墊層混凝土。墊層混凝土澆筑時在圍堰四周設置集水溝，并在4個角設置集水井。

墊層施工完成后，檢查墊層混凝土高程及平整度。對基底及承臺高度范圍內鋼管樁進行表面清理。放樣測量承臺平面位置、綁扎鋼筋、安裝模板、預埋鋼塔節段、澆筑承臺混凝土。

4 結語

為解決傳統鎖口鋼管樁圍堰水下封底混凝土施工方法所存在的施工流程復雜、施工周期長、施工造價較高的問題，創新性地提出了無封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工技術。該技術通過在鎖口鋼管樁內設置降水井降水，取消了高水位地層水下封底混凝土工序，實現了基坑干開挖，成功降低了施工難度，縮短了施工周期，且極大節約了施工成本。

西安市建材北路跨灞河橋為陜西省第十四屆全運會重要交通通道，通過無封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工技術創新和應用，為項目順利通車提供了堅實保障，取得了良好的社會效益和經濟效益。