高水位復(fù)雜地層無(wú)封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)*

黎建寧，甄玉杰，李華龍，羅國(guó)龍，盧慧忠

(中建三局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

西安市建材北路(北辰大道—迎賓大道)工程為東西走向，全長(zhǎng)2.318km，為城市主干路。建材北路跨灞河橋主橋采用雙塔空間索面自錨式懸索橋，結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系，矢跨比為1/4.02，跨徑布置為(50+116+300+116+50)m，全長(zhǎng) 632m，加勁梁和橋塔均為鋼結(jié)構(gòu)，鋼箱梁頂板寬56m，橋塔高123m。

橋塔采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)，承臺(tái)順橋方向長(zhǎng) 35.25m，橫橋方向長(zhǎng) 29m，高 5m。承臺(tái)上方設(shè)置塔座，塔座底部尺寸26m×22m，頂部尺寸20m×16m。承臺(tái)下設(shè)置群樁基礎(chǔ)，樁基全部采用直徑 2.5m 鉆孔灌注樁，順橋向設(shè)置6 排，橫橋向設(shè)置 5 排，橫、縱向樁中距均為 6.25m。樁基共計(jì)30 根，樁長(zhǎng) 65m。橋塔基礎(chǔ)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 橋塔基礎(chǔ)構(gòu)造(單位：cm)

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)已完成鉆孔現(xiàn)場(chǎng)鉆探描述、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，擬建場(chǎng)地地基土(勘探深度80.50m范圍內(nèi))自上而下為：人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積砂類土及碎石類土、第四系上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土及砂類土等。

根據(jù)地勘資料，建材北路穩(wěn)定地下水位埋深8.8～19.50m，屬潛水類型。其中橋址區(qū)地表水主要為灞河河水。灞河屬渭河一級(jí)支流，為雨水補(bǔ)給性河流，在橋位區(qū)水流方向呈北西向。灞河流域面積約2 577km2，多年平均徑流量15.636m3/s；年平均最大徑流量33.295m3/s(1983年、1964年)，年平均最小徑流量3.964m3/s(1995年)，百年一遇頻率洪水流量3 300m3/s，橋位處單式斷面，全斷面過(guò)流，該段灞河平均比降約為1.58‰。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

深水承臺(tái)常用的施工方法一般有雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰和鋼管樁圍堰，其中鎖口鋼管樁圍堰綜合了鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰擋水、圍護(hù)特性，截面強(qiáng)度及剛度大、適應(yīng)性強(qiáng)、支撐簡(jiǎn)單方便、施工速度快。鋼管樁圍堰制作、加工、安裝方便靈活，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需大型機(jī)具設(shè)備，同時(shí)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。在特殊地質(zhì)條件下施工方便、造價(jià)低、安裝過(guò)程中不易變形，具有很好的穿透和貫入特性，能適應(yīng)于各種復(fù)雜地層。

對(duì)于高水位地質(zhì)條件，鎖口鋼管樁圍堰一般均需設(shè)置封底混凝土，以抵抗坑底水土壓力和防止坑底突涌。封底施工是鋼圍堰施工的關(guān)鍵工序，但傳統(tǒng)的水下封底混凝土施工方法存在施工流程復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)、施工造價(jià)高的問(wèn)題。

3.1 施工步驟

針對(duì)傳統(tǒng)鎖口鋼管樁圍堰水下封底混凝土施工存在的弊端，以建材北路跨灞河橋?yàn)橐劳?，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，提出一種高水位復(fù)雜地層無(wú)封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工方法，施工步驟如下。

1)步驟1 利用導(dǎo)向架在基坑周圍插打一圈鎖口鋼管樁形成圍堰壁體。

2)步驟2 采用旋挖鉆機(jī)從鋼管樁內(nèi)向下進(jìn)行旋挖，在鋼管樁內(nèi)安裝降水井，如圖2所示。降水井自河床面往下穿越深處隔水層。

圖2 無(wú)封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰示意

3)步驟3 每個(gè)降水井內(nèi)安裝1臺(tái)潛水泵，潛水泵配置自動(dòng)開關(guān)、流量表和出水口。

4)步驟4 將圍堰內(nèi)水位降至基坑底以下，進(jìn)行基坑支護(hù)、開挖、清基至承臺(tái)底部。

5)步驟5 澆筑承臺(tái)底部混凝土墊層，在無(wú)水環(huán)境下完成承臺(tái)施工。

3.2 鋼圍堰設(shè)計(jì)

