九龍江特大橋2號(hào)水中墩鎖扣鋼管樁圍堰施工

李 剛,李玉凡

(中國水利水電第三工程局有限公司 ，西安 710024)

1 工程概況

南龍快速鐵路北起南平北站，南至贛龍鐵路龍巖站，正線長(zhǎng)度246.55 km，設(shè)計(jì)行車速度200 km/h。九龍江特大橋起于DK194+137.3 m止于DK194+835.470 m，橋梁全長(zhǎng)698.17 m，主橋采用(70+125+70)m雙線連續(xù)梁布置，于DK193+650 m處跨越九龍江，是快速鐵路的關(guān)鍵控制工期項(xiàng)目。2號(hào)墩位于九龍江中心，設(shè)計(jì)承臺(tái)長(zhǎng)×寬×高=17.3 m×15.8 m×5 m，承臺(tái)底部高程157.50 m，下部為16根?2 m樁基。

2 水文、地質(zhì)

2號(hào)墩位于九龍江深水中，施工正常水位高程167.48 m，流速4.74 m/s。河床覆蓋層薄、起伏不平，基巖為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，卵石土厚4～5 m，強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖厚9～10 m，下部為弱風(fēng)化粉砂巖。

3 圍堰選擇

特大橋位處九龍江水面寬、水位淺，河床覆蓋層薄，基巖起伏不平。雙壁鋼圍堰拖運(yùn)、就位困難，鋼板樁現(xiàn)場(chǎng)試打遇基巖受阻，無法打至設(shè)計(jì)深度。經(jīng)多方案比較，鎖扣(即TC)鋼管樁圍堰為可行方案。

4 圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 平面尺寸

考慮承臺(tái)施工所需作業(yè)空間，2號(hào)墩左、右側(cè)和上游側(cè)最小預(yù)留1.5 m，下游側(cè)最小預(yù)留2.5 m，以便布置集水井，結(jié)合鎖扣鋼管樁型號(hào)，圍堰平面尺寸設(shè)計(jì)為21.9 m×19.71 m，見圖1。

4.2 立面尺寸

鋼管樁圍堰頂高考慮設(shè)計(jì)洪水位、波浪超高和設(shè)備作業(yè)高度[1]，計(jì)算定為173.00 m；樁底應(yīng)深入承臺(tái)底部2.5 m，并保證入巖深度不小于0.2 m，確定底部高程為154.70 m，圍堰管樁長(zhǎng)度18.3 m，見圖2。

圖1 圍堰平面布置圖 單位：mm

圖2 圍堰立面圖 單位：高程，m；其它，mm

4.3 TC鋼管樁

TC鋼管樁選用Q235鋼，型號(hào)?530mm×10mm螺旋鋼管制作，每延米鋼管理論重量為128.23 kg/m，單根樁長(zhǎng)度為18.3 m，共114根。用?100 mm×10 mm無縫鋼管和Ⅰ126 mm×74 mm×5 mm工字鋼做TC鎖扣，鎖扣根據(jù)施工需要做成直線連接和轉(zhuǎn)角2種連接，見圖3、4。

4.4 圍堰內(nèi)撐

設(shè)3道圍堰內(nèi)撐，第1道距樁頂5 m，高程168.00 m；第2道距樁頂9 m，高程164.00 m；第3道距樁頂12 m，高程為161.00 m。內(nèi)撐由圍檁、水平撐桿和加勁撐桿組成。圍檁采用Q235，2HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm H型鋼，水平撐桿采用Q235，?630mm×8 mm螺旋鋼管。圍檁下部設(shè)置牛腿，以便架設(shè)支撐系統(tǒng)并承載其自重。

圖3 直線連接管樁鎖扣 單位：mm

圖4 轉(zhuǎn)角連接鎖扣 單位：mm

4.5 止水及封底

(1) 止 水

鎖扣鋼管樁圍堰止水采用石灰和水泥混合的水硬性材料，摻配比為石灰97%、水泥3%。

(2) 封 底

封底混凝土采用C30二級(jí)配混凝土，厚1.5 m[2]。

5 圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 計(jì)算工況

(1) 第1工況：抽水至第1道支撐位置以下1 m處，圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形。

(2) 第2工況：第1層支撐安裝完成后，抽水、開挖至第2道支撐位置以下1 m處，第2層支撐未安裝前，圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形。

(3) 第3工況：第2層支撐安裝完成后，抽水、開挖至第3道支撐位置以下1 m處，第3層支撐未安裝前，圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形。

(4) 第4工況：第3層支撐安裝完成后，抽水、開挖至封底混凝土底部標(biāo)高，圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形。

(5) 封底混凝抗彎強(qiáng)度及抗浮厚度。

5.2 建模計(jì)算

根據(jù)管樁圍堰受力情況，采用有限元軟件midas civil建立三維模型。鎖扣鋼管樁、圍檁和內(nèi)支撐用梁?jiǎn)卧M，封底混凝土采用實(shí)體單元模擬[3]。圍堰承受靜水壓力、動(dòng)水壓力和土壓力。

