超大啞鈴形鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)

張 晶

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050)

1 工程概況

武漢青山長(zhǎng)江公路大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋跨布置為100 m+102 m+148 m+938 m+148 m+102 m+100 m，主跨主梁采用整體式鋼箱梁，邊跨采用鋼-混凝土結(jié)合梁，主塔為鋼筋混凝土A形塔。南塔承臺(tái)為啞鈴形，結(jié)構(gòu)如圖1所示，承臺(tái)頂標(biāo)高+12.0 m、厚9 m。承臺(tái)端部為2個(gè)直徑39.5 m 的圓形結(jié)構(gòu)，中間采用系梁連接，系梁寬度為18 m，厚度與承臺(tái)相同，承臺(tái)平面尺寸為98.9 m×39.5 m。承臺(tái)采用C45混凝土，總量為22 127 m3。

圖1 南塔承臺(tái)結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

南塔位于長(zhǎng)江武昌側(cè)自然岸坡上，北側(cè)面臨長(zhǎng)江主航道，墩位范圍內(nèi)河床標(biāo)高在+9.2～+20.5 m范圍內(nèi)，承臺(tái)施工采用鎖口鋼管樁圍堰作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 水文、地質(zhì)情況

2.1 水文情況

本橋在天興洲洲尾跨越長(zhǎng)江，設(shè)計(jì)最高通航水位+26.95 m(20年一遇洪水水位)，最低通航水位為8.33 m；橋址處10年一遇洪水水位為+25.85 m，5年一遇洪水水位為+24.88 m。每年11月1日至次年4月15日(共計(jì)166 d)，水位均低于+16.3 m。

2.2 地質(zhì)情況

南塔墩位處范圍內(nèi)原地面/河床標(biāo)高為+11.4～+20.5 m，自上而下地層分布為粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土、圓礫土層及泥質(zhì)粉砂巖與微弱膠結(jié)砂巖。其中+19 m～-10 m范圍內(nèi)為粉細(xì)砂層，力學(xué)性能較差，承載能力不高。

3 圍堰布置

鎖口鋼管樁圍堰布置呈啞鈴形，平面尺寸101.6 m×44.1 m，圍堰內(nèi)尺寸相對(duì)承臺(tái)邊緣外擴(kuò)1.0 m，以滿足立模及施工需要。由于南塔基礎(chǔ)施工時(shí)處于長(zhǎng)江汛期，施工期水位高；圍堰考慮兩級(jí)控制水位。其中底層承臺(tái)(+3.0～+6.0 m)施工時(shí)最高抽水水位控制在+21.5 m，圍堰最高設(shè)防水位+24.0 m。

圍堰由鎖口鋼管樁、圈梁、聯(lián)結(jié)系和封底混凝土等結(jié)構(gòu)組成。圍堰布置見(jiàn)圖2。

圖2 圍堰總布置圖(單位：高程，m；尺寸，cm)

鎖口鋼管樁主管規(guī)格直徑×壁厚為820 mm×18 mm，陰、陽(yáng)鎖口分別為121 mm×6 mm、152 mm×8 mm鋼管，材質(zhì)均為Q345B。整個(gè)圍堰共需鎖口鋼管樁274根，根據(jù)圍堰插打順序及合龍需要，管樁有6種規(guī)格(主管不變，適當(dāng)調(diào)整鎖口管布置)。鎖口鋼管樁截面見(jiàn)圖3。

圖3 鎖口鋼管樁截面圖(單位：mm)

圍堰共設(shè)置3層圈梁，圈梁均采用箱梁，梁高1.0～1.8 m，梁寬均為1.2 m。圍堰頂、中、底層圈梁撐管及聯(lián)結(jié)系分別采用直徑×壁厚為1 000 mm×16 mm及630 mm×8 mm鋼管。

圍堰封底厚5.0 m，底標(biāo)高-2.0 m。在系梁設(shè)8根輔助樁，輔助樁直徑1.5 m，樁長(zhǎng)40～44 m。

鎖口管樁頂標(biāo)高+22.5 m，頂部(+22.5～+24.5m)預(yù)設(shè)2 m單壁結(jié)構(gòu)，考慮為橋址區(qū)水位超過(guò)+22 m及圍堰度洪時(shí)使用，其余情況暫不安裝。

4 圍堰受力計(jì)算

根據(jù)施工部署，結(jié)合項(xiàng)目水文地質(zhì)條件，采用有限元軟件對(duì)本圍堰進(jìn)行受力計(jì)算，鎖口鋼管樁底部與土體之間施加彈性約束，計(jì)算工況見(jiàn)表1[1]。