鋼管樁采用T-C型鎖口鋼管樁，主管采用φ820×10 Q235鋼管，鎖口陰頭為φ180×8鋼管，陽(yáng)頭為I20b。鋼管樁距承臺(tái)邊緣預(yù)留2m間距，方便承臺(tái)施工時(shí)模板安裝。圍堰豎向設(shè)置3層內(nèi)支撐，第1，3層腰梁采用雙拼700×300 H型鋼，對(duì)應(yīng)斜撐、對(duì)撐采用φ609×16 鋼管；第2層腰梁采用三拼700×300 H型鋼，對(duì)應(yīng)斜撐、對(duì)撐采用φ820×10 鋼管。腰梁底部設(shè)置鋼板牛腿支撐。圍堰施工前完成鉆孔灌注樁施工并拆除鋼平臺(tái)，隨后進(jìn)行鋼管樁圍堰工序的施工，墊層施工完成后進(jìn)行樁頭破除。鋼管樁圍堰構(gòu)造平面如圖3所示。

圖3 鎖口鋼管樁圍堰平面(單位：cm)

3.3 鋼管樁插打

由于地層中含有卵石層和硬質(zhì)黏土層，振動(dòng)錘無(wú)法使硬質(zhì)黏土層液化，鋼管樁無(wú)法下沉。為使鋼管樁底標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)進(jìn)行引孔，引孔直徑與鋼管樁直徑相同，引孔深度與鋼管樁底標(biāo)高相同。

鎖口鋼管樁插打利用75t履帶式起重機(jī)配合DZ150振動(dòng)錘進(jìn)行插打。起重機(jī)的主鉤吊住鎖口鋼管樁上口、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，最后松脫副鉤，將鋼管順導(dǎo)向架插入引孔內(nèi)。鋼管沉入引孔內(nèi)穩(wěn)定后，利用履帶式起重機(jī)吊裝振動(dòng)錘至樁頂夾緊鋼管，復(fù)測(cè)鋼管樁位及垂直度后開始錘擊，錘擊時(shí)注意觀測(cè)鋼管垂直度。

第1根鋼管樁沉入后的垂直度影響到整個(gè)圍堰其他鋼管樁的垂直度，打入時(shí)要緩慢進(jìn)行，打入到設(shè)計(jì)深度一半時(shí)暫停沉樁，檢查樁身垂直度是否在0.5%以內(nèi)，如滿足要求則繼續(xù)開啟振動(dòng)錘沉樁，否則拔出重打。鋼管樁圍堰合龍前，在插打至最后4～5根樁時(shí)，測(cè)量缺口寬度，準(zhǔn)確計(jì)算出合龍樁的外徑，加工大小合適的鋼管樁運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)插打。

3.4 腰梁及內(nèi)支撐安裝

圍堰合龍后，在鋼管樁上標(biāo)出腰梁水平中心線位置，在支撐旁將型鋼托架焊接在鋼管樁上，作為腰梁安裝的支承。將岸上連接好的腰梁型鋼用履帶式起重機(jī)吊放到托架上，緊貼鋼管樁并與其焊接，不能緊貼鋼管樁的，在兩者之間加小鋼板焊接。

在腰梁上測(cè)設(shè)出支撐的安裝位置，并準(zhǔn)確測(cè)量出每根支撐兩端腰梁間凈距，根據(jù)凈距對(duì)支撐鋼管下料并將其兩端切割成企口。為使支撐鋼管達(dá)到軸心受壓計(jì)算條件，企口切割時(shí)要保證鋼管軸線和腰梁水平中線重合。用履帶式起重機(jī)將支撐吊放到對(duì)應(yīng)位置安裝，腰梁與支撐鋼管端頭直接焊接牢固、腰梁頂面與支撐鋼管間用連接鋼板焊接連接。

