深水基礎(chǔ)巖層地質(zhì)鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)

王澤升

（中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司 山西太原 030032）

1 工程概況

永州市城南大橋橋址區(qū)域地質(zhì)為淺埋覆蓋層巖層地質(zhì)，主橋施工區(qū)域水深為8 m，主墩承臺全部設(shè)計(jì)為低樁嵌巖承臺。主墩圍堰施工采用鎖口鋼管樁圍堰，圍堰平面尺寸為：長度28.20 m、寬度17.70 m，鎖口鋼管樁頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為98.0 m，鎖口鋼管樁底標(biāo)高為79.68 m，鋼管樁長度為18.32 m，鋼管樁嵌入承臺底巖層錨固深度4.32 m。

橋址區(qū)域卵石層覆蓋較薄，且該區(qū)域以前為湘江上游采砂區(qū)，施工區(qū)域覆蓋層基本全部為大顆粒卵石，卵石層以下地質(zhì)為巖層。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，施工區(qū)域巖面較為傾斜，且施工區(qū)域?yàn)橛乐菔谐鞘幸患夛嬘盟吹?。深水基礎(chǔ)施工環(huán)保要求很高，原設(shè)計(jì)雙壁鋼套箱圍堰施工低樁承臺需要進(jìn)行水下爆破巖層施工，施工成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、工期長，對施工區(qū)域水體影響較大，環(huán)保無法保證。針對此，本文提出了一種方便實(shí)用的鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)［1］。

2 工藝原理

深水基礎(chǔ)淺埋覆蓋巖層地質(zhì)鎖口鋼管樁圍堰施工工藝原理如下：

（1）圍堰鎖口鋼管樁采用T-C型鎖口［2］，主管采用φ529×10 mm螺旋管，鎖口陰頭為φ168×8 mm無縫鋼管，陽頭均為 20b型鋼，大小鋼管兩側(cè)采用豎向加勁板加固并與連接的鋼管全部滿焊。

（2）圍堰采用普通螺旋鉆機(jī)引孔，粉砂質(zhì)泥巖包裹鉆頭，連續(xù)鉆進(jìn)幾乎無進(jìn)尺。通過兩項(xiàng)創(chuàng)新，鉆桿上增加高壓注水管和更換合金鋼鉆頭且在鉆頭上開小孔，解決了長螺旋鉆機(jī)在巖層地質(zhì)圍堰施工引孔的技術(shù)難題。

（3）改進(jìn)型長螺旋鉆機(jī)引孔施工過程中，鉆頭容易向已成孔較軟的一側(cè)發(fā)生偏鉆。通過研究分析，在相鄰已成孔的孔內(nèi)下放630鋼護(hù)管可防止發(fā)生偏鉆現(xiàn)象，有效保證了鉆孔成孔質(zhì)量。

（4）圍堰內(nèi)支撐體系施工采用“分層抽水，分層安裝內(nèi)支撐”的施工工藝，第一層和第二層內(nèi)支撐間距為3 m，第二層和第三層、第三層和第四層支撐間距為2.5 m［3］。施工過程中通過嚴(yán)格控制每次抽水深度確保圍堰支撐安裝施工全過程安全［4］。

（5）圍堰內(nèi)外側(cè)采用靜壓和旋噴兩種注漿方法，確保了鋼管樁底部符合完全固結(jié)要求［5］，有效預(yù)防了鋼管樁底部發(fā)生位移和卵石層范圍透水的問題。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

根據(jù)具體地質(zhì)情況以及施工情況，對圍堰施工進(jìn)行了以下三個(gè)方面的創(chuàng)新。

（1）針對圍堰施工區(qū)域覆蓋層淺、覆蓋層下全部為巖層的地質(zhì)情況，采用改進(jìn)型長螺旋鉆機(jī)進(jìn)行引孔施工。通過在鉆頭上面開直徑2 cm小孔，在鉆桿上面增加高壓注水管，解決了鉆頭被泥巖包裹、連續(xù)鉆進(jìn)無進(jìn)尺等技術(shù)難題，提高了圍堰樁引孔效率，加快了施工進(jìn)度。

