某公路橋梁項目鎖扣鋼管樁圍堰的換撐技術(shù)探討

黃定波

摘要 鎖扣鋼管樁圍堰作為公路橋梁工程深水承臺施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對保證橋梁承臺施工安全具有重要作用。但由于鎖扣鋼管樁圍堰內(nèi)支撐較多，對承臺施工造成較大干擾，影響施工效率。鑒于此，文章結(jié)合某公路橋梁18#主墩施工實踐，針對鎖扣鋼管樁圍堰換撐技術(shù)展開綜合探究，闡述了工程基本概況及圍堰內(nèi)施工難點，分析了鋼管樁圍堰內(nèi)支撐對施工造成的不利影響，并提出了鎖扣鋼管樁圍堰換撐方案，有效解決了內(nèi)支撐對承臺施工造成的干擾，避免了內(nèi)支撐移位引發(fā)的安全風(fēng)險，提高了圍堰施工質(zhì)量與安全，保證了橋梁承臺施工的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項目；鎖扣鋼管樁圍堰；內(nèi)支撐；導(dǎo)向裝置

中圖分類號 U445.556文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0047-04

0 引言

鋼圍堰是橋梁深水承臺施工主要的擋水設(shè)施，能有效保證承臺施工安全。目前，常用的鋼圍堰形式主要有鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰及鋼管樁圍堰等。鎖扣鋼管樁圍堰主要是采用帶鎖扣的鋼管樁替換鋼板樁，并利用導(dǎo)向裝置沉放至指定位置，可看成是雙壁鋼板樁的拆解重組。其主要優(yōu)勢如下：①具有較強(qiáng)的抗彎能力，能有效減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部支護(hù)設(shè)施，施工方便。②剛度大、穩(wěn)定性高，可強(qiáng)制沉樁，能適用于堅硬地層。③具有鋼板樁及雙壁鋼圍堰的雙重力學(xué)特性。但當(dāng)前對于密實砂卵石地層鋼管樁圍堰施工研究較少，因此，該文結(jié)合實際工程案例，針對公路橋梁項目鎖扣鋼管樁圍堰的換撐技術(shù)展開綜合研究，對提高深水橋梁承臺施工安全，保證橋梁工程建設(shè)順利進(jìn)行具有重要意義[1]。

1 工程概況與施工難點

1.1 工程概況

某公路橋梁工程設(shè)計長度1 239 m，主橋部分橋跨為（126+220+126）m連續(xù)剛構(gòu)橋，其中18#主墩處于河流中央，結(jié)構(gòu)形式為雙肢薄壁墩結(jié)構(gòu)，橫截面為圓端型，基礎(chǔ)尺寸45.0 m×14.5 m×5.0 m。基底深入河床下5.5 m處，全面埋入河床內(nèi)。承臺下部連接25根規(guī)格為φ2.5 m的混凝土灌注樁，樁基進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，深度為30 m。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，經(jīng)綜合研究決定，選用鎖扣鋼管樁圍堰進(jìn)行18#主墩施工。

該橋梁工程18#主墩圍堰平面布置為形狀規(guī)則的長方形，通過4條直線段組成，其尺寸為51.475 m（長）×20.63 m（寬）。鎖扣形式為T-C結(jié)構(gòu)，樁體總數(shù)量為142根，高度14.2 m，平面面積為1 007 m2。具體布設(shè)形式如圖1所示。

1.2 圍堰內(nèi)施工難點

圍檁及內(nèi)支撐構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系是保證鋼管樁圍堰穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素，因此確保圍堰、鋼管樁結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。但由于支撐體系橫跨作業(yè)面上方，給施工帶來較大不便，如承臺基坑開挖、模板安裝及施工材料吊裝等各項工作無法高效開展。實際施工中，為施工方便，降低成本，通常直接將圍檁與內(nèi)支撐焊接在一起，形成整體結(jié)構(gòu)體系，以有效提升結(jié)構(gòu)承載性能，滿足施工需求，但在具體實施時需將內(nèi)支撐先切除，然后再進(jìn)行焊接，施工難度較大，且存在較大安全隱患，極易造成圍堰垮塌等事故，嚴(yán)重威脅施工安全[2]。例如，雙肢薄壁墩施工過程中，圍堰內(nèi)部支撐體系會影響后續(xù)鋼筋及模板工程施工，造成施工無法順利進(jìn)行，因此墩柱施工前應(yīng)將內(nèi)支撐體系拆除，但因圍堰內(nèi)部不能灌水，此種條件下圍堰受到的外部荷載作用顯著增大，極易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。因此，如何有效避免內(nèi)支撐對承臺施工造成的干擾，且保證圍堰結(jié)構(gòu)體系的安全性和穩(wěn)定性，確保承臺施工安全，是該工程鋼管樁圍堰施工面臨的主要難題。

