潮汐環(huán)境下瀕臨過河水管的圍堰結(jié)構(gòu)選型及施工

康紅軍

(1.江蘇省地質(zhì)局，江蘇 南京 210018； 2.江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團有限公司，江蘇 南京 210007)

0 引言

常用于河道中圍堰有拉森鋼板樁圍堰和鋼管樁圍堰，拉森鋼板樁圍堰因經(jīng)濟性高、施工便利、速度快等優(yōu)點，廣泛被應(yīng)用于軟土及淤泥厚度大的河床地帶，但由于剛度低導致位移較大，在開挖深度大的圍堰結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生較大位移，進而發(fā)生漏水、支撐失效等安全事故；鋼管樁圍堰采取鎖扣內(nèi)填砂、黏土，剛度大、穩(wěn)定性好，但止水效果差，圍堰有時會大量漏水導致圍堰內(nèi)正在施工的構(gòu)筑物泡水，影響構(gòu)筑物正常施工，另外，鋼管樁圍堰造價較高。

鑒于單一方式圍堰結(jié)構(gòu)無法滿足安全、經(jīng)濟的要求，郭飛等[1-3]在巖溶區(qū)河邊鋼管樁圍堰中提出了用CT型鋼管樁作為近水側(cè)圍堰結(jié)構(gòu)，實踐證明該圍堰結(jié)構(gòu)能夠有效限制土體位移；韋麟等[4-7]研究了OU組合型板樁在地下通道基坑中的應(yīng)用，即由鋼管樁和U型鋼板樁通過齒口連接，成為一種剛度較大，同時具有較好止水效果的組合圍堰結(jié)構(gòu)。以上述圍堰結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用為基礎(chǔ)，作者提出了CT型鎖扣型鋼管樁與拉森鋼板樁結(jié)合的新型圍堰結(jié)構(gòu)，應(yīng)用效果顯示，新型圍堰結(jié)構(gòu)止水效果好、安全性高、成本低。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

某城市跨河大橋全長3 347.51 m，主橋段采用73 m+125 m+67 m的連續(xù)梁型式，兩側(cè)引橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m小箱梁。跨河大橋9號墩、10號墩的24根樁基、4座承臺處于河道內(nèi)，屬水中樁基礎(chǔ)、承臺工程。

跨河大橋所在的河流水流最大流速2 m/s，平均潮汐差1.1 m。9號墩、10號墩承臺為左右分幅錯開雙承臺，單個承臺尺寸為16.1 m×9.5 m，單個承臺之間最近距離為1.15 m。9號墩、10號墩承臺頂標高-0.134 m，底標高-4.134 m，低于河床面7.4 m，低于最高設(shè)計通航水位11.6 m，承臺基坑最大開挖深度14.734 m。

9號墩、10號墩承臺瀕臨一條過河水管，過河水管離承臺最近距離為5.25 m(如圖1所示)。過河水管為DN1 620 mm×16 mm的鋼管，長度為250 m，采用沉管工藝施工，頂部覆土2.5 m～3.0 m，底部采用壓填毛石的地基處理方式，兩側(cè)回填粗砂碎石，管頂以上2 m為壓填毛石。

9號墩、10號墩基坑深度14.734 m，需考慮9號墩左幅、10號墩右幅在基坑開挖過程中對過河水管的影響，需加強圍堰質(zhì)量、穩(wěn)定性，以便保護過河水管，避免水管破壞引起供水中斷。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報告，涉及的巖土層自上而下為：

①-1層雜填土：松軟不均，建筑垃圾、碎磚及碎石為主。

①-2層素填土：褐紅色、淺黃色、灰白色，軟塑～硬塑，可塑為主。

②-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰～黃灰色，軟塑，局部流塑，局部含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

②-2層淤泥質(zhì)黏土：灰色，含少量～多量黏性土，流塑，分布于場地大部分地段。

②-3層粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑，局部可塑，局部夾薄層粉土。

②-4層粉質(zhì)黏土：灰色、褐灰色，可塑，局部軟塑，干強度、韌性中。

③砂質(zhì)粉土：青灰色，飽和，密實，主要礦物成分為石英、長石，云母次之。

④層中粗砂：灰黃色、灰白色，松散～中密，中密為主，含少量黏性土。

由巖土層的特征描述可知：9號墩左幅、10號墩右幅瀕臨過河水管，且場地軟塑、流塑地層發(fā)育，淤泥層較厚，應(yīng)采用剛度較大、防水性較好的圍堰結(jié)構(gòu)，防止圍堰出現(xiàn)較大位移變形導致河床土體向基坑位移，從而對瀕臨的過河水管產(chǎn)生影響。

2 圍堰結(jié)構(gòu)、圍堰樁體形式及圍堰樁沉入方案

結(jié)合跨河大橋場地的工程地質(zhì)條件，從圍堰結(jié)構(gòu)、圍堰樁體形式、圍堰樁沉入方式進行分析，并以此為基礎(chǔ)確定圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)

