大型橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰設計施工關鍵技術(shù)研究

摘要 文章分析了大型橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰的應用背景及優(yōu)勢，并以長江中下游某大跨徑橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰為研究對象，以圍堰選型、計算方法、施工關鍵步驟和監(jiān)控手段為主要內(nèi)容，探索了鎖扣鋼管樁圍堰的設計、施工和監(jiān)控關鍵技術(shù)。工程實踐證明，通過合理設計和精確施工，能夠有效控制鎖扣鋼管樁、內(nèi)支撐的變形，進而確保施工安全和周邊建筑物的穩(wěn)定。

關鍵詞 砂性軟基；深基坑；鎖扣鋼管樁圍堰；結(jié)構(gòu)計算；施工技術(shù)；基坑安全監(jiān)控

中圖分類號 U445.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）05-0161-04

0 引言

隨著交通基礎設施建設的不斷推進和發(fā)展，大型橋梁的需求日益增長。為了確保橋梁的穩(wěn)固和安全，基礎通常需要開挖大型深基坑，過程中面臨著復雜的地質(zhì)條件、地下水位的影響、周邊環(huán)境限制等諸多挑戰(zhàn)。因此，深基坑圍堰工程是保障地下工程建設安全的關鍵措施。

鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)作為近年來發(fā)展起來的一種新型深基坑圍堰技術(shù)，具有施工速度快、安全可靠、可重復使用、抗?jié)B性能好等優(yōu)點。針對鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)的研究現(xiàn)狀，主要集中在鎖扣連接方式、圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗?jié)B性能、施工工藝及工程應用等方面。研究人員不斷探索優(yōu)化設計方案、分析圍堰性能、完善施工工藝，并通過工程實踐積累經(jīng)驗。該文以長江中下游某跨江大橋索塔深基坑圍堰設計和施工為依托，開展大型橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰設計施工關鍵技術(shù)的研究。

1 鎖扣鋼管樁圍堰設計關鍵技術(shù)

1.1 地質(zhì)條件與圍堰選型

地質(zhì)條件是決定圍堰選型的重要因素，不同的地質(zhì)條件需要采用不同的圍堰形式，以保證工程的安全性、經(jīng)濟性和施工效率，如表1所示：

此次依托項目位于長江中下游地區(qū)，承臺尺寸為78.7 m×40 m，覆蓋層厚62 m左右，上部為厚10 m左右的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂，中部為厚度30m左右的稍密～密實粉細砂，下部為厚20 m左右的密實粉細砂夾中粗砂。場地頂面高程為+7.8 m，包括硬化層厚度30 cm，開挖深度達到14 m，屬于深基坑施工。從施工場區(qū)地層分布特征來看，基坑開挖后坑壁地層為第一層雜填土、第二層素填土、第三層粉質(zhì)黏土、第四層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第五層粉砂。從施工場區(qū)的位置來看，場區(qū)地下水位較高，在實際開挖過程中如果處理措施不得當，易發(fā)生管涌。

為滿足承臺施工空間的要求，擬定鎖口鋼管樁圍堰壁與承臺預留1.75 m的空間，平面形式與承臺平面形狀相似。鋼管樁采用Φ820×10 mm鋼管，鎖口采用Φ152×8 mm鋼管和Φ133×5 mm無縫鋼的組合形式，經(jīng)焊接組合形成O-C形結(jié)構(gòu)。設置2層圍檁及內(nèi)支撐系統(tǒng)，第一道圍檁中心標高為+4.3m，采用2HN600×200 mm型鋼，內(nèi)支撐采用φ820×10 mm鋼管；第二道圍檁中心標高為+0.3 m，采用3H900×300 mm型鋼，內(nèi)支撐采用φ1 200×14 mm鋼管和3H900×300 mm型鋼。

1.2 計算方法與受力分析

鎖口鋼管樁圍堰各工況采用簡化計算的方式，取周長方向的一個鎖口鋼管樁作為研究對象，支撐處及內(nèi)外土側(cè)壓力為零點作為支點，采用理正深基坑7.0軟件對鋼管樁圍堰進行計算，采用錨桿單元對圍檁支撐進行模擬，坑底混凝土則采用加固土單元模擬[1]。根據(jù)深基坑鎖口鋼管樁圍堰的開挖、封底施工及承臺施工等情況，計算時應考慮各施工的最不利狀況，各工況分析及計算結(jié)果如表2所示：

（1）Ps≤Ep，嵌固段土反力滿足要求。其中，Ps為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力（kN）；Ep為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的被動土壓力合力（kN）。

（2）鋼管樁強度驗算。荷載分項系數(shù)取1.25，則鋼管樁強度驗算如下，可看出符合規(guī)范要求。

（3）圍堰最大位移，符合規(guī)范要求。

1.3 穩(wěn)定性驗算

（1）圍堰整體的穩(wěn)定性驗算采用瑞典條分法，應力狀態(tài)為有效應力法，條分法中的土條寬度為0.4 m。計算得出的滑裂面數(shù)據(jù)如下：圓弧半徑R=28.84 m，圓心坐標X=-5.419 m，圓心坐標Y=13.402 m；整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.739，大于1.35，滿足要求。

