淺談承插式鋼管排樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

■陳德華 ■廈門源昌城建集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361004

筆者結(jié)合某工程項(xiàng)目的不斷探索和實(shí)踐，在常規(guī)鋼管排樁基礎(chǔ)上，依據(jù)上述橋梁施工條件上，成功地改進(jìn)并命名為承插式鋼管排樁圍堰體系，替代了鋼套箱圍堰施工方法。該體系在保障質(zhì)量和安全的前提下，成功地克服了場地不足、工期緊張的困難，同時(shí)節(jié)約了成本。

1 適用條件

如上所述，承插式鋼管排樁圍堰體系有其自身應(yīng)具有的施工條件，總結(jié)如下:

(1)橋梁承臺位于常水位以下。

(2)樁基施工過程采用二次筑島圍堰，即先行施工半河道寬范圍內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)，而后施工另一半河道范圍內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)并恢復(fù)之前河道以保障通水，最后全部恢復(fù)河道。

(3)河床水文地質(zhì)條件良好，河床較為平緩，嵌入端為非卵石層(卵石含量大于70%)即可。

2 工藝原理及流程

2.1 工藝原理

在滿足上述施工條件下，依據(jù)工程的水文地質(zhì)件，以擋土、防水為基本原則，在保障基坑開挖時(shí)的安全與穩(wěn)定性前提下，經(jīng)安全計(jì)算，選用三種不同直徑和規(guī)格的鋼管，其中兩個(gè)小直徑管鋼應(yīng)可以互相嵌套。再依據(jù)基坑大小和形狀，采用合適厚度和長度的鋼板在大直徑鋼管將兩個(gè)小直徑鋼管(分別作為承管和插管)焊接在所選用的滿足工況需要的表面合適位置上，形成了一個(gè)單元組件。將單元組件按事先測量的位置，將一組件的插管套入另一組件的承管，依次首尾連接便構(gòu)成了承插式鋼管排樁圍堰主體。其中大直徑鋼管保證了堰體具有滿足施工要求的足夠的強(qiáng)度和剛度，小直徑鋼管和鋼板組成的扣件保證了堰體具有足夠的整體性和密封性，再加上必要的內(nèi)支撐構(gòu)件，組成了一個(gè)較為完美的泥水支擋結(jié)構(gòu)體系。由于扣件之間的縫隙不大，因此施工過程中滲水量很小，甚至不滲水，從而為水中及地下構(gòu)筑物施工創(chuàng)造必要的條件。

2.2 工藝流程

承插式鋼管排樁圍堰體系工藝流程具體如下圖(圖1)所示:

圖1 承插式鋼管排樁圍堰體系施工流程圖

3 設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 圍堰體系設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)原則

(1)在基坑開挖施工之前應(yīng)充分考慮工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、基礎(chǔ)類型、基坑開挖深度、降排水條件、周邊環(huán)境對基坑側(cè)壁位移的要求、基坑周邊荷載、施工季節(jié)、支護(hù)結(jié)構(gòu)使用期限等因素，執(zhí)行國家、地方和行業(yè)現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程的規(guī)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以分項(xiàng)系數(shù)表示的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)為原則，做到因地制宜，因時(shí)制宜，合理設(shè)計(jì)、精心施工、嚴(yán)格監(jiān)控。

(2)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算:

①基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的計(jì)算;

②對于安全等級為一級及對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有限定的二級建筑基坑側(cè)壁，尚應(yīng)對基坑周邊環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行驗(yàn)算;

③地下水控制計(jì)算和驗(yàn)算。

3.1.2 鋼管排樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)確定圍堰體系平面尺寸。根據(jù)構(gòu)筑物實(shí)際尺寸擬定平面尺寸和形狀，以構(gòu)筑物設(shè)計(jì)尺寸為基礎(chǔ)，四周預(yù)留符合要求的工作面及基坑排水空間再加上內(nèi)支撐體系所占用的空間，以此作為圍堰平面尺寸。

(2)確定圍堰體系豎向尺寸。在熟悉圖紙的基礎(chǔ)上，依據(jù)結(jié)構(gòu)物豎向標(biāo)高及水文地質(zhì)勘察資料及施工期間汛期情況，在確保大于汛期最高水位基礎(chǔ)上，選擇相應(yīng)長度規(guī)格的鋼管和加工長度。