表1 圍堰計(jì)算工況 m

通過(guò)計(jì)算，各工況下圍堰結(jié)構(gòu)受力、變形滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]要求；基坑抗隆起等均滿足《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》[3]要求。

5 施工工藝

鎖口鋼管樁采用履帶吊機(jī)輔助打樁錘進(jìn)行插打；管樁插打時(shí)圈梁同步分節(jié)拼裝后逐層取土下放。圈梁安裝到位后，分區(qū)進(jìn)行水下封底，封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后圍堰抽水，同期抄緊管樁與圈梁間縫隙，焊接圈梁間聯(lián)結(jié)系，然后轉(zhuǎn)入承臺(tái)施工。

5.1 鋼管樁加工

5.1.1主管加工

主管采用鋼板卷制后輔以螺旋焊而成，單根管樁長(zhǎng)度33 m。主管與加強(qiáng)板間采用坡口融透焊或單面角焊縫，其中融透焊焊縫質(zhì)量為二級(jí)，角焊縫焊縫質(zhì)量為三級(jí),焊縫應(yīng)逐條檢查，確保加工質(zhì)量。

5.1.2鎖扣管焊接

1) 陽(yáng)鎖口管焊接時(shí)，首先將2根長(zhǎng)30 m、直徑2 cm鋼筋與主管進(jìn)行焊接，鋼筋中心間距為3 cm，再將陽(yáng)鎖扣管與主管進(jìn)行焊接。

2) 陰鎖口與主管采用連續(xù)雙面貼角焊縫連接后，再焊接兩塊加勁板進(jìn)行加強(qiáng)，以保證陰鎖管的整體剛度及連接質(zhì)量。

3) 鎖口管焊接完成后，按要求檢驗(yàn)陰陽(yáng)鎖管的加工質(zhì)量，對(duì)每根陰陽(yáng)鎖管進(jìn)行通過(guò)性試驗(yàn)，確?，F(xiàn)場(chǎng)能正常施打。

5.2 鋼管樁插打

5.2.1插打設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)投入6臺(tái)打樁錘進(jìn)行插打，其中EP400、EP650為偏心力矩?zé)o極可調(diào)振動(dòng)打樁錘，打樁錘具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 打樁錘參數(shù)表

5.2.2插打順序

根據(jù)圍堰布置，管樁分4個(gè)區(qū)域25組插打，設(shè)3個(gè)合龍口，武昌側(cè)跨中位置10.6 m范圍內(nèi)12根管樁暫不插打，以便于土方運(yùn)輸和設(shè)備的進(jìn)出，待圈梁拼裝完成后，再?gòu)闹虚g向兩側(cè)對(duì)稱插打剩余管樁，完成圍堰合龍。鋼管樁插打順序見(jiàn)圖4。

圖4 鎖口鋼管樁插打順序

5.2.3管樁樁插打

管樁插打前先在鎖口上涂抹黃油，為確保定位準(zhǔn)確及垂直度控制，插打時(shí)根據(jù)管樁位置在兩側(cè)插打臨時(shí)管樁，安裝限位橫梁，形成插打?qū)蚣躘4]，鎖口鋼管樁導(dǎo)向插打見(jiàn)圖5。

圖5 鎖口鋼管樁導(dǎo)向插打

插打過(guò)程中控制樁身垂直，確保管樁精確插打并順利合龍。鋼管樁在順圍堰周圈方向及其垂直方向的傾斜度均不大于0.5%。為減少插打偏差積累，每組管樁插打前利用全站儀對(duì)其平面位置進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，對(duì)偏差進(jìn)行組內(nèi)分解，偏差控制在15 mm以內(nèi)，然后在導(dǎo)向架上放出每根管樁的位置，據(jù)此控制管樁插打。

5.3 圈梁安裝

5.3.1基坑開(kāi)挖

圍堰上下游兩圓弧范圍內(nèi)管樁插打完畢后，對(duì)基坑內(nèi)進(jìn)行清理，利用挖掘機(jī)取土至+12.275 m高程處，滿足三層圈梁的拼裝高度，然后在插打剩余管樁同時(shí)進(jìn)行圈梁安裝。

5.3.2圈梁安裝

圈梁采用履帶吊機(jī)分段起吊到位后焊接成整體?？紤]鎖口管樁插打誤差及圈梁的整體下放需要，圈梁與管樁之間預(yù)留15 cm間隙。頂層圈梁直接在+18.0 m處安裝，中層及底層圈梁先支撐在臨時(shí)牛腿上。頂層圈梁安裝完成后在圈梁與管樁之間的間隙采用混凝土抄墊，抄墊高1.2 m，寬0.5 m。