1)分離式單承臺圍堰。承臺距離較近位置兩排鋼板樁相互錯位施打，板樁間距不得大于15 cm，樁體重疊概率大。由于承臺間極小空間內(nèi)需施打兩排圍堰樁，因此樁體僅可用鋼板樁。兩圍堰貼近處難度極大，板樁插打精確性要求高，允許誤差僅0.15 m，且承臺施工空間剩余0.2 m，一次封底面積185 m2，整體施工效率較低。盡管圍堰整體結(jié)構(gòu)緊密，單個面積較小，形狀對稱四面受壓均勻，整體受力特性較好，但僅用鋼板樁無法滿足保護水管剛度要求(見圖2)。

2)8字型聯(lián)通式圍堰。在兩承臺靠近位置聯(lián)通的“8字型”圍堰，圍堰樁體選擇無限制。施打難度較小，支護樁插打精確性要求低，允許誤差0.5 m，承臺施工空間可達0.5 m，但兩承臺封底需一次性完成，封底面積374 m2，且聯(lián)通處狹窄位置封底混凝土流動困難，封底難度極大，施工效率中等。圍堰墻總長度106 m，形狀不對稱，陰角處樁、圍檁受力集中，受力特性不佳，且一次封底面積過大，封底難度大(見圖3)。

3)8字型接合式圍堰。施工時需精確把控首根陰角位置樁定位精確度，允許誤差0.3 m，承臺施工空間0.3 m，一次封底面積185 m2。整體效率較高，兼具前兩個圍堰結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點。接合式圍堰存在共用樁墻，受力模型類似于分離式圍堰，受力特性優(yōu)良。瀕臨過河水管側(cè)可使用鋼管樁，剛度可滿足要求，圍堰墻總長度109 m(見圖4)。

2.2 圍堰樁體形式

鋼管樁圍堰和鋼板樁圍堰單一的圍堰結(jié)構(gòu)形式均無法滿足跨河大橋項目的質(zhì)量、安全要求，提出采用鋼板樁、鋼管樁結(jié)合的新型圍堰結(jié)構(gòu)(見圖4)，即瀕臨過河水管側(cè)使用鋼管樁、遠離過河水管側(cè)使用鋼板樁，形成組合圍堰結(jié)構(gòu)。使用邁達斯軟件計算承臺基坑開挖全過程，組合圍堰瀕臨過河水管側(cè)最大位移2.6 cm，遠離過河水管側(cè)最大位移8.8 cm，滿足過河水管安全性要求。總用鋼量為1 371 t，由21 m長630 mm×10 mm鋼管樁和21 m長拉森Ⅳ型鋼板樁組合使用[8-11]。

2.3 圍堰樁沉入形式

選擇確定使用鋼管樁和鋼板樁組合圍堰結(jié)構(gòu)后，選擇沉入方式時主要考慮以下出發(fā)點：沉入過程盡量減少對瀕臨過河水管的震動影響；能精確控制鋼管樁和鋼板樁的垂直度、貫入度，可保證沉入至②-4層粉質(zhì)黏土。基于上述出發(fā)點，選擇振拔機，振拔機機械臂與DZ45型振錘連接為整體，在淤泥層靠機頭夾住鋼板樁、鋼管樁，利用機體自重壓沉，黏土層通過振動+靜壓下沉。DZ45型振拔機機身和振錘重28.8 t，激振力380 kN，以壓沉為主，對周邊影響較小，施工精度高，安全性好。

3 圍堰樁施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 內(nèi)支撐

內(nèi)支撐選擇φ630 mm×10 mm鋼管，鋼材規(guī)格Q235，總用量515.2 m，每延米質(zhì)量153 kg，總用鋼量78.83 t。鋼管內(nèi)支撐既能滿足現(xiàn)場施工需求，同時保證圍堰剛度和穩(wěn)定性。

3.2 開挖封底

在抽水開挖并進行3道鋼管內(nèi)支撐安裝后，回灌水進行水下開挖，保證圍堰內(nèi)外側(cè)水壓平衡，挖至封底混凝土底，水下封底后逆向施作第4道支撐，完成圍堰。基坑深度較大時，水下開挖、封底可保證圍堰受壓平衡，在圍堰結(jié)構(gòu)未完善時保證其安全穩(wěn)定，圍堰結(jié)構(gòu)不發(fā)生位移。水下封底因為圍堰內(nèi)外無水頭差，可保證封底混凝土不被管涌沖散，封底過程安全性高，內(nèi)外壓力平衡，對周邊影響較小。