5.3 計(jì)算結(jié)果

(1) 鋼管樁圍堰最大應(yīng)力在第3層圍檁處，最大應(yīng)力值125.9 MPa，最大變形為19 mm。最大應(yīng)力和最小變形均小于材料允許應(yīng)力和變形，滿足穩(wěn)定要求。

(2) 1.5 m 厚C30混凝土滿足封底抗彎強(qiáng)度和抗浮厚度要求。

6 圍堰施工

6.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→管樁加工→導(dǎo)向架設(shè)置→施工測(cè)量→引導(dǎo)孔施作→ 鋼管樁插打→內(nèi)支撐安裝→抽水開挖→封底堵漏→圍堰成形。

6.2 施工準(zhǔn)備

(1) 施工準(zhǔn)備包括制定施工技術(shù)和施工方案、材料購買、設(shè)備和人員調(diào)配。具體為圍堰施工圖紙和技術(shù)方案已完成，并試打可行；施工設(shè)備、施工材料已運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，并滿足施工需要；作業(yè)人員進(jìn)駐工地。

(2) 施工工藝試驗(yàn)：圍堰施工前，進(jìn)行“直接打入鋼管樁；護(hù)筒+沖擊鉆+TC鋼管樁；護(hù)筒+沖擊鉆+定位鋼管樁+TC鋼管樁”3種打樁工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，“護(hù)筒+沖擊鉆+定位鋼管樁+TC鋼管樁”打樁工藝既能保證鋼管樁的垂直度及鎖扣的有效連接，又能將鋼管樁打至設(shè)計(jì)深度，故采用該施工工藝打鋼管樁。

6.3 管樁加工

(1) 鋼管樁采用在工廠內(nèi)加工，選材為單節(jié)長(zhǎng)12 m的?530 mm×10 mm螺旋鋼管。鋼樁對(duì)接采用坡口焊及焊接補(bǔ)強(qiáng)鋼板，接口焊縫進(jìn)行磨光處理，以保證TC鎖扣順直。

(2) C鎖扣選用?100 mm×10 mm無縫鋼管，T鎖扣選用Ⅰ126 mm×74 mm×5 mm工字鋼，按設(shè)計(jì)焊接成TC鎖扣鋼管樁，鎖扣加工是管樁生產(chǎn)的關(guān)鍵程序，焊接工藝和質(zhì)量應(yīng)滿足規(guī)范要求。焊接完成后應(yīng)進(jìn)行矯正處理，保證鎖扣100%順利通過。

(3) 管樁兩端頭進(jìn)行局部加強(qiáng)，補(bǔ)焊長(zhǎng)度20 cm、厚度10 mm的加強(qiáng)鋼板，以保證TC鋼管樁插打入巖順利，防止樁端和樁頭破裂。

(4) 管樁加工完成，需經(jīng)驗(yàn)收合格，方可運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。

6.4 導(dǎo)向架設(shè)置

經(jīng)測(cè)量放線確定鋼管樁圍堰內(nèi)外設(shè)計(jì)邊線，依據(jù)測(cè)量結(jié)果在鋼棧橋及平臺(tái)支撐上焊接安裝雙層牛腿，然后在牛腿上沿著圍堰內(nèi)外設(shè)計(jì)邊線安裝導(dǎo)向圈梁，兩層圈梁高差不小于2 m，定位架的牛腿和圈梁采用 [200mm×73 mm×7 mm槽鋼。

6.5 施工測(cè)量

在圍堰上、下游一定距離的河岸陸地上設(shè)置控制測(cè)量點(diǎn)。在導(dǎo)向梁安裝之前，用全站儀放出圍堰的內(nèi)輪廓線；管樁插打過程中，用2臺(tái)經(jīng)緯儀前方交匯法控制鋼管樁的垂直度[4]。

6.6 引導(dǎo)孔施作

導(dǎo)向護(hù)筒選用?820 mm×10 mm螺旋鋼管，導(dǎo)向架就位后，用50 t汽車吊車將護(hù)筒吊起，人工輔助將護(hù)筒吊至鋼管樁設(shè)計(jì)位置，并垂直下落，護(hù)筒落至河床時(shí)，先采用沖擊鉆沖孔至設(shè)計(jì)深度，再采用DZ90振沖錘將護(hù)筒打至鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)高。

6.7 鋼管樁插打

(1) 插打順序

鋼管樁先插打左右側(cè)及倒角位置圍堰，再插打上游側(cè)圍堰，最后插打下游側(cè)圍堰，圍堰合攏位置設(shè)置在下游側(cè)中間位置。

(2) 鋼管樁插打

鋼管樁插打機(jī)械選用DZ90型振動(dòng)錘和50 t汽車吊。汽車吊主鉤吊住管樁上口，副鉤吊住下口同時(shí)提升使鋼管樁懸空，然后主鉤繼續(xù)提升直至鋼管樁垂直，松脫副鉤。吊運(yùn)鋼管樁至沉樁位置，使其鎖扣與已沉入鋼管樁的鎖扣TC咬合，從定位架中緩慢下放，直至進(jìn)入河床到不沉自穩(wěn)為止。吊車主鉤吊振動(dòng)錘打樁，至設(shè)計(jì)深度。

