鎖扣鋼管樁圍堰在深水基坑中的設計與應用

保 濤

（蘭州市政建設集團有限責任公司，甘肅蘭州）

1 項目背景及難點分析

某高速公路特大橋橫跨江面，主橋采用連續剛構，跨徑組合為116 m+220 m+116 m。主橋下部結構采用雙肢薄壁墩，左右幅連體低位承臺，群樁基礎。主墩2#墩位于靠近江岸的水中，水深約5～8 m。相關水文資料顯示，橋址處常水位為202.5 m，枯水期水位為198.m，汛期歷史記錄為218.0 m，汛期為8 月中旬至9 月下旬。2#墩承臺頂設計高程197.58 m，承臺設計尺寸為26.2 m×19.2 m×5.0 m。地質調查測繪及鉆探揭示，圍堰處靠近江岸側由上至下分別為粉質黏土、強風化泥巖、中風化泥巖、中風化泥質砂巖、中風化泥巖；靠近江心側由上至下分別為強風化泥巖、中風化泥巖，地質情況及土層力學指標見圖1 及表1。泥巖裂隙不發且較淺，隔水性較好。根據區內地層巖性組合及地下水賦存條件，橋位區地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖風化裂隙水兩大類。

表1 土層力學指標

圖1 地質及水位情況分布

2#主墩承臺施工難點主要在于以下幾個方面：①2#主墩附近地形陡峭，坡度約20°～50°；②2#主墩承臺位于深水中，圍堰的設計與施工是本工程的重點和難點；③場地狹窄，常規鋼圍堰難以實施。

2 圍堰方案比選

王澤升[1]、閆古龍[2]、楊津[3]結合工程實際，介紹了深水基礎鎖扣鋼管樁圍堰施工技術；嚴杰等[4]、胡浩等[5]介紹了鋼套箱圍堰在深水基礎中的應用。上述研究結果表明，鎖扣鋼管樁圍堰和鋼套箱圍堰在深水基礎中均可成功應用。

（1） 技術層面。圍堰方案技術可行性層面應考慮的因素有：流速、基坑涌水量和圍堰穩定性。查閱資料得知，該江流速約0.4 m/s～0.5 m/s，在該流速情況下兩種圍堰方案均可采用。基坑涌水量可按下式進行評價：

式中：Q 為基坑總涌水量，m3/d；k 為土的滲透系數，m/d；H 為潛水含水層厚度，m；r0為基坑等效半徑，m；S為基坑水位降深，m；b 為基坑中心到河岸的距離，m。

經計算，2#主墩承臺開挖過程中，基坑涌水量Q=158 m3/d，兩種圍堰方案均能滿足要求，但鎖扣鋼管樁圍堰需做好止水措施。穩定性方面，經驗算，鎖扣鋼管樁圍堰和鋼套箱圍堰均能滿足施工需求。因此，兩種圍堰方案在技術層面上均可行。

（2） 其他層面。其他層面應考慮的因素有：現場空間、經濟性、施工進度、水文地質情況。現場空間方面，現場狹小，鋼套箱圍堰方案受場地限制，難以實施；經濟性方面，鋼套箱圍堰總成本約695.5 萬元，鎖扣鋼管樁圍堰總成本約446.35 萬元，成本節約35.84%，鎖扣鋼管樁圍堰更經濟；進度方面，鋼套箱圍堰方案工期受工廠加工、運輸及安裝制約，尤其是在疫情如此嚴峻的情況下，外部因素極不可控，在理想情況下工期約145 d。鎖扣鋼管樁圍堰取決于鋼管樁打入速度，理想情況下工期約123 d，工期至少節約15.17%；水文地質方面，2#主墩處水文、地質等情況能滿足鎖扣鋼管樁施工的要求。

綜合上述情況，最終選擇了鎖扣鋼管樁圍堰方案。目前該承臺已施工完成，施工期間圍堰穩定性良好，止水效果好，成本和進度與預期相符。

3 鎖扣鋼管樁圍堰設計

3.1 鎖扣設計

鎖扣鋼管樁由主管、“C”管和“O”管組成。主管由直徑630 mm,壁厚12 mm 的無縫鋼管制成；“C”管由直徑152 mm，壁厚8 mm 的無縫鋼管從中間對切成“C”形；“O”管由直徑133 mm，壁厚8 mm 的無縫鋼管制成。在一般位置，分別在每根主管兩側對稱焊接“C”管和“O”管；在圍堰的四個角點位置，“C”管和“O”管在主管呈垂直焊接。為確保安裝牢固，在主管和“C”管連接處，縱向每間隔0.5 m 在“C”管兩側對稱焊接一塊加強鋼板。安裝時，每根主管上的“C”管套住“O”管，形成鎖扣，將所有主管連接成一個整體，再在“C”管和“O”管之間的縫隙填充止水材料，防止圍堰外的水滲入圍堰內，止水材料由鋸末、機制砂和水泥按一定比例拌合而成。“C”管和“O”管構造及主管連接見圖2。

圖2 鎖扣鋼管樁一般位置與轉角處連接方式

3.2 鎖扣鋼管樁圍堰設計

設計單根鋼管樁樁長20 m，圍堰平面尺寸為28.725×21.773 m，共設置三層內支撐。圍檁采用雙拼HN700×300H 型鋼，內支撐采用630×10 mm 鋼管。為保證受力均勻，圍檁與鋼管支撐相接觸但貼合不緊密處需采用鋼板支墊緊密，在鋼管樁圍堰上焊接牛腿，上方安裝圍檁，圍檁與鎖扣鋼管樁圍堰間空隙采用混凝土填充。鎖扣鋼管樁圍堰共需鋼材約880 t，工程數量見表2。