3.3 圍堰鎖扣設(shè)計

選用CT型鎖扣鋼管結(jié)合鋼板(見圖5)。φ630 mm×10 mm鋼管作為圍堰樁主體，通過φ219 mm×10 mm鋼管與Ⅰ20 a工字鋼相互嵌套形成鎖扣，“8字”中間接合部采用拉森鎖扣焊接于主體鋼管，與拉森鋼板樁連接。CT型鎖扣圓管切割間隙僅大于工鋼腹板2 mm～5 mm，插入后較為緊密，且鎖扣空隙較大，可使用包膜材料包裹止水填料加強止水，止水效果較好，鎖扣摩擦小，插打速度快，平均9根/d～12根/d[12-13]。

3.4 圍堰止水方式

當圍堰基坑開挖至河床高度2.5 m以下(第三道支撐位置)，開始對圍堰進行抽水并施作第3道鋼支撐時，需要對圍堰進行止水試驗。通過對比黏土、填塞砂+鋸末和塑料膜包裹級配材料三種止水材料，對比分析在相同工況下的止水效果，最終選取鎖口內(nèi)用塑料膜包裹級配材料(見圖6)，在首次漲潮前平均滲水速率0.047 kg/min，漲潮后滲水速率變化至0.074 kg/min，退潮后降低為0.066 kg/min，可知此法止水效果較好，受潮汐影響極小。

3.5 沉樁限位

在T型扣上沿鋼管長度方向每10 m焊接1塊限位鋼板，精確控制鎖口內(nèi)工鋼翼板與小鋼管開口位置關(guān)系，首根鋼管樁制作成雙C型鎖扣，最后合攏鋼管樁制作成雙T型鎖扣每根樁均用T型鎖扣插入C型鎖扣，保證限位板限位效果(見圖7)。

4 質(zhì)量驗收及保證措施

4.1 圍堰樁質(zhì)量檢查

對鎖扣鋼管樁以及進場的拉森鋼板樁，管徑最大偏差2 mm，長度最大偏差1.5 cm，端部平面與中心線傾斜值最大2 mm，板樁寬度最大偏差9 mm，接長處接頭高差最大2 mm，鎖扣焊縫最小高度9 mm。偏差值均在目標要求值以內(nèi)，合格率100%(見表1)。

表1 圍堰樁質(zhì)量檢查表

4.2 圍堰樁滲水情況檢查

連續(xù)3 d對潮汐環(huán)境下不同水面標高的圍堰漏水情況進行了統(tǒng)計(見表2)。由表2可知：圍堰整體滲水量不大于1.38 m3，且在2 d以后滲水量趨于穩(wěn)定。

表2 圍堰滲水情況統(tǒng)計表

4.3 圍堰樁位移監(jiān)測

從圍堰合攏開始，對現(xiàn)場安裝圍堰設(shè)置位移、沉降監(jiān)測點，并開始進行固定頻率監(jiān)測，位移沉降監(jiān)測頻率在改變圍堰結(jié)構(gòu)的工序(開挖、封底、換撐、拆撐、回填等)進行時為1 d/次，在圍堰結(jié)構(gòu)不改變時為2 d/次，具體監(jiān)測項目見表3。

表3 圍堰監(jiān)測項目統(tǒng)計表

5 經(jīng)濟效益

鋼管樁與鋼板樁結(jié)合方案節(jié)省50%鋼管樁用量，鋼管樁圍堰綜合單價1 869元/t,拉森鋼板樁綜合單價1 455.7元/t。全鋼管樁圍堰鋼管用量1 694.1 t，全鋼管樁圍堰成本1 694.1×1 869=316.6萬元，而鋼管樁和鋼板樁組合圍堰結(jié)構(gòu)，鋼管用量852.3 t，鋼板用量518.7 t，鋼管樁和鋼板樁組合圍堰結(jié)構(gòu)成本：852.3×1 869+518.7×1 455.7=234.8萬元。

兩者對比，節(jié)省成本316.6-234.8=81.8萬元，較全鋼管樁圍堰成本降低約26%，經(jīng)濟效益明顯。

6 結(jié)論

1)對圍堰施工方法的創(chuàng)新改進，在滿足承臺施工要求的同時保護緊鄰的過河水管，拓寬了CT鎖扣型鋼管樁與拉森鋼板樁靈活結(jié)合的使用方法，對水中構(gòu)筑物附近保護施工方法提供了新的實踐參考。

2)鋼管樁、鋼板樁圍堰使用其中任何單一種方法無法滿足在河床地質(zhì)構(gòu)造復雜，淤泥層厚度較大地層施工圍堰樁，文中提到的鎖扣型鋼管樁與拉森鋼板樁靈活結(jié)合為同類地層的圍堰施工提供了可借鑒的方法。

3)在鎖扣鋼管樁圍堰施工過程中提出的鎖扣限位裝置、級配材料止水方法等細節(jié)創(chuàng)新均可廣泛應(yīng)用于鋼管樁圍堰施工中，對現(xiàn)階段圍堰施工方法的進步作出了一定貢獻。