2 施工方案及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圍堰內(nèi)支撐設(shè)置

18#主墩圍堰內(nèi)共布設(shè)兩道支撐：鋼管樁頂面高程295.0 m（高出正常水位1 m），底部高程280.8 m（嵌入基巖30～50 cm）；第一道支撐中心線高程為294.0 m，第二道支撐中心線高程為290.8 m（基礎(chǔ)頂面高程為290.3 m）。內(nèi)支撐選用規(guī)格為φ630 mm×8 mm鋼管，縱向布設(shè)完成后，再設(shè)置橫向支撐，然后采用規(guī)格為3I45 b工字鋼完成與鋼管樁之間的牢固連接，使其成為整體受力結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。具體布置形式如圖2所示。

其中：T型、C型鎖扣分別采用I20a工字鋼和規(guī)格為φ180 mm×6 mm開縫鋼管，鋼管樁為規(guī)格φ720 mm×

10 mm大口徑螺旋鋼管，主要材質(zhì)為Q235b。

2.2 圍堰施工工藝

2.2.1 鉆孔施工

根據(jù)18#主墩地質(zhì)勘查結(jié)果，并結(jié)合試驗樁施工情況，地表以下2～6 m范圍內(nèi)為密實度較高的砂卵石地層。為避免產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，利用旋挖跟管鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆孔施工，孔深至鋼管樁底部設(shè)計高程280.8 m[3]。

2.2.2 鎖扣鋼管樁插打

鎖扣鋼管樁插打應(yīng)按照從上游至下游的順序逐步進(jìn)行。為最大限度地保證首樁定位精準(zhǔn)，并確保垂直度滿足要求，應(yīng)設(shè)置首樁專用定位導(dǎo)向架，其示意圖如圖3所示。定位導(dǎo)向架主要包括上下兩層，上層定位架布置在鋼平臺頂部，下層則布置在水面上方50 cm處，利用型鋼將其連接在鋼管樁之上[4]。針對插打難度較大的部位，可在圍堰內(nèi)部開挖時實施二次插打，保證鋼管樁錨固深度符合規(guī)范要求。

2.2.3 加強(qiáng)樁施工

為有效提升圍堰結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，共布設(shè)加強(qiáng)樁22根。實際施工時通過回旋鉆旋挖成孔，孔底高程為278.00 m，嵌入巖層深度為5.0 m，加強(qiáng)樁采用直徑為60 cm、強(qiáng)度為C35的鋼筋混凝土樁，與鋼管搭接長度為5.0 m。鉆孔完成并清孔合格后下放鋼筋籠，利用導(dǎo)管進(jìn)行水下混凝土灌注。

2.2.4 圍堰合龍

在下游距離河岸較近一側(cè)設(shè)置一個合龍口，間距約3～5根鋼管樁。為保證合龍口鋼管樁與兩側(cè)鋼管樁鎖口緊密咬合，鋼管樁插打時應(yīng)嚴(yán)格控制兩側(cè)樁體頂面高程，確保相互錯開1.0 m左右，以方便圍堰合龍時鎖口鋼管樁安裝，合龍時應(yīng)按照先高后低的順序完成樁體連接[5]。

2.2.5 圍檁及橫撐施工

（1）首道圍檁及支撐施工完畢，應(yīng)及時實施試抽水作業(yè)，以有效確保下道支撐體系的順利施作，且能夠?qū)叩撞糠馑|(zhì)量實施評估，從而科學(xué)確定圍堰內(nèi)部基坑開挖方式。

（2）圍檁結(jié)構(gòu)施工前應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求在鋼管樁表面施焊牛腿，焊接完成后在其上部安裝工字鋼。支撐施作時應(yīng)由上游向下游逐步推進(jìn)，縱橫向支撐應(yīng)同步安裝。

