欽江五橋主墩鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)研究

馮華月，李明珊

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

在諸多大型橋梁中，為了確保橋梁主墩具有足夠承載能力，深基礎(chǔ)成為眾多橋梁設(shè)計(jì)者的首選。以群樁基礎(chǔ)結(jié)合大體積承臺(tái)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到廣泛推廣、應(yīng)用。不管是水中施工還是陸地施工，群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)位置一般都以盡量靠河岸淺灘為主。對(duì)主墩承臺(tái)的施工，必須解決軟弱地層或者河道淺灘的深基坑支護(hù)問題。鎖口鋼管樁圍堰具有剛度大、插打方便、回收率高、擋土性能好等特點(diǎn)。鎖口鋼管樁圍堰依靠大型振動(dòng)錘即可施工，操作起來比較簡(jiǎn)便，適應(yīng)能力強(qiáng)，在振動(dòng)下沉過程中能有效穿越軟弱地層，插入承載力較高的巖層中以增加腳部的穩(wěn)定性。在軟弱地層或填土質(zhì)量較差的地層中用作圍堰的擋土結(jié)構(gòu)，具有非常好的效果。

然而，鎖口鋼管樁圍堰由于其鎖口的存在，管樁之間的間隙難以消除，且橋梁深基礎(chǔ)大多涉及水中施工，當(dāng)河水深度不大，河道淺灘地層軟弱，開挖深度大的基坑在支護(hù)時(shí)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)又需要有較高的剛度。因而鎖口鋼管樁圍堰配合筑島施工，就成為橋梁深基坑開挖、支護(hù)的重要組合形式，在施工中既能發(fā)揮各自作用，又能消除施工時(shí)的各種不利情況。它們的組合應(yīng)用直接影響到整個(gè)基坑的支護(hù)效果，對(duì)保證工期進(jìn)度也有著關(guān)鍵的作用。本文以欽江五橋?yàn)槔?，介紹鎖口鋼管樁配合筑島圍堰的施工技術(shù)。

1 工程概況

欽江五橋位于欽州市內(nèi)，西接欽州灣大道，東接永福東大街，橋梁橫跨欽江，是欽州市內(nèi)交通的重要橋梁，橋梁設(shè)計(jì)范圍為K0+550.720～K1+063.028，其中主橋長(zhǎng)295 m，主跨135 m，橋型為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，設(shè)計(jì)為雙向六車道，全橋長(zhǎng)512.56 m，寬36.5 m。6#、7#主墩分別位于大橋西、東河岸靠河岸沖刷位置，其中6#主墩承臺(tái)下右側(cè)外角和7#主墩承臺(tái)上右側(cè)外角基本落在河岸中。主墩基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁基為32根φ1.8 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)均為31 m，設(shè)計(jì)混凝土為C45水下混凝土。承臺(tái)頂面標(biāo)高3.87 m，承臺(tái)底標(biāo)高-0.13 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水位1.55 m，墩位附近原測(cè)地面標(biāo)高6.29 m，水深約1～2.5 m，承臺(tái)底標(biāo)高位于常水位以下。主墩承臺(tái)分左右幅，每幅橫橋向長(zhǎng)17.75 m，順橋向長(zhǎng)15.8 m，高4 m，兩幅承臺(tái)關(guān)于橋梁中線對(duì)稱，兩幅承臺(tái)橫橋向凈距1 m。