（2）圍堰基坑抗隆起計算從支護底部開始，逐層驗算抗隆起的穩(wěn)定性，基坑抗隆起穩(wěn)定性滿足要求。

（1）

（2）

（3）

式中，γm1——鋼管樁內(nèi)側(cè)土容重（kN）；γm2——鋼管樁外側(cè)土容重（kN）；D——鋼管樁嵌固深度（m）；H——基坑深度（m）；φ——內(nèi)摩擦角（°）；C——黏聚力（kPa）。聯(lián)合式（1）、（2）、（3），可求得抗隆起的安全系數(shù)Ks=7.17＞1.8，符合規(guī)范要求。

（3）繞最下道支撐，進行抗傾覆的穩(wěn)定性驗算，如圖1所示。鎖扣鋼管樁圍堰的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按照式（4）計算，工況1～工況5的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別為9.52、4.91、4.61、4.67、4.24，均大于規(guī)范要求的1.25。

（4）

式中，——被動區(qū)抗傾覆作用力矩綜合（kN·m/m）；——主動區(qū)抗傾覆作用力矩綜合（kN·m/m）。

1.4 止水措施的設計

鎖扣鋼管樁的止水措施設計旨在確保圍堰的水密性和施工安全。首先，選擇合適的止水材料是關鍵，常用的材料包括橡膠止水帶、止水密封膠和膨脹止水條，它們可以有效阻止水滲入。其次，優(yōu)化鎖扣設計，采用雙重鎖扣結(jié)構(gòu)和高精度制造，確保連接部位的緊密配合。施工工藝的改進也很重要，如在樁底設置封閉裝置、在連接處注漿，以及嵌縫處理，這些措施能夠增強止水效果。此外，結(jié)合內(nèi)外層圍堰并在鋼管樁外表面涂覆防水涂層，可以提供雙重保護[2]。

2 鎖扣鋼管樁圍堰施工關鍵技術(shù)

2.1 鎖扣鋼管樁的制作與運輸

圍堰主鋼管樁的單根設計樁長22 m，在工廠一次生產(chǎn)成形。為了確保鎖扣鋼管樁的施工質(zhì)量和焊接精度，需采取一系列措施。在現(xiàn)場首先布置定位加工胎具，定位胎具上將Φ820鋼管樁、Φ152鋼管和Φ133鋼管焊成整體（小管樁間焊縫處可預先電焊ф16圓鋼，以利于焊接）。焊接時在模具上將鋼管固定牢靠，采取CO2氣體保護對稱焊、分段退焊等措施以減少焊接變形。主管和鎖口間焊縫采用一面滿焊、另一面間斷焊（每間隔30 cm焊10 cm長焊縫）的形式，其有效焊縫應不小于較小母材的厚度。利用自動切割機將Φ152 mm管樁切口，開口寬度為（60±2）mm，切割時要求切口均勻順直，并將其打磨平整、光滑。

為防止插打過程中下口變形，在鎖口管樁主管下端貼焊10 mm厚的鋼板進行補強，使徑厚比D/t≤40。加工完成后，進行鎖口通過性試驗，并在存放、搬運和起吊時采取防變形和鎖口損壞的措施。焊接部位在深水壓力下的嚴密性通過煤油滲漏法試驗進行檢查，清理并涂白粉漿晾干一面，在另一面涂煤油浸潤，半小時后白粉表面無油漬即為合格[3]。

2.2 鋼管樁插打

（1）插打順序。導向架安裝并復測軸線后，按逆時針方向插打鎖口鋼管樁，順序如下：Y1～Y44、J2、Y45～Y124、J3、Y125～Y168、J4、J169～Y204、J1、Y212～Y248，在Y205～Y211處合龍，完成圍堰插打，如圖2所示。

（2）插打和糾偏。鋼管樁分兩次插打至設計標高，首次插打預留1.4 m高度，用于導向框定位和臨時固定。合龍前將所有鋼管樁二次插打至設計標高。第一根鋼管樁的垂直度影響整個圍堰，需要緩慢下放吊鉤并用錘球檢查其垂直度，滿足要求后繼續(xù)插打。其他鋼管樁在定位架和鎖口作用下的偏差較小，每插打10根后檢查垂直度，保持在1%L以內(nèi)（L為樁長）[4]。