（3）因鋼管樁與圍檁連接面較小，結(jié)構(gòu)體系在遭受外部作用力時極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此應(yīng)在鋼管樁與圍檁型鋼中間填充強(qiáng)度為C25混凝土，以增大有效接觸面積，混凝土填充時應(yīng)嚴(yán)格控制表面高程，確保與工字鋼保持一致[6]。

2.2.6 圍堰內(nèi)基坑施工

（1）圍堰結(jié)構(gòu)體系施工完成后，將挖機(jī)運(yùn)至圍堰底部進(jìn)行堰內(nèi)基坑開挖。

（2）抽水試驗前，應(yīng)先通過長臂挖掘機(jī)對河床實施全面清理。針對深度較大的承臺基坑開挖，因長臂挖掘機(jī)施工范圍有限，當(dāng)開挖至一定深度后，應(yīng)搭建專用施工平臺或?qū)⑼跈C(jī)運(yùn)至堰內(nèi)實施砂卵石開挖。

（3）為有效降低堰內(nèi)支撐體系對機(jī)械施工造成的妨礙，最大限度地保證施工安全，基坑開挖應(yīng)按照由下游向上游分級開挖。

2.2.7 內(nèi)支撐換撐裝置及施工

為減小內(nèi)支撐對施工造成的不利影響，方便鋼護(hù)筒切除、基坑開挖、墩柱施工等，確保圍堰內(nèi)部作業(yè)安全，經(jīng)綜合研究及論證，決定采用鎖扣鋼管樁圍堰內(nèi)支撐換撐技術(shù)對支撐體系實施優(yōu)化處理，并專門制作了內(nèi)支撐導(dǎo)向系統(tǒng)，以方便移動，其主要結(jié)構(gòu)組成包括基底板、導(dǎo)向裝置、銷釘、連接板、拉桿、固定螺栓及臨時鎖定裝置等。此裝置利用與圍檁緊密連接的兩組正交滾輪完成內(nèi)支撐的自由滑移。滾輪主要有橫向設(shè)置和豎向設(shè)置兩種形式，分別與圍檁側(cè)壁和圍檁頂面緊密貼合。其具體組裝工藝如下：

（1）采用螺栓將基底板牢固安裝于內(nèi)支撐上方。

（2）橫向滾輪利用銷釘Ⅰ與構(gòu)件Ⅰ形成整體，并緊密貼合在圍檁上方，防止上下移動，通過圍檁支撐作用使其產(chǎn)生橫向滑移。

（3）豎向滾輪利用銷釘Ⅱ與構(gòu)件Ⅱ形成整體，并與圍檁緊密貼合在一起，防止側(cè)向移動，利用圍檁側(cè)壁支撐作用使其產(chǎn)生側(cè)向位移。

（4）臨時鎖定裝置主要包括伸縮式拉桿、耳板和錨固螺栓三部分構(gòu)成。圍檁側(cè)壁垂直，主要由上、下兩部分組成。伸縮式拉桿利用錨固螺栓與耳板牢固連接，從而完成對內(nèi)支撐體系的加固，保證內(nèi)支撐穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生安全事故。

（5）頂推裝置安裝于基底板中軸線上，包含反力架和千斤頂兩部分，主要作用是對換撐完成后的支撐體系施加預(yù)應(yīng)力作用。

（6）換撐施工前，應(yīng)先放開鎖定裝置，撤銷水平限制。支撐體系移動利用牽引裝置勻速、緩慢移動，到達(dá)指定位置后實施鎖定，避免產(chǎn)生橫向移動。

（7）支撐體系完成復(fù)位后，嚴(yán)格按照計算結(jié)果施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力達(dá)到要求后進(jìn)行牢固固定，并設(shè)置臨時鎖定裝置。

（8）導(dǎo)向裝置利用滾輪與圍檁接觸，顯著降低摩擦作用，放開鎖定裝置后，施加較小的力便能使內(nèi)支撐移動。當(dāng)正式移動時，應(yīng)先松開固定螺帽，消除圍檁側(cè)壁及頂面限制，并通過預(yù)先設(shè)置在圍堰側(cè)壁的反力裝置，利用手拉葫蘆完成內(nèi)支撐移動。同時，其復(fù)位工作仍需通過手拉葫蘆完成[7]。