3.1.3 計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)

為提高設(shè)計(jì)精度和效率，同時(shí)為實(shí)施過程中提供必要的數(shù)據(jù)，采用PKPM和理正等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，將不同材料、不同規(guī)格和不同方法等數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)，并不斷優(yōu)化，最終形成符合本工程所需的“額定自由度的單元組件”的管徑、壁厚及內(nèi)支撐位置和形式等內(nèi)容。然后采用CAD軟件，將本工程基坑尺寸和組件寬度錄入CAD中，作現(xiàn)場模擬實(shí)施，并以平面和縱面相結(jié)合，將水文和地質(zhì)資料等最終繪制成有指導(dǎo)性的現(xiàn)場施工圖紙，與此同時(shí)，可最終確定所須單元組件和內(nèi)支撐的數(shù)量，并可提前加工，不會造成材料和時(shí)間上的浪費(fèi)。

3.2 圍堰體系加工

為了便于闡述，本文以筆者所在項(xiàng)目為例，簡要介紹鋼管排樁、圍檁和內(nèi)支撐制作方法。該橋梁工程位于福建省南安市，該橋承臺位于河道常水位之下，此部位河道寬度35.4m，中心水深約1m，流速0.3m/s，河床地質(zhì)為砂卵石層，其中卵石含量20%，采用筑島法施工。

3.2.1 確定鋼管排樁直徑和壁厚以及支撐的主要用材

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)方法步驟計(jì)算，在該項(xiàng)目中大鋼管直徑和壁厚采用D400×6mm的鋼管螺旋加工而成，總長度6m，基坑開挖后上部懸出長度為3m，入土深度3m。在入土端依據(jù)地質(zhì)情況(為砂卵石層)，增焊一圈鋼板，并將端頭加工為可通水錐形，以確保順利入土和入土端鋼管不變形。插管采用D70×8mm無縫鋼管，承管采用D90×8mm無縫鋼管，插管的連扳和承管的加勁肋板采用10mm厚鋼板，圍檁用25a槽鋼焊接，內(nèi)撐桿件采用Ⅰ25A。

3.2.2 單元組件加工

依據(jù)基坑形式，該項(xiàng)目為矩形基坑，除四個(gè)轉(zhuǎn)角的單元組件其承管和插管按90°布置外，其余分別對稱布置在大直徑鋼管的兩側(cè)，軸線相互平行，兩邊滿焊牢固。承管依據(jù)連接板厚度進(jìn)行開口，后直接與大直徑鋼管焊接，并每50cm設(shè)置一道加勁肋板，插管采用10mm厚鋼管(寬40mm)與主管連接，必要時(shí)在承插管的頂部和底部宜做適當(dāng)處理，以便拼裝時(shí)順利就位，具體如圖2所示。

圖2 單元組件設(shè)計(jì)平面圖

3.3 承插式鋼管排樁圍堰體系施工

3.3.1 垂直度和標(biāo)高控制

承插管排樁下沉?xí)r采用兩臺經(jīng)緯儀和一臺水準(zhǔn)儀同時(shí)進(jìn)行沉樁監(jiān)控。其中一臺經(jīng)緯儀安置在圍堰的邊軸線上，另一臺安置在90°夾角方向上，同時(shí)用于監(jiān)控管樁的垂直度和平面位置，水準(zhǔn)儀用于樁頂標(biāo)高控制。在垂直度偏差滿足要求后，啟動振動錘，緩慢沉樁。

3.3.2 施工順序

沉樁應(yīng)由河岸邊往河道中順(逆)時(shí)針方向進(jìn)行，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的編號依次沿圍檁外緣，利用震動錘施打鋼管排樁，打入深度按設(shè)計(jì)深度控制，局部異常部位，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。排樁打入后應(yīng)與圍檁焊接牢固，形成整體。

3.3.3 調(diào)整糾偏

第一根樁下沉必須進(jìn)行準(zhǔn)確的位置和垂直度監(jiān)控。為了不突破額定自由度的伸縮范圍，定位偏差以不超過插管連板長度的一半，垂直度偏差以不超過樁長的0.15%。一般情況下，第一根樁準(zhǔn)確就位后，在施打過程中亦可采用垂直度檢測儀貼在鋼管表面隨時(shí)控制，如果發(fā)現(xiàn)垂直度偏差超過時(shí)，應(yīng)立即停止下沉進(jìn)行糾偏進(jìn)行處理，在偏差在允許范圍內(nèi)時(shí)繼續(xù)下沉。第二根及其以后的排管下沉?xí)r，只要將排管的承管(插管)對準(zhǔn)套住(插入)第一根排管的插管(承管)，慢慢下沉就位即可。