(3) 管樁糾偏

首根鋼管樁垂直度會(huì)影響整個(gè)圍堰其它鋼管樁，故首根樁插打要謹(jǐn)慎緩慢進(jìn)行，打至設(shè)計(jì)深度一半時(shí)暫停沉樁，檢查樁身的垂直度是否在0.5%L以內(nèi)，如滿足要求則繼續(xù)沉樁；否則應(yīng)拔出重打。其它的鋼管樁在定位架和鎖扣的共同作用下，一般不會(huì)產(chǎn)生較大偏差，每插打15～20根作一次檢查，保證樁身的垂直度在1%L以內(nèi)即可。

(4) 圍堰合攏

圍堰合攏在插打至最后4～5根樁時(shí)，測(cè)量缺口的寬度，準(zhǔn)確計(jì)算出合攏樁的外徑，加工合適的鋼管樁運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)插打[5]。為避免使用異型樁合攏，當(dāng)鋼管樁兩端相距10～15根樁的距離時(shí)，每打入一根樁，均用經(jīng)緯儀控制其垂直度，若樁身存在偏斜，應(yīng)逐根糾正，分散偏差，調(diào)整合攏。

6.8 內(nèi)支撐安裝

圍堰合攏后，按“先降水后支撐，分層降水分層支撐”的原則進(jìn)行。抽水至第1層內(nèi)支撐位置以下1 m處，在圍堰管樁內(nèi)壁測(cè)量放線圍檁位置，先安裝牛腿，后安裝圍檁，再安裝內(nèi)撐鋼管。牛腿直接焊接在鋼管樁上，再將圍檁放牛腿上，緊貼鋼管樁焊接牢固，準(zhǔn)確量測(cè)每根支撐兩端圍檁間凈距，按凈距下料，焊接安裝，安裝時(shí)應(yīng)保證內(nèi)撐鋼管軸線與圍檁水平中線重合，使支撐鋼管達(dá)到軸心受壓。第2、3層內(nèi)支撐安裝方法同第1層支撐。

6.9 抽水、開挖

圍堰內(nèi)砂卵礫石及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖厚度約9 m，采用分層開挖，逐層降水。每層開挖前，先在圍堰下游側(cè)挖排水泵坑，用潛水泵抽排水。上部砂礫石層采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)直接挖裝；下部風(fēng)化巖石，先用破碎錘破碎，小型挖掘機(jī)挖裝入吊斗，用吊車吊出圍堰，裝入自卸車運(yùn)出。

6.10 封底、堵漏

(1) 封底：封底混凝土采用干法施工，基底標(biāo)高控制在±5 cm，以保證封底混凝土厚度均勻，混凝土澆筑前要先清理樁體與鋼護(hù)筒之間的夾土層。C30二級(jí)配封底混凝土由固定攪拌站拌制，混凝土罐車運(yùn)輸，混凝土汽車泵泵送入倉，封底混凝土一次澆筑至設(shè)計(jì)高程[6]。

(2) 堵漏：采用石灰與水泥混合而成的水硬性材料,按水泥∶石灰=3∶97進(jìn)行摻配，自鎖扣上口灌入鎖扣。

7 圍堰效果

7.1 工程效果

(1) 鎖扣鋼管樁圍堰歷時(shí)3.5個(gè)月完成，在后期2號(hào)水中墩施工過程中堰體穩(wěn)定，阻水效果良好，保證了2號(hào)墩干地施工，具體見圖5。

圖5 TC鋼管樁圍堰效果

(2) 鎖扣鋼管樁圍堰比業(yè)主指導(dǎo)性的圍堰施工工期縮短了近6個(gè)月，為2號(hào)水中墩施工贏得了工期，獲得了業(yè)主好評(píng)。

7.2 經(jīng)濟(jì)效益

TC鋼管樁圍堰所用材料均可重復(fù)利用，邊制作邊施工，大幅降低了成本投入，經(jīng)過實(shí)際核算，降低施工成本約270萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

8 結(jié) 語

本工程采用鎖扣(TC)鋼管樁圍堰，無需大型浮運(yùn)設(shè)備，施工安全、快速，工藝成熟，既加快了施工進(jìn)度，又降低了施工成本，圍堰擋水期間穩(wěn)定且無變形，阻水效果良好。在施工過程中采用“護(hù)筒+沖擊鉆+定位鋼管樁+TC鋼管樁”施工工藝,成功解決了TC鋼管樁遇卵礫石層和巖層無法打入問題，同時(shí)采用3%水泥+97%石灰的水硬性混合止水材料，價(jià)格便宜，施工方便，止水效果良好，是鎖扣鋼管樁圍堰止水技術(shù)的突破性進(jìn)展，值得同類工程借鑒。