表2 鎖扣鋼管樁圍堰工程數量

4 鎖扣鋼管樁圍堰施工

4.1 施工工藝

鎖扣鋼管樁圍堰施工流程：導向架安裝（利用第一層圍檁作為導向架）→沖擊鉆進行圍堰管樁引孔施工→回填碎石土→履帶吊機振動錘就位→鎖扣管樁插打→合龍→圍檁四周與鎖扣鋼管樁縫隙用混凝土填筑密實→澆筑封底混凝土→抽水至第二層鋼支撐圍檁下0.5 m→安裝第二層鋼支撐圍檁→圍檁四周與鎖扣鋼管樁縫隙用混凝土填筑密實→抽水至第三道支撐以下0.5 m→安裝第三層鋼支撐圍檁→圍檁四周與鎖扣鋼管樁縫隙用混凝土填筑密實，圍堰抽水到承臺底→清理封底混凝土，第一次施工2.5 m 承臺混凝土，圍堰內側灌砂至194.78 m，承臺混凝土達到設計強度后澆筑50 cm 厚素砼換撐→換撐砼達到設計強度后拆除第三道支撐與圍檁→第二次施工2.5 m 承臺混凝土，圍堰內側灌砂至承臺頂以下0.5 m，承臺混凝土達到設計強度后澆筑50 cm 厚素砼換撐→施工墩身至205.0 m→回水至第二道支撐以下0.5 m→拆除第二道支撐與圍檁→圍堰內回水至第一道支撐以下0.5 m，拆除第一道支撐與圍檁→拔出鎖扣鋼管樁，完成承臺施工。施工流程見圖3。

圖3 鎖扣鋼管樁圍堰施工工藝流程

4.2 施工期間的監測

鎖扣鋼管樁圍堰主要有水平位移監測和內支撐軸力監測。水平位移監測可采用埋設測斜管進行量測的方法進行監測，內支撐軸力監測可采用應力計進行量測。水平位移和內支撐軸力監測測點布置見圖4。

圖4 圍堰監測點布置

一般情況下，開挖深度不超過三分之一時，可2～3天監測一次；開挖深度大于三分之一且小于三分之二時，可1～2 天監測一次；開挖深度超過三分之二時，應每天監測一次。當出現數據變化較大、惡劣天氣、支護結構異常、荷載增加等情況時，應適當增加監測頻率，并及時分析原因，采取解決的措施，如有必要，人員應及時撤離。

4.3 注意事項

（1） 引孔。由于墩位處沒有覆蓋層，鋼管樁打設處均屬于泥巖。采用一般振動錘無法打設，因此只能引孔后再打設，引孔可以采用旋挖鉆或沖擊鉆。由于在設計鋼棧橋和鉆孔平臺時，未考慮采用旋挖鉆工況，故采用沖擊鉆引孔。與安裝鋼護筒類似，鋼管樁引孔也采用鉆頭直徑為1 m 沖擊鉆盲沖方式引孔。為加快施工進度，在棧橋四周采用多臺鉆機同時打設，引孔深度與鋼管樁打設深度保持一致。

（2） 打設。引孔完成后，在鋼護筒上焊接托架，作為安裝第一層圍檁。先安裝圍檁的目的是可作為打設鋼管樁的導向裝置，所有鋼管樁采用Z90 型振動錘延著圍檁外側打設。打設鎖扣鋼管樁注意事項：①打設應從一點開始，再向兩側展開。嚴禁從中間突然開始，導致后面合龍困難；②嚴格控制鋼管樁打設的垂直度，宜控制在1%以內。如垂直度偏差過大，會導致最后不能完成合龍；③為減少打設時“C”管和“O”管之間的摩擦力，打設前在兩管之間應涂上黃油；④鋼管樁進入泥巖后，要盡量深入，直到貫入度達到規定值為止。

（3） 合龍。合龍一般按從上游向下游合龍的順序進行。合龍前，由于前期累積的誤差，在打設最后一根鋼管樁時，誤差一般都會較大。此時采用常規“C”管和“O”管難以合龍，可用I16 工字鋼代替“O”管焊接在主管上，再插入到“C”管中。為防止此處漏水，可在“C”管與工字鋼形成的空間內填充止水材料。

5 結論

本文以某高速公路特大橋2#主墩承臺施工為背景，介紹了深水基坑鎖扣鋼管樁圍堰設計與施工相關技術要點，并對其建立相關模型和計算，得出如下結論：

（1） 鎖扣鋼管樁圍堰在地形陡峭且場地狹小的泥巖、泥質砂巖地質條件下優勢明顯，具有成本低、工期短等優點。

（2） 鎖扣鋼管樁圍堰應結合現場實際情況進行專門設計，建立模型，并驗算圍堰封底混凝土強度、圍堰結構、內支撐內力及鎖扣焊縫應力等。

（3） 鎖扣鋼管樁圍堰的引孔、打設、合龍、止水及施工監測是成功的關鍵因素，施工時應特別注意。

（4） 該高速公路特大橋2#主墩承臺已成功實施，經核算，相較于鋼套箱圍堰，鎖扣鋼管樁圍堰成本節約249.34 萬元，降低35.84%；工期節約22 d，降低15.17%。除此之外，鎖扣鋼管樁圍堰還具有止水性能好，施工安全風險低等優點，可為其他類似地質條件的橋梁施工提供借鑒。