5.3.3吊掛系統(tǒng)

接高8根(上下游圓弧各4根)鉆孔樁鋼護(hù)筒至+23.0 m高程處，安裝吊掛分配梁，每處布置4臺(tái)2 000 kN千斤頂，再利用精軋螺紋鋼筋連接底、中層圈梁組成吊掛系統(tǒng)。

5.3.4中層、底層圈梁下放

在圍堰內(nèi)+20.5 m處搭設(shè)取土平臺(tái)，利用長(zhǎng)臂挖機(jī)在圍堰內(nèi)取土。長(zhǎng)臂挖機(jī)有效作業(yè)深度15m，考慮圍堰內(nèi)水位影響，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖至+11.0 m高程處后改用吸泥方式取土。

開(kāi)挖至+11.0 m時(shí)，同步下放中、底層圈梁，當(dāng)中層圈梁下放至+13.0 m時(shí)，鎖定中層圈梁，完成該圈梁與鎖口鋼管樁之間的抄墊；吸泥至+7.4 m時(shí)，下放底層圈梁至+8.0 m并抄墊。

繼續(xù)吸泥至-2.0 m高程處至封底標(biāo)高，完成吸泥作業(yè)。

5.4 圍堰封底

封底采用C30混凝土，厚度5.0 m，頂標(biāo)高+3.0 m，底標(biāo)高-2.0 m，封底混凝土總量為16 922 m3。

南塔圍堰封底面積3 384 m2，封底面積大，采用隔艙板將圍堰分為兩圓端及中間系梁共3個(gè)艙。封底按先系梁，再上、下游圓端的總體順序進(jìn)行，各分艙自小里程向大里程多點(diǎn)連續(xù)澆筑。

封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，圍堰內(nèi)開(kāi)始抽水，當(dāng)分別抽水至中層及底層圈梁高程時(shí)，采用履帶吊機(jī)安裝圈梁層間聯(lián)結(jié)系。

6 關(guān)鍵控制點(diǎn)

1) 本圍堰由于地質(zhì)情況差、開(kāi)挖深度大、所受荷載大，因此，作為主要受力構(gòu)件的鎖口管樁、圈梁、聯(lián)結(jié)系等，要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工，主要部位的焊縫要逐條檢查。

2) 管樁能否精確插打到位是圍堰及承臺(tái)施工的關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)采用導(dǎo)向架分區(qū)分組插打、分組偏差調(diào)整，減少管樁偏差積累?，F(xiàn)場(chǎng)插打時(shí)切忌振動(dòng)過(guò)大，以免造成樁尖彎卷或鎖口變形，導(dǎo)致拔樁困難或鎖口漏水。

3) 鎖口管樁與圈梁之間的抄墊密實(shí)程度直接影響到整個(gè)圍堰的受力。對(duì)于中頂層圈梁，在圈梁底部及管樁兩側(cè)設(shè)置木模板，利用小料斗澆筑混凝土完成抄墊；對(duì)底層圈梁，通過(guò)頂層、中層圈梁與鎖口管樁之間的縫隙下放水封導(dǎo)管，采用速凝混凝土進(jìn)行抄墊。

4) 圍堰內(nèi)取土?xí)r按照均衡對(duì)稱的原則進(jìn)行，長(zhǎng)臂挖機(jī)取土后要及時(shí)清運(yùn)出現(xiàn)場(chǎng)，避免堆放在圍堰外側(cè)；吸泥取土?xí)r，應(yīng)控制圍堰內(nèi)外泥面高差，圍堰內(nèi)吸泥至+7.4 m之前，應(yīng)將外側(cè)開(kāi)挖至+16.0 m，以避免產(chǎn)生過(guò)大不平衡土壓力。

7 結(jié)語(yǔ)

青山橋南塔承臺(tái)采用啞鈴形鎖口鋼管樁圍堰施工，圍堰施工過(guò)程整體可控，未出現(xiàn)坍塌、隆起及大面積滲水等現(xiàn)象，為承臺(tái)施工提供了良好的作業(yè)空間，安全通過(guò)了2016年長(zhǎng)江特大洪水(橋址區(qū)最高水位+25.72 m)的考驗(yàn)，圓滿完成了南塔基礎(chǔ)既定的施工任務(wù)，可為今后類似項(xiàng)目提供較好的參考。

[1] 王寅峰,吳杰良.武漢青山長(zhǎng)江公路大橋南主墩鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2017(1):99-103.

[2] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50017-2003[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[3] 建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范：YB 9258-97[S].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[4] 李鵬.大型鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)[J].城市建筑,2017(8):285-286.