基于深水淺覆蓋層的鎖扣鋼管樁施工技術(shù)研究

【摘要】深水淺覆蓋層的鎖扣鋼管樁圍堰在施工過程中鋼管樁接縫處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不成程度的滲漏情況發(fā)生，對(duì)施工安全及施工進(jìn)度造了很大的影響，通過在鎖扣鋼管樁樁底澆筑混凝土地下連續(xù)墻的方式，可以有效地防止?jié)B漏情況的發(fā)生，對(duì)鎖扣鋼管樁圍堰施工防滲方面具有重大工程意義。本文以九龍湖跨江大橋施工為例，通過理論計(jì)算及數(shù)值模擬等方法對(duì)鎖扣鋼管樁圍堰受力進(jìn)行分析，確定施工方案；在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了一種先插打鎖扣鋼管，然后采用旋挖鉆在鎖扣鋼管內(nèi)引孔、掏渣、擴(kuò)孔、清孔，灌注水下混凝土的鎖扣鋼管樁圍堰施工方法，并總結(jié)了其施工工藝流程。結(jié)果表明此施工方法在深水淺覆蓋層的鎖扣鋼管樁圍堰施工過程中可以有效減少滲水、漏水的情況發(fā)生，大大降低施工成本，縮短工期，可以為類似地質(zhì)條件下的鎖扣鋼管樁圍堰施程提供技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】深水基礎(chǔ)； 淺覆蓋層； 鎖扣鋼管樁； 圍堰施工

【中圖分類號(hào)】U445.55+6A

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃也日益龐大，其中不乏跨江大橋［1］、海底隧道［2］、雪山隧道［3］等施工困難的建設(shè)項(xiàng)目，在此類項(xiàng)目施工過程中，先進(jìn)的工藝工法除了可以給整個(gè)項(xiàng)目節(jié)約較高的施工成本，還可以縮短施工工期，保障整個(gè)線路的施工進(jìn)度。在深水樁基礎(chǔ)圍堰施工中，鎖扣鋼管樁圍堰以其卓越的施工速度及施工成本成本被廣泛應(yīng)用于施工中［4］，但在不同水文及地質(zhì)條件的施工中也暴露出的各種問題，產(chǎn)生了不必要的成本增加，因此對(duì)于各種復(fù)雜情況下的鎖扣鋼管樁圍堰施工工藝的總結(jié)是至關(guān)重要的。

國內(nèi)外許多的專家學(xué)者已經(jīng)在這方面進(jìn)行了許多的有意義的探索。Zhenhong Wu等［5］以臺(tái)州長江公路大橋項(xiàng)目為依托，通過對(duì)施工方案以及監(jiān)測結(jié)果的對(duì)比論證決定采用經(jīng)典方法和M方法相結(jié)合的方式對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，并詳細(xì)介紹了鎖扣鋼管樁圍堰的施工工藝。閆古龍［6］基于西安地鐵十號(hào)線夸渭河大橋項(xiàng)目介紹了厚砂層水中承臺(tái)鎖扣鋼管樁圍巖的施工技術(shù)。周述芳等［7］介紹了鎖扣鋼管樁圍堰與雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰的區(qū)別及各自的適應(yīng)條件，闡述了在復(fù)雜地質(zhì)條件下的鎖扣鋼管樁施工工藝。王凱［8］以象山大橋?yàn)橐劳醒芯亢头治隽松钏A(chǔ)鎖扣鋼管樁圍堰的施工工藝。蔣海濤［9］以川南城際鐵路自貢富順沱江特大橋項(xiàng)目為依托、從圍堰的形式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圍堰下放的方面進(jìn)行研究，提出了鎖扣鋼管樁在淺覆蓋層、傾斜巖面河床條件下的施工技術(shù)。郝學(xué)光［10］以贛深鐵路郭屋村東江特大橋項(xiàng)目為依托，提出了鎖扣鋼管樁與鋼筋混凝土錨固樁組合圍堰的施工方法，取得了良好的阻水性與穩(wěn)定性效果。殷力立［11］以皖河大橋主航道橋工程為依托介紹和分析了鋼圍堰類型的對(duì)比選擇，并針對(duì)特有的復(fù)雜條件下 CO 型鋼管樁圍堰的施工工藝。目前針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的圍堰施工方案主要有鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰三種主要的施工方案，但鎖扣鋼管樁圍堰以其重量輕、強(qiáng)度高、安裝速度快、可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種深水圍堰的施工之中。但隨著隨著使用頻數(shù)的增加，鎖扣鋼管樁圍堰在許多特殊的地質(zhì)情況下效果差強(qiáng)人意，在圍堰鋼管樁接縫處經(jīng)常出現(xiàn)滲水、漏水的情況發(fā)生。