3.5 降水井安裝

采用旋挖鉆機(jī)從鋼管樁內(nèi)向下進(jìn)行旋挖，在鋼管樁內(nèi)安裝降水井，深度根據(jù)降水計(jì)算確定。無(wú)砂濾管高出河床1m，鋼管樁與濾管之間采用粒徑3～7mm豆石填充。降水井內(nèi)安放11kVA水泵。

降水井自地面至管底分為3段，上部為實(shí)管段，中間為濾管段，自管底以上到濾管段底部為沉淀管段，實(shí)管段的鋼管樁與降水井井管之間采用黏土球封填，過(guò)濾管段的鋼管樁與降水井井管之間填充砂礫濾料，如圖4所示。

圖4 降水井構(gòu)造

3.6 鎖口止水

鎖口的止水效果是鎖口鋼管樁圍堰的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此不僅鎖口的方式需要合理設(shè)計(jì)，還需要采取可靠的措施對(duì)鎖口進(jìn)行止水處理。

止水的一般方法是在施工過(guò)程中用棉花、鋸末加黏土混合物填塞接縫。采用人工的方式將棉絮和黏土混合物塞進(jìn)鎖口內(nèi)，注意在填充鎖口時(shí)盡量1層棉花1層黏土。用振動(dòng)錘夾住自制直徑10cm的鋼棒在鎖口內(nèi)上下來(lái)回振動(dòng)，把棉花和黏土混合物壓實(shí)，注意不要將鋼棒插入已經(jīng)振搗密實(shí)的棉花和黏土混合物中。

3.7 圍堰內(nèi)取土

取土采用履帶式起重機(jī)將PC75小型挖掘機(jī)和PC220型以上大型挖掘機(jī)調(diào)入圍堰內(nèi)，小型挖掘機(jī)主要負(fù)責(zé)將邊角及內(nèi)支撐下放的土向圍堰中部堆放，大挖掘機(jī)負(fù)責(zé)將土歸攏、堆高，以便于棧橋上的長(zhǎng)臂挖機(jī)向外取土。當(dāng)取土深度較深、長(zhǎng)臂挖掘機(jī)不能滿足取土要求時(shí)，采用履帶式起重機(jī)配合抓斗取土。

3.8 墊層及承臺(tái)施工

墊層混凝土分兩次施工。當(dāng)取土至最下層腰梁及支撐下方時(shí)，取土從一側(cè)向另一側(cè)施工，當(dāng)有一半圍堰底標(biāo)高達(dá)到墊層混凝土底標(biāo)高后，采用汽車泵澆筑第一次半邊圍堰墊層混凝土。當(dāng)圍堰內(nèi)剩余部分取土達(dá)到墊層混凝土底標(biāo)高后，澆筑剩余墊層混凝土。墊層混凝土澆筑時(shí)在圍堰四周設(shè)置集水溝，并在4個(gè)角設(shè)置集水井。

墊層施工完成后，檢查墊層混凝土高程及平整度。對(duì)基底及承臺(tái)高度范圍內(nèi)鋼管樁進(jìn)行表面清理。放樣測(cè)量承臺(tái)平面位置、綁扎鋼筋、安裝模板、預(yù)埋鋼塔節(jié)段、澆筑承臺(tái)混凝土。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)鎖口鋼管樁圍堰水下封底混凝土施工方法所存在的施工流程復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)、施工造價(jià)較高的問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了無(wú)封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在鎖口鋼管樁內(nèi)設(shè)置降水井降水，取消了高水位地層水下封底混凝土工序，實(shí)現(xiàn)了基坑干開挖，成功降低了施工難度，縮短了施工周期，且極大節(jié)約了施工成本。

西安市建材北路跨灞河橋?yàn)殛兾魇〉谑膶萌\(yùn)會(huì)重要交通通道，通過(guò)無(wú)封底混凝土鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，為項(xiàng)目順利通車提供了堅(jiān)實(shí)保障，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。