厚砂層水中承臺鎖扣鋼管樁圍堰施工技術(shù)

閆古龍

(中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710038)

1 前言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，跨水域公軌兩用橋的修建越來越多，公軌兩用橋水中分離式基礎(chǔ)具有樁基數(shù)量多、承臺尺寸大的特點(diǎn)，對水中施工平臺、水中基礎(chǔ)圍堰提出更高的要求。目前水中低樁承臺普遍采用套箱圍堰、雙臂鋼圍堰、沉井、鋼板樁或鋼管樁圍堰等方法施工[1-2]，幾種施工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相同之處都是為水中基礎(chǔ)施工提供一個(gè)穩(wěn)定的干作業(yè)環(huán)境。近年來鎖扣鋼管樁圍堰由于剛度大、止水效果相對較好、可回收利用等特點(diǎn)，應(yīng)用得越來越廣泛。李偉針對深水裸巖大體積承臺在施工鋼管樁圍堰后下挖影響圍堰穩(wěn)定性和密閉性的問題，提出了基坑預(yù)封底反向開挖施工技術(shù)[3]。王衛(wèi)宏等針對斜巖面河床鋼管樁插打困難問題，采用先樁后堰、鋼管樁引孔入巖無封底的施工方法避免了水下爆破、大體積混凝土封底等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)[4]。高明慧針對河床卵石、砂巖覆蓋層鋼管樁插打困難問題，提出了旋挖鉆機(jī)全護(hù)筒跟進(jìn)引孔，底部回填碎石黃土，鋼管樁插打后進(jìn)行底部注漿解決止水的施工技術(shù)[5]。對于鋼管樁圍堰施工技術(shù)，大多是解決河床基巖裸露、覆蓋層較淺所引起的鋼管樁插打困難等問題[6-9]，而在厚砂層鎖扣鋼管樁的施工應(yīng)用研究很少，在厚砂層河道中施工鋼管樁圍堰