本文基于九龍湖跨江大橋深水淺基礎(chǔ)的工程條件，采用理論計(jì)算得出鎖扣鋼管樁圍堰載荷，并使用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可行性，另外在此基礎(chǔ)上提出了先插打鎖扣鋼管，然后總結(jié)了采用旋挖鉆在鎖扣鋼管內(nèi)引孔、掏渣、擴(kuò)孔、清孔，在鋼管樁底部灌注水下混凝形成混凝土地下連續(xù)墻等一系列防滲漏工藝技術(shù)。工程實(shí)踐證明，采用混凝土地下連續(xù)墻在鋼管樁圍堰底部形成防滲擋墻可以極大地增加圍堰的防水性能，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本，為日后在此類地質(zhì)環(huán)境下施工提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

九龍湖跨江大橋西起三清山大道以西，與撫州大街順接，東至撫生西路以東，與東蓮路順接，其中過江段大橋工程，橫跨贛江之上，主線長度1478 m，跨徑布置（5×50 m）+4×（4×50 m）=1050 m，分主橋和引橋兩部分，主橋跨越贛江。根據(jù)地形地貌、巖土的物理力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等，將九龍湖大橋沿線工程地質(zhì)條件劃分為剝蝕崗地、贛江沖積平原區(qū)及贛江河道區(qū)三個(gè)區(qū)域。南昌市地處鄱陽湖濱湖前后緣地帶，地表水系發(fā)育，贛江主流百年一遇洪水位為24.21 m（圖1）。

2 鎖扣鋼管樁圍堰受力分析以及荷載計(jì)算

2.1 確定計(jì)算工況

根據(jù)施工現(xiàn)場情況以及施工工藝流程本次共設(shè)計(jì)八種工況進(jìn)行受力分析（表1）。

2.2 計(jì)算荷載

經(jīng)對(duì)比54#與55#墩臺(tái)的受力狀況55#墩臺(tái)更為不利，則本次計(jì)算以55#墩臺(tái)為主體進(jìn)行受力分析。經(jīng)地質(zhì)勘察鋼管樁河床以下范圍內(nèi)為淤泥層、砂礫層、強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥砂巖及中風(fēng)化粉質(zhì)泥砂巖，取鋼管樁底（中風(fēng)化巖頂面）為嵌固點(diǎn)，對(duì)作用于鎖口鋼管樁上的土壓力采用水土分算。土層的γ、φ、c值取加權(quán)平均值計(jì)算得：γ=20.92 kN/m3、φ=24.25°、c=10.75 kPa，最終計(jì)算的主動(dòng)土壓力系數(shù)為：0.42，被動(dòng)土壓力系數(shù)：2.39。

結(jié)合施工工期考慮最不利情況，取施工水位為+18.00 m來計(jì)算水流力，計(jì)算得每1 m范圍內(nèi)水流力的大小為11.4 kN，其作用點(diǎn)位于水面以下水深高度的0.3倍處。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 各工況最大彎矩、剪力及嵌入基巖有效深度檢算

鋼管樁擋土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算采用等值梁法進(jìn)行分析，取1 m寬度范圍進(jìn)行計(jì)算。對(duì)各個(gè)工況下的模型進(jìn)行受力分析計(jì)算其最大的應(yīng)力以、嵌固端的反力以及嵌入基巖的有效深度進(jìn)行檢算，由于篇幅有限，本文僅列舉工況一下荷載的計(jì)算過程及結(jié)果（圖2）。

根據(jù)工況一建立的模型計(jì)算出最大彎矩、應(yīng)力以及反力如圖3所示。

通過計(jì)算軟件計(jì)算出的最大彎矩以及最大應(yīng)力計(jì)算最大應(yīng)力σ=100.8 MPalt;140 MPa以及嵌固端的反力400.1 kNlt;2720 kN均滿足規(guī)范要求。利用公式對(duì)樁嵌入基巖有效深度進(jìn)行計(jì)算得出h_r=1.59lt;3.7 m滿足規(guī)范要求。重復(fù)計(jì)算其他七個(gè)工況均滿足。

施工技術(shù)與測量技術(shù)張心純： 基于深水淺覆蓋層的鎖扣鋼管樁施工技術(shù)研究

2.3.2 各內(nèi)支撐圈梁彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力檢算

由于篇幅有限本次僅對(duì)內(nèi)支撐圈梁的第一層圈梁進(jìn)行計(jì)算其計(jì)算模型如圖4所示。根據(jù)其模型計(jì)算其受力及變形圖如圖5、圖6所示。