（2）由于施工區(qū)域圍堰止水難度大，采用在圍堰鋼管樁內(nèi)外側(cè)靜壓注漿，在鎖口鋼管樁圍堰外側(cè)卵石層進(jìn)行懸灌注漿，在鋼管樁T-C鎖口內(nèi)填筑棉絮和黏土混合物，有效地解決了鋼管樁圍堰止水問題。

（3）深水鎖口鋼管樁圍堰內(nèi)支撐較密集，堰內(nèi)土石方采用小型挖機(jī)配備破碎錘分段、分層、分塊進(jìn)行開挖，在圍堰東西兩側(cè)馬道上安裝龍門吊軌道，用10 t龍門吊進(jìn)行出渣作業(yè)；外側(cè)馬道上設(shè)置兩級沉淀池將承臺開挖過程中排除的泥漿進(jìn)行沉淀處理，確保達(dá)到施工環(huán)保要求，保護(hù)飲用水源。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鎖口鋼管樁制作

鎖口鋼管樁采用T-C型鎖口，鋼管樁主管采用φ529×10 mm Q235B螺旋管，鎖口陰頭為φ168×8 mm無縫鋼管，鎖口陽頭均為 20b型鋼［6］，大小鋼管兩側(cè)采用豎向加勁板加固并與連接的鋼管全部滿焊。鎖口鋼管樁如圖1所示。

圖1 鎖口鋼管樁示意

4.2 制作導(dǎo)向架確保圍堰線形尺寸準(zhǔn)確

鎖口鋼管樁施工時(shí)為了確保準(zhǔn)確的沉樁位置，采用導(dǎo)向架對其進(jìn)行限制。利用馬道和平臺樁作為導(dǎo)向架的支撐點(diǎn)，在水面以上50 cm處采用 40a型鋼沿圍堰中線兩側(cè)焊接鋼管樁導(dǎo)向架。導(dǎo)向架寬度設(shè)置為84 cm，在工字鋼側(cè)面通長焊接1.25 m×6 m鋼板，防止螺旋鉆在鉆進(jìn)過程中與工字鋼交叉干擾。導(dǎo)向架如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向架

4.3 長螺旋鉆機(jī)引孔施工

淺埋覆蓋層軟巖地質(zhì)螺旋鉆引孔施工采用改進(jìn)型直徑80 cm長螺旋鉆機(jī)在樁基鉆孔平臺和馬道上鉆進(jìn)軟巖至承臺底以下設(shè)計(jì)錨固深度。長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，需在相鄰已成孔（直徑80 cm）的孔內(nèi)利用90振動錘插打φ630 mm鋼護(hù)管，保證鉆進(jìn)時(shí)鉆頭不偏鉆，引孔完成的相鄰孔全部連通無軟巖隔層。

4.4 鋼管樁插打施工

在成孔孔內(nèi)采用90振動錘依次逐根插打φ529鎖口鋼管樁至設(shè)計(jì)錨固深度直至圍堰合龍。在打樁過程中，為保證鋼管樁的垂直度，用全站儀在無導(dǎo)向框限位兩個(gè)方向加以控制；為防止鎖口中心線平面位移，在鋼管樁鎖口處設(shè)卡板，阻止管樁位移，同時(shí)在導(dǎo)向框上預(yù)先計(jì)算出每根管樁的位置，以便隨時(shí)檢查校正。

4.5 圍堰合龍施工

圍堰合龍選擇在角樁附近。為保證鋼管樁圍堰合龍時(shí)兩側(cè)鎖口互相平行，應(yīng)避免使用異型樁進(jìn)行合龍，減小圍堰合龍難度。當(dāng)鋼管樁兩端相距10～15根樁的距離時(shí)，之后每打入1根樁，均須用全站儀控制其垂直度。若樁身存在偏斜，應(yīng)逐根糾正，分散偏差，調(diào)整直至合龍。

4.6 圍堰止水堵漏

（1）鎖口填充止水堵漏

為防止圍堰抽水、開挖時(shí)鋼管樁鎖口處漏水，施工過程中采用黏土對全部鋼管樁鎖口進(jìn)行封堵止水處理，對個(gè)別鎖口漏水的地方，潛水員下水用棉布條進(jìn)行塞堵處理。鋼管樁鎖口內(nèi)填筑黏土，每填筑3～4 m，用鋼棒上下來回?fù)魧?shí)處理，直到鋼管樁鎖口內(nèi)黏土填充物頂面標(biāo)高高出設(shè)計(jì)水位0.5 m。