（3）鋼管樁合龍。鋼管樁合龍是關鍵，決定圍堰質(zhì)量和進度。在合龍口兩側(cè)剩7根鋼管樁時，嚴格控制傾斜度。通過測量和經(jīng)驗，預測后幾根樁的傾斜度，逐漸糾正，確保合龍?zhí)庉S向及法向傾斜度控制在0.2%以內(nèi)。合龍點選在長邊中部，測量鋼管樁的底部距離，計算所需根數(shù)，確定插打工藝。合龍時，若兩側(cè)鎖口不平行，則采用千斤頂、滑車組或異型鋼管樁進行調(diào)整。

2.3 基坑開挖與支撐安裝

地面標高為+7.8 m，設計基坑底為-6.715 m，基坑總開挖深度達到14.5 m，擬采用基坑內(nèi)普通挖掘機挖土+長臂挖掘機取土裝車+自卸車運輸?shù)姆绞竭M行地下水以上土方的開挖，采用泵吸+抓斗配合水下開挖。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件、基坑支護結(jié)構(gòu)和場地周邊情況，采用基坑綜合取土施工技術(shù)：基坑頂部至第二層圍檁下方1 m范圍內(nèi)，采用大面積長臂挖掘機、小型挖掘機配合開挖，轉(zhuǎn)運土方；第二層圍檁下方1 m至基坑底部，采用泥漿泵、移動式鋼絲繩抓斗式起重機垂直開挖，長臂挖掘機配合開挖的方式。

基坑開挖前沿鎖口鋼管樁內(nèi)壁開挖1.2 m×2.0 m的溝槽，并在+4.3 m位置放置圍囹，臨時固定于鋼管樁內(nèi)壁。隨后，根據(jù)設計圖紙在鋼管樁上測量放樣牛腿位置，焊接完畢后，使用履帶吊機將圍檁和內(nèi)支撐吊裝至牛腿上，確保圍檁頂面標高齊平，相鄰牛腿間的頂面高差小于5 mm。圍檁安裝前，提前放置半成品圍檁，并焊接吊耳，通過鋼絲繩和卸扣連接。第二層圍囹使用φ28-6x9-1870鋼芯鋼絲繩和8 tD形卸扣，確保吊裝安全。為確保圍檁與鎖口鋼管樁的受力良好，采用墊板支墊和鋼板填充密實縫隙，保證施工質(zhì)量和安全性。

3 施工過程中的監(jiān)測與控制

3.1 監(jiān)測項目與方法

在基坑開挖施工過程中，必須保證周邊土層與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[5]。為此，施工過程中必須通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋，及時調(diào)整和優(yōu)化施工安排。該項目的主要監(jiān)測內(nèi)容分為兩大部分：支護結(jié)構(gòu)體系、周邊土體。

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

鎖扣鋼管樁圍堰監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析是深基坑工程安全的關鍵步驟。首先，通過全站儀、水準儀等設備進行圍堰水平位移、豎向位移、傾斜度、軸力等多項監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集頻率為每日或關鍵施工階段；隨后，對原始數(shù)據(jù)進行校核和整理，利用Excel、Matlab等工具進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析，包括趨勢、差異、異常值和相關性分析；最后，將分析結(jié)果整理成報告，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)、異常情況分析、安全評估及建議措施。根據(jù)分析結(jié)果，可以調(diào)整施工工序、加固結(jié)構(gòu)、優(yōu)化排水系統(tǒng)并實施應急處理，確保工程安全進行。

3.3 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果的調(diào)整措施

根據(jù)深基坑鎖扣鋼管樁圍堰的監(jiān)測結(jié)果，可以采取以下調(diào)整措施以確保施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。首先，根據(jù)地下水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整和優(yōu)化排水系統(tǒng)，以維持圍堰周圍的地下水位穩(wěn)定，減少地下水壓對結(jié)構(gòu)的影響。其次，根據(jù)監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)變形情況，及時設計和加固樁體，采取增加圍堰支撐和加固的措施，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，調(diào)整施工工序和進度，可以延緩或加快施工速度，減少潛在的地基變形或破壞風險。在發(fā)現(xiàn)異常情況時，應立即實施應急處理措施，保障施工區(qū)域和周邊的安全。定期溝通和匯報監(jiān)測數(shù)據(jù)給相關管理層和施工團隊，以確保決策的及時性和有效性[6]。

4 結(jié)語及展望

此次研究長江中下游某跨江大橋索塔深基坑圍堰的設計和施工為依托，通過研究得出以下結(jié)論：

（1）鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)在長江中下游軟土基礎大深基坑工程中具有顯著的優(yōu)勢。通過合理設計和精確施工，能夠有效控制基坑周圍土體的變形，確保施工安全和周邊建筑物的穩(wěn)定。

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)受力可以看出，最下層圍檁承受的彎矩大于頂部圍檁，設計過程中豎直方向圍檁和內(nèi)支撐體系的剛度從上至下逐漸變大。

（3）在鎖扣鋼管樁圍堰設計中，止水措施是需要高度重視的關鍵部分之一，它直接影響圍堰的安全性、長期穩(wěn)定性及運行維護成本。

參考文獻

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