通過對(duì)內(nèi)支撐圈梁進(jìn)行受力分析計(jì)算其彎曲應(yīng)力以及剪切應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，對(duì)圈梁的鋼管斜撐進(jìn)行檢算得到許用應(yīng)力滿足規(guī)范要求，以此種方法求出第二、三層內(nèi)支撐圈梁滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，即墩臺(tái)的鎖扣鋼管樁圍堰的受力均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，可以進(jìn)行施工。

3 鎖扣鋼管樁圍堰主要施工流程及要點(diǎn)

3.1 鎖扣鋼管插打

對(duì)鎖扣鋼管進(jìn)行插打首先需要測量定位確定鎖扣鋼管樁樁位，定位后為確保鋼管插打的垂直度需要采用工字鋼依托鋼平臺(tái)及支棧橋鋼管樁建立導(dǎo)向架，而后采用型鋼將導(dǎo)向架固定在鋼管樁上確保其穩(wěn)定性，最后采用50 t履帶吊配合DJZ120振動(dòng)錘對(duì)鋼管樁進(jìn)行沉放。

3.2 旋挖鉆引孔、掏渣

在鋼管樁插打完一排后，對(duì)已插打的鎖扣鋼管樁編號(hào)，依托鋼平臺(tái)及支棧橋利用旋挖鉆在已插打完成的鎖扣鋼管內(nèi)部按順序逐根進(jìn)行引孔，采用略低于鎖扣鋼管直徑的鉆頭進(jìn)行引孔，深度至巖層以下至少2 m。由于承臺(tái)范圍內(nèi)河床覆蓋層厚度差異較大，存在以下兩點(diǎn)需要注意：

（1）首次引孔深度根據(jù)平臺(tái)標(biāo)高及鉆桿長度校核是否引孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高，引孔過程每1 m撈取一次鉆渣。

（2）引孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后需要增加取樣頻次，通過對(duì)渣樣分析，確認(rèn)設(shè)計(jì)鋼管底標(biāo)高是否入巖，并繪制出鎖扣鋼管中心軸線位置地質(zhì)剖面圖。對(duì)于未進(jìn)入巖層的鋼管采用振動(dòng)錘復(fù)打，然后繼續(xù)引孔，直至全部鎖扣鋼管引孔至巖面以下2 m。

引孔完成后，通過計(jì)算控制鎖扣鋼管樁頂標(biāo)高，再利用振動(dòng)錘復(fù)打鋼管至基巖面以下20 cm，防止掏渣過程中孔壁坍塌，然后更換掏渣鉆頭進(jìn)行掏渣（圖7）。

3.3 擴(kuò)孔、清孔

在擴(kuò)孔施工時(shí)采用的擴(kuò)孔鉆頭為單獨(dú)定制的擴(kuò)孔鉆頭，其特點(diǎn)為受力后鉆頭中間部分形成擴(kuò)大頭，擴(kuò)大部分1 m， 超出鎖扣鋼管樁直徑近20 cm，可以形成一個(gè)較大的地下空腔，其作用如下：

（1）使鎖扣鋼管擴(kuò)孔后與基巖相互連通，保證在進(jìn)行復(fù)打時(shí)鎖扣可以順利進(jìn)入空腔部分且不會(huì)損傷鎖扣。

（2）在擴(kuò)孔后每根鋼管樁的空腔部位聯(lián)結(jié)成為連續(xù)空腔，進(jìn)行封底混凝土澆灌時(shí)，可以形成混凝土地下連續(xù)墻，混凝土凝結(jié)后地下連續(xù)墻可以有效防止圍堰在鋼管與基巖部分發(fā)生滲漏的情況。

另外在擴(kuò)孔過程中需確保樁孔擴(kuò)大部分有效高度達(dá)到1.5 m。隨著擴(kuò)孔進(jìn)行，同步振沉鋼管，避免擴(kuò)孔鉆頭提升過程中造成卡鉆。擴(kuò)孔完成后，再次更換掏渣鉆頭，撈取孔內(nèi)沉渣，同時(shí)利用氣舉反循環(huán)設(shè)備配合清除孔內(nèi)沉渣，確保封底混凝土施工質(zhì)量（圖8）。