2 總體施工方案

為了解決橋梁樁基施工場(chǎng)地抵御潮水變化和小規(guī)模漲水對(duì)承臺(tái)的施工風(fēng)險(xiǎn)，故主墩樁基施工采用筑島方案進(jìn)行，承臺(tái)施工采用鋼管樁圍堰。采用黏土填筑島體，構(gòu)筑樁基、承臺(tái)施工平臺(tái)。樁基施工完成后，施工鋼管樁圍堰，開挖承臺(tái)土方，使島體變成上工作平臺(tái)。筑島體頂面標(biāo)高按6.26 m控制，樁基施工完成后進(jìn)一步整平場(chǎng)地把地面標(biāo)高控制在6.00 m左右。迎水面擬按1∶1.75坡度進(jìn)行設(shè)計(jì)放坡填筑，筑島完畢，壓實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求壓實(shí)度后，施工承臺(tái)基坑的鋼管樁圍堰，開挖深度在6.3 m左右，開挖形成圍堰基底寬度比承臺(tái)每邊擴(kuò)大1.6 m左右，基底沿承臺(tái)四周挖排水溝，筑島圍堰體基本是靠河岸外側(cè)，不考慮有機(jī)械行走。筑島占河床面積約142.57 m2，占流水?dāng)嗝娣e約128.64 m2，為河床流水面積的9.9 %。

本圍堰方案采用150根13.5 m長(zhǎng)φ630×10 mm鋼管樁，每個(gè)鋼管樁上焊接L100×100×8 mm角鋼形成陰、陽(yáng)鎖口，角鋼上每隔60 cm焊加強(qiáng)肋。通過振動(dòng)錘把鋼管樁振入承臺(tái)四周土體中，并進(jìn)入一定巖層深度，鎖口陰陽(yáng)相扣，形成封水效果。

圖1 圍堰橫橋向斷面圖

圖2 鋼圍堰施工工藝流程圖

鋼管樁圍堰支護(hù)計(jì)劃深度為13.5 m，超出原地面0.4 m，深入基坑底以下6 m，由于考慮承臺(tái)鋼筋一次性綁扎完成，故僅在基坑底以上5 m的位置設(shè)置一道支撐。圍堰中心位置尺寸為38.5 m(橫橋向)×18.2 m(順橋向)。底部考慮用0.85 m厚C30封底混凝土，以穩(wěn)定基坑底部的四周，封底混凝土上預(yù)留15 cm厚的調(diào)平層，作為基坑底部處理。開挖深度在7.3 m左右，橫橋向預(yù)留1.64 m、順橋向預(yù)留1.69 m的工作空間，用于承臺(tái)模板安裝。同時(shí)圍堰的布置要考慮到樁基靜載試驗(yàn)的要求。

3 筑島實(shí)施

6#墩填筑時(shí)應(yīng)從上游開始，向下游逐步推進(jìn)；7#墩填筑時(shí)應(yīng)從下游向上游推進(jìn)。圍堰尺寸為45 m×25 m，平均高度為6 m。填筑時(shí)用壓路機(jī)分層壓實(shí)，每層厚度根據(jù)實(shí)際情況確定，每層壓實(shí)后承載力不能<0.15 MPa。根據(jù)地形的實(shí)際情況繪制各個(gè)部位的填土斷面，求出筑島工程量，確保承臺(tái)施工時(shí)，能保證承臺(tái)基坑開挖有足夠的范圍，以便后續(xù)施工有足夠空間。

先將土倒在已出水面的堰頭上，順坡送入水中，以免離析造成滲漏，水面以上的填土要分層夯實(shí)；黏土采用自卸車運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)兩臺(tái)挖掘機(jī)、兩臺(tái)裝載機(jī)、一臺(tái)推土機(jī)散料，一臺(tái)壓路機(jī)分層壓實(shí)；為了適應(yīng)水流方向以及可能的回水壓力，圍堰四周邊可略為呈圓弧狀布；島體外部迎水面擬按1∶1.75的坡率放坡，基坑內(nèi)設(shè)鋼管樁圍堰對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，坡頂預(yù)留工作平臺(tái)用以抵抗河流水位變化，筑島部分坡頂不考慮走行設(shè)備，但仍以實(shí)際施工中填土形成的自然坡率控制。