3.4 其他注意事項(xiàng)

3.4.1 基坑開挖

基坑開挖應(yīng)嚴(yán)格遵循之前的施工方案，對于吹砂填筑而筑島平臺因上部含水量不大，可采用挖掘機(jī)挖除;中部土體含水量逐漸增大，可采用高壓水槍配合泥漿泵外排;下部土體因含水量大，可采用空氣吸泥機(jī)進(jìn)行外排，同時(shí)注意向基坑內(nèi)補(bǔ)水。

3.4.2 內(nèi)支撐施工

隨著基坑開挖深度的增加，堰體內(nèi)外的壓力差不斷加大，因此在開挖深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，應(yīng)根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)圖紙的要求在坑內(nèi)相應(yīng)的位置設(shè)置“并聯(lián)工字鋼水平支撐系統(tǒng)”，保證鋼管排樁具有足夠的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，以抵御外側(cè)壓力。并聯(lián)工字鋼水平支撐在設(shè)計(jì)圖紙確定后即可加工，采用16#工字鋼利用鋼板焊接成“II”形式，安裝順序宜先焊接牛腿或支柱，然后安裝圍檁(圈梁)，接著焊接支撐桿件。一般縱向采用整根撐桿，橫向的撐桿、角撐和加勁撐采用短桿，各種構(gòu)件連接處采用環(huán)焊牢固，豎向支撐采用牛腿或支柱和鋼板與撐桿焊接。

4 方法特點(diǎn)

經(jīng)改進(jìn)后承插式鋼管排樁圍堰體系具有如下特點(diǎn):

(1)經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算和工程實(shí)踐，在內(nèi)支撐體系的加強(qiáng)下，該鋼管排樁圍堰剛度較大，密封性好，滲水量小，結(jié)構(gòu)簡單，圍堰內(nèi)支撐較少。

(2)構(gòu)件輕巧，易于制作與拼裝，可根據(jù)需要增加或減少單元組件而形成不同尺寸的矩形基坑，可在不同橋梁下部基坑和不同項(xiàng)目中使用，極大提高了每個(gè)單元組的周轉(zhuǎn)次數(shù)，節(jié)約了成本。

(3)施工便捷，構(gòu)件制作、加工、運(yùn)輸、吊插、下沉等方便靈活。單體重量輕，無需大型施工設(shè)備，施工安全可靠效率高。

5 結(jié)語

本文重點(diǎn)介紹了承插式鋼管圍堰體系的設(shè)計(jì)和實(shí)施環(huán)節(jié)中須注意的問題，但是針對整個(gè)圍堰體系的順利實(shí)施，除了技術(shù)方面保障外，仍須采取多方面的保障措施，如(安全)技術(shù)交底、基坑安全監(jiān)測、勞動力組織等多個(gè)方面，如此才能較好地保證施工質(zhì)量和安全。

同時(shí)，該承插式圍堰體系，經(jīng)多個(gè)市政橋梁工程的實(shí)施工，證明其是一個(gè)綜合性能較高的施工方法，不僅在工期和成本上得到較好的節(jié)約，也在質(zhì)量和安全方面有較好的提高，尤其是在本文所提到的某些特定施工條件下，其優(yōu)點(diǎn)可以較好地發(fā)揮出來，因此，筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和理論，對該方法作一個(gè)總結(jié)，以饗讀者。

［1］李安《路橋工程施工常用數(shù)據(jù)資料與計(jì)算速查手冊》［M］.出版地:北京，當(dāng)代中國出版社，2012年7月.

［2］中華人民共和國交通部JTG_TF50－2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》［S］.出版地:北京，人民交通出版社，2011年6月.

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部GB50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.出版地:北京，中國計(jì)劃出版社，2012年6月.

［4］黃國章《承插式鋼管排樁在橋梁墩臺圍堰施工中的應(yīng)用》［J］.《中國市政工程》2011年第6期.