3.4 鋼管內(nèi)封底混凝土灌注

封底混凝土灌注為鎖扣鋼管樁圍堰關(guān)鍵工序，封底成功與否直接關(guān)系到圍堰施工的成敗。傳統(tǒng)工藝為先插打鎖扣鋼管樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后在鋼管內(nèi)灌注封底混凝土，但在擴(kuò)孔完成后，因管底距孔底較近且孔壁與鎖扣鋼管外壁之間空隙較小，極易造成混凝土外翻困難，無法有效填充孔壁與管壁間空隙，從而形成泌水通道。

為保證封底效果，確保基巖、鎖扣鋼管樁、封底混凝土在錨固區(qū)域內(nèi)形成有機(jī)整體，澆灌封底混凝土存在以下要點(diǎn)：

（1）采用翻板拔球法灌注鎖扣鋼管嵌巖段水下混凝土，然后用振動(dòng)錘插打鎖扣鋼管樁到樁底標(biāo)高，確保鎖扣埋入混凝土深度不小于0.5 m。

（2）清孔、灌注鋼管內(nèi)混凝土、鎖扣鋼管樁復(fù)打?yàn)槿齻€(gè)緊密相連工序，鋼管樁的復(fù)打需在混凝土初凝前完成。

（3）由于鎖扣間存在摩阻力，施工過程中如鋼管下沉困難，則需交替插打相鄰幾根鎖扣鋼管樁。

另外為方便施工控制，實(shí)際混凝土頂標(biāo)高為承臺(tái)底標(biāo)高以上2 m。施工過程中嚴(yán)格控制水下混凝土粗骨料粒徑，避免骨料粒徑過大造成鋼管復(fù)打困難，影響封底效果。

4 鎖扣鋼管樁圍堰施工工藝

經(jīng)過對(duì)鎖扣鋼管樁基礎(chǔ)工藝進(jìn)行優(yōu)化并增加新的防滲工藝后，提出了一種先插打鎖扣鋼管樁，然后在鎖扣鋼管內(nèi)引孔、掏渣、擴(kuò)孔、清孔，最后灌注水下混凝土的新型鎖扣鋼管樁圍堰施工方法，其具體施工工藝流程圖如圖9所示。

5 圍堰滲漏處理

在鎖扣鋼管樁圍堰的施工過程中，圍堰的防滲漏處理也是至關(guān)重要的一步，一般情況下圍堰防滲存在以下幾點(diǎn)需要注意：

（1）一般情況下通過鎖扣間咬合以及引孔、灌注混凝土、二次插打基本可實(shí)現(xiàn)圍堰內(nèi)無水狀態(tài)。如若發(fā)生鎖扣漏水的情況，可采取填塞黏土、鋸末等材料預(yù)防處理。

（2）基坑開挖過程中如遇圍堰局部鎖扣鋼管樁入巖深度不足，造成鎖扣位置漏水，首先快速標(biāo)記漏水位置，采用不透水材料回填封堵，檢查滲漏處，并對(duì)圍堰附近覆蓋層進(jìn)行清理，露出堅(jiān)實(shí)巖面，在周圍碼砌沙袋，澆筑水下混凝土，確保混凝土與鎖扣鋼管形成整體，封堵滲漏通道。待混凝土強(qiáng)度滿足要求后，才可挖除基坑內(nèi)填料，繼續(xù)進(jìn)行基坑開挖。

6 結(jié)束語

本文在鎖扣鋼管樁圍堰施工過程中，首先對(duì)鎖扣鋼管樁圍堰整體結(jié)構(gòu)結(jié)合模擬軟件進(jìn)行了理論計(jì)算，然后基于理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合鎖扣鋼管樁一般施工工藝提出了以下三點(diǎn)施工工藝技術(shù)：

（1）在鎖扣鋼管內(nèi)引孔的施工方案可以有效解決深水淺覆蓋層鋼管樁插打困難的問題。

（2）采用定制擴(kuò)孔鉆頭在擴(kuò)孔、澆灌混凝土后形成混凝土地下連續(xù)墻可以有效阻止鋼管樁與基巖連接處發(fā)生滲漏的情況。

（3）采用翻板拔球法灌注鎖扣鋼管嵌巖段水下混凝土，可以有效防止管底距孔底較近、孔壁與鎖扣鋼管外壁之間空隙較小，從而形成泌水通道的情況發(fā)生。

經(jīng)工程驗(yàn)證，本施工工藝相較于傳統(tǒng)鎖扣鋼管樁圍堰施工，加快了施工進(jìn)度，縮短工期，有效解決了深水淺覆蓋層地質(zhì)條件下鎖扣鋼管樁圍堰滲漏問題，為后續(xù)承臺(tái)施工創(chuàng)造了條件。

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