4 鎖口鋼管樁施工

4.1 鎖口鋼管樁加工

所有鋼結(jié)構(gòu)材料都在工廠加工，施工前應(yīng)繪制詳細(xì)的施工圖，必要時(shí)對(duì)加工單位進(jìn)行細(xì)致的技術(shù)交底。具體步驟是：先按圖紙分塊的要求進(jìn)行實(shí)地放樣，放樣尺寸和圖紙相符后，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的材料進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后對(duì)型鋼部分按設(shè)計(jì)圖紙下料加工成半成品；然后對(duì)結(jié)構(gòu)放樣尺寸進(jìn)行定位，每條鋼管在管壁兩側(cè)都應(yīng)彈出兩條象限線，以確定角鋼的焊接位置。焊接工藝應(yīng)該在固定的模架上進(jìn)行，以保證插打鋼管樁時(shí)，鎖扣對(duì)位。鎖扣鋼管樁的所有材料，均從市場(chǎng)購(gòu)買半成品材料，到現(xiàn)場(chǎng)焊接加工，鋼管采用螺旋焊管，確保壁厚達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，所購(gòu)買的各種型鋼也應(yīng)滿足要求，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)焊接，由此形成整個(gè)圍堰。

鋼管樁采用螺旋焊管與4根角鋼焊接而成，所有鋼管樁宜一根成型，盡量避免接長(zhǎng)鋼管樁，若需要接長(zhǎng)鋼管樁，宜采用對(duì)接焊，四周再采用相同質(zhì)材的鋼版進(jìn)行搭接，所有焊縫達(dá)到與母材等強(qiáng)的要求，樁頂部15 cm需加焊1 cm厚鋼板加強(qiáng)，保證振動(dòng)插打過程中管頂不受破壞。

4.2 導(dǎo)向定位、鋼管樁插打

施工前先進(jìn)行鋼管樁的試打，如果入樁順利可以繼續(xù)插打剩余部分的鋼管樁。如果入樁存在困難，則應(yīng)在地面上放樣出鋼管樁的插打范圍，然后采用挖掘機(jī)開槽后再進(jìn)行鋼管樁的施工，開槽時(shí)應(yīng)分段進(jìn)行。由上游開始，兩邊同時(shí)向下游插打，圍堰形狀為矩形結(jié)構(gòu)，故可直接在地面上標(biāo)記號(hào)鋼管樁的中心線位置，直接利用振動(dòng)錘插打鋼管樁。

第一步：樁基施工完成后，進(jìn)一步整平場(chǎng)地，盡量減少對(duì)表面土體的擾動(dòng)。然后放出圍堰的中心線，利用震動(dòng)錘、汽車吊等設(shè)備插打鋼管樁，鋼管樁由一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)，為加快插打速度可以用兩套設(shè)備在橫橋向同時(shí)推進(jìn)。鋼管樁合攏前，應(yīng)提前在剩余5～10根管時(shí)就開始計(jì)算，適當(dāng)調(diào)整鎖扣鋼管樁之間的間距，確保鋼管樁順利合攏。

第二步：在鋼管樁合攏后，可以進(jìn)行基坑的開挖，基坑開挖應(yīng)分層進(jìn)行，當(dāng)基坑開挖至第二道鋼支撐以下0.5 m的位置時(shí)，必須先安裝基坑內(nèi)的鋼圍檁和鋼支撐，才能繼續(xù)開挖基坑內(nèi)土體，在開挖過程中注意觀測(cè)圍堰和基坑四周土體的變形情況。并注意觀察四周的滲水情況，必要時(shí)采取堵水措施。

第三步：基坑開挖至底部后，澆筑封底混凝土，預(yù)留10～20 cm人工清理調(diào)平，然后進(jìn)行底部調(diào)平層的澆筑，如果周圍滲水較大，可以將基坑設(shè)成中間高兩邊稍低，并在四周設(shè)排水溝和集水坑，利用水泵將坑內(nèi)的水抽出。調(diào)平層達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后可以根據(jù)進(jìn)度進(jìn)行承臺(tái)其余工作的施工。