3 模擬驗算及結(jié)果分析

3.1 施工工況及模擬驗算

鎖扣鋼管樁施工內(nèi)容較多，結(jié)構(gòu)體系受力變化頻繁，具體情況如表1所示。對其受力情況實施模擬驗算，主要檢驗項目包含鋼管樁強(qiáng)度、內(nèi)支撐強(qiáng)度及圍檁強(qiáng)度，并對內(nèi)支撐穩(wěn)定性實施驗算，得到構(gòu)件在各種工況條件下的強(qiáng)度和剛度。

通過ANAYS2012系統(tǒng)構(gòu)建三維有限元分析模型，對圍堰結(jié)構(gòu)體系整體受力情況實施模擬分析，選用beam188梁模塊，分別對鋼管樁、圍檁和支撐體系實施模擬，并在最不利工況下實施驗算。鋼管樁結(jié)構(gòu)體系受力最不利部位為結(jié)構(gòu)與底板混凝土交界處的邊角位置，而圍檁結(jié)構(gòu)其下層受力顯著高于上層，其中最大應(yīng)力分布在下層圍檁角部位置。支撐體系轉(zhuǎn)換前，工況05狀況下，圍堰體系受到的荷載作用最大，該狀況不利于體系轉(zhuǎn)換。支撐體系轉(zhuǎn)換后，工況07狀況下，因支撐體系位置發(fā)生改變，此狀況下承載能力最差。支撐體系轉(zhuǎn)換前后橫撐變化情況如圖4所示。

3.2 模擬結(jié)果及分析

針對工況05、工況07、工況08（工況08未設(shè)橫撐）狀況下的鋼板樁圍堰體系實施強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗算。鋼板樁圍堰水深取11.7 m，水壓力及水土合壓部分分別為5.6 m和6.1 m。嵌固深度取4 m。邊界約束條件為鎖扣鋼管樁嵌固部分鉸接。其具體結(jié)算結(jié)果如表2所示。

通過表2能夠看出：①換撐前、后與拆除支撐后三種工況條件下的等效應(yīng)力值依次為106 MPa、155 MPa、208 MPa（材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f=215 MPa），全部出現(xiàn)在下層圍檁角部位置。②三種工況下最大變形量依次為8.59 mm、17.30 mm、31.2 mm（允許值為35.5 mm），對應(yīng)部位依次為圍堰長邊中間部位、長邊橋墩中間部位鎖扣樁頂部位和圍堰長邊中間部位。③換撐前、后支撐穩(wěn)定系數(shù)分別為7.08和4.27，均大于標(biāo)準(zhǔn)1，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由此可知，換撐前、后各構(gòu)件承載性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因支撐體系轉(zhuǎn)換導(dǎo)致橫撐偏離最佳承載部位，鎖扣鋼管樁圍堰整體承載能力較換撐前有所下降，但仍滿足設(shè)計及規(guī)范要求。內(nèi)支撐換撐時，若預(yù)設(shè)部位不能滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求時，應(yīng)適當(dāng)減小內(nèi)支撐橫向移動距離；若預(yù)設(shè)部位可滿足穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求，則應(yīng)通過“小步快跑”方式對內(nèi)支撐實施調(diào)整。

4 結(jié)語

綜上所述，該公路橋梁工程主橋18#主墩鎖扣鋼管樁圍堰施工時，為減小內(nèi)支撐對施工造成的不利影響，方便鋼護(hù)筒切除、基坑開挖和墩柱施工，確保圍堰內(nèi)部作業(yè)安全，制定了鎖扣鋼管樁圍堰內(nèi)支撐換撐技術(shù)方案，并專門制作了內(nèi)支撐導(dǎo)向系統(tǒng)，科學(xué)、高效地完成了支撐體系轉(zhuǎn)換。該技術(shù)的成功應(yīng)用，給堰內(nèi)基坑土方施工、墩柱施工、材料吊裝等環(huán)節(jié)帶來較大方便，顯著提升了施工效率，有效解決了支撐拆除造成的風(fēng)險，保證橋梁工程建設(shè)的順利完成。

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