（2）圍堰內(nèi)、外側(cè)注漿

圍堰注漿材料采用普通硅酸鹽水泥＋雙液速凝灌漿材料（摻量10%）。

為防止鎖口鋼管樁底部發(fā)生透水，利用XY-100型地質(zhì)鉆機(jī)在圍堰鋼管樁外側(cè)卵石層范圍進(jìn)行旋噴注漿，在圍堰168mm小管內(nèi)外側(cè)進(jìn)行靜壓注漿施工。高壓旋噴樁鉆孔孔距0.8m，距圍堰管距離為0.5 m。高壓旋噴注漿深度為超過河床卵石層底標(biāo)高0.5 m。內(nèi)外堰樁采用靜壓注漿，靜壓樁孔距0.8 m，距離圍堰管0.25m，靜壓注漿深度按照圍堰管底標(biāo)高控制。

（3）圍堰四周與河床面接觸處止水處理

由于圍堰第一道支撐和第二道支撐之間間距為3 m，第二、三、四3道支撐之間間距為2.5 m，圍堰分層抽水施作支撐過程中鋼管樁向內(nèi)側(cè)發(fā)生變形，導(dǎo)致鋼管樁和已注漿固結(jié)的河床面之間產(chǎn)生3～5 cm的縫隙。橋址區(qū)域水深8 m，水壓大，縫隙內(nèi)透水嚴(yán)重，導(dǎo)致無法繼續(xù)向下抽水施工圍檁支撐。采用向圍堰四周回填黏土的方法，成功解決了圍堰外圍變形縫透水的問題。

4.7 抽水施作圍堰內(nèi)支撐

圍堰抽水至第一道支撐牛腿位置，開始安裝第一道圍檁和內(nèi)支撐。圍檁和內(nèi)支撐安裝采用吊車抬吊，手拉葫蘆輔助安裝準(zhǔn)確就位。先將牛腿牢固焊接到鋼管樁上，然后用吊車將現(xiàn)場已經(jīng)拼裝好的型鋼圍檁架立在牛腿上，然后把牛腿、圍囹、鋼管樁牢固焊接成一個(gè)整體，圍堰圍檁焊接牢固后安裝φ630×10 mm內(nèi)支撐鋼管；圍堰剩余各層內(nèi)支撐施工方法同第一層內(nèi)支撐施工。共設(shè)置4道內(nèi)支撐。

4.8 基坑開挖

堰內(nèi)基坑采用XR30-8小型挖機(jī)與10 t龍門吊配合開挖。基坑內(nèi)土方通過龍門吊和料斗吊運(yùn)至基坑外馬道上面，由渣土車運(yùn)至指定地點(diǎn)。深基坑開挖面距離深基坑底面20 cm時(shí)，采用人工開挖至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高，防止擾動原狀土體。

4.9 圍堰監(jiān)控量測

為確保圍堰抽水、圍堰內(nèi)支撐安裝、承臺深基坑開挖及墩柱施工時(shí)內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換過程中圍堰結(jié)構(gòu)安全，對主橋11#墩鎖口鋼管樁圍堰內(nèi)支撐鋼管進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。在主橋11#圍堰第二層、第三層和第四層內(nèi)支撐鋼管上安裝應(yīng)變片，施工過程中根據(jù)特定工況進(jìn)行內(nèi)支撐應(yīng)力監(jiān)測［7］。理論計(jì)算內(nèi)支撐組合最大應(yīng)力為118.9 MPa，所有內(nèi)支撐桿件應(yīng)力均小于118.9 MPa，施工全過程圍堰結(jié)構(gòu)安全可靠。

5 質(zhì)量控制

（1）測量班利用全站儀在圍堰四周馬道上準(zhǔn)確測量放樣出長螺旋鉆機(jī)引孔的具體樁位。

（2）利用長螺旋鉆機(jī)引孔過程中必須嚴(yán)格控制鉆孔垂直度，防止引孔鉆進(jìn)發(fā)生偏鉆。

（3）成孔提鉆過程中檢查螺旋鉆桿連接螺栓是否牢固，有無缺少和損壞現(xiàn)象，如有缺少和損壞及時(shí)更換連接螺栓，防止鉆進(jìn)過程中發(fā)生鉆桿在螺栓連接部位扭斷。

（4）利用改進(jìn)型長螺旋鉆機(jī)在粉砂質(zhì)泥巖地質(zhì)引孔鉆進(jìn)過程中必須通過注水管連續(xù)向鉆桿內(nèi)注水，防止鉆頭被泥巖包裹無法鉆進(jìn)。

（5）改進(jìn)型長螺旋鉆機(jī)鉆頭為合金鋼鉆頭，定期對螺旋鉆頭進(jìn)行維修保養(yǎng)。

（6）引孔全過程必須嚴(yán)格按照施工工藝流程在已成孔內(nèi)插入鋼護(hù)管，防止卵石層塌孔及偏鉆。

（7）履帶吊將鋼管樁吊至插點(diǎn)處進(jìn)行插樁，對準(zhǔn)樁與定位樁的鎖口。鎖口涂抹潤滑油，開動液壓機(jī)，夾緊樁，開始沉樁施工［8］。

（8）試開振動錘 30 s左右，停止振動［9］，進(jìn)行鋼管樁垂直度檢查。垂直度檢查無誤后，繼續(xù)進(jìn)行振動錘擊沉樁施工。

（9）打樁至設(shè)計(jì)高度以上40 cm時(shí)，停止振動，振動錘因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定時(shí)間，打樁至孔底設(shè)計(jì)高度［10］。

（10）打樁過程中，用全站儀在無導(dǎo)向框限位兩個(gè)方向加以控制，防止鎖口中心線平面位移。在打樁進(jìn)行方向的鋼管樁鎖口處設(shè)置卡板，阻止管樁發(fā)生位移［11］。

（11）鎖口鋼管樁插打同一截面鋼管樁焊接接頭數(shù)量不超過總數(shù)的50%，接頭上下交錯(cuò)布置。

（12）保證購進(jìn)的圍堰鋼管樁、圍檁工字鋼和內(nèi)支撐鋼管等原材料有生產(chǎn)合格證、檢驗(yàn)試驗(yàn)單，并進(jìn)行嚴(yán)格的清點(diǎn)驗(yàn)收。

6 應(yīng)用實(shí)例

永州市城南大橋工程選址城南大道與金水路平交口，跨湘江西路和湘江東路，順接城南大道，止于城南大道與空港路平交口。橋梁全長1 183.56 m，主橋?yàn)?0 m＋2×120 m＋70 m預(yù)應(yīng)砼矮塔斜拉橋，橋面寬34 m，整幅式單箱五室箱梁截面。主橋橋墩：邊墩8#及主墩9#、10#、11#位于湘江內(nèi)，湘江平均水深8 m。主墩基礎(chǔ)全部采用低樁嵌巖承臺，主墩承臺尺寸為13.7 m×24.2 m×4 m。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，主墩11#承臺施工采用鎖口鋼管樁圍堰作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。主墩11#鎖口鋼管樁圍堰2017年10月1日開始施工，2017年11月25日完成內(nèi)支撐體系施工，歷時(shí)55 d。11#墩鎖口鋼管樁圍堰鋼管樁設(shè)計(jì)數(shù)量114根，總重量456 t。改進(jìn)型長螺旋鉆機(jī)引孔114孔，圍堰注漿342孔。堰內(nèi)基坑開挖卵石層1 225 m3，破碎開挖巖層1 468.8 m3。

7 結(jié)束語

此施工技術(shù)解決了環(huán)保要求高、無法爆破鋼套箱圍堰施工難題，突破了傳統(tǒng)軟土、淤泥地質(zhì)應(yīng)用鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)，為深水基礎(chǔ)淺埋覆蓋層軟巖地質(zhì)內(nèi)低樁承臺圍堰的施工提供了一種新的施工方法。與雙壁鋼套箱圍堰施工相比，施工工期壓縮50%以上，成本節(jié)約40%左右，社會經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由此可見，鎖口鋼管樁圍堰［12］具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。