5 鎖口鋼管樁圍堰技術(shù)分析

5.1 鎖口鋼管樁入土深度分析

圍堰施工完成以后先開挖第一層土體，根據(jù)設(shè)計(jì)圖，開挖深度為1.89 m，由于土體具有一定的粘聚力，按照朗金土壓力計(jì)算原理，黏性土的主動(dòng)土壓力上部較小，因此在承臺(tái)基坑內(nèi)的第一次開挖，圍堰受到的土壓力很小，而且圍堰本身剛度較大，不驗(yàn)算第一次挖土對(duì)圍堰受力的影響。圍堰支撐安裝以后，基坑繼續(xù)開挖至基坑底(封底混凝土底部標(biāo)高)，此時(shí)圍堰受到的土壓力最大，工況最不利，因此需要驗(yàn)算開挖至基坑底時(shí)，圍堰受到的土壓力情況，并且分析圍堰的整體受力情況。

填土材料采用黏性土，參考《廣西欽州市欽江五橋工程巖土工程勘察報(bào)告》，圍堰所在土體基本以粉土、淤泥質(zhì)土為主。假設(shè)土的粘聚力為：c=5.0 kN/m2，重度：r=18.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角：φ=20°?？紤]鋼管樁與土的摩擦作用，板樁墻前和墻后的被動(dòng)土壓力分別乘以修正系數(shù)(為安全起見，對(duì)主動(dòng)土壓力不予折減)?；硬捎梅謱娱_挖，澆筑封底混凝土?xí)r應(yīng)根據(jù)滲水情況可以采取局部開挖后立即澆筑封底混凝土的措施，以確保基坑的安全。根據(jù)計(jì)算得出鋼管樁最大入土深度為13.5 m。

圖3 鋼管樁受力分析示意圖

5.2 圍堰整體受力分析

圍堰整體分析采用MIDAS Civil 2013進(jìn)行，鋼管樁、圍檁、支撐等所有構(gòu)件均按梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。鋼管樁受力按圖六分析計(jì)算模擬，鋼管樁底端在P0作用位置為固結(jié)，圍檁與鋼管樁的約束采用一般節(jié)點(diǎn)連接，設(shè)置一定的位移剛度，鋼管樁焊接的角鋼在模型計(jì)算中不予考慮，但是將角鋼受到的荷載折算到鋼管樁梁?jiǎn)卧惺芰Α?/p>

受力分析按兩種工況計(jì)算：工況一，圍堰支撐設(shè)置完成，基坑開挖至封底混凝土底部；工況二，封底混凝土澆筑完成，并拆除設(shè)在中間的支撐。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，所有鋼材均按A3鋼材考慮，最大剪切應(yīng)力為85 MPa，最大彎曲應(yīng)力為145 MPa。

圖4 圍堰分析模型圖

受力工況驗(yàn)算項(xiàng)目計(jì)算值容許值結(jié)果工況一分析組合應(yīng)力93.4MPa145MPa滿足要求剪切應(yīng)力17.9MPa85MPa滿足要求位移17mm50mm滿足要求工況二分析組合應(yīng)力100MPa145MPa滿足要求剪切應(yīng)力14.7MPa85MPa滿足要求位移18mm50mm滿足要求

6 結(jié)語

本工程6#、7#主墩鎖口鋼管樁配合筑島圍堰施工是成功的。通過各種有效的計(jì)算與分析，確保了兩個(gè)鎖口鋼管樁圍堰在使用期間的安全與穩(wěn)定。圍堰過程中均能抽干堰內(nèi)的水，并順利實(shí)施封底混凝土。在承臺(tái)施工期間，本圍堰工程還給檢測(cè)單位提供了一個(gè)安全的環(huán)境，讓本橋主墩樁基靜載試驗(yàn)順利實(shí)施，現(xiàn)如今已順利完成承臺(tái)施工。實(shí)踐證明，整套鎖口鋼管樁及筑島圍堰施工方案切實(shí)可行，并在本工程6#、7#主墩圍堰施工中取得了良好實(shí)施效果，可為同類型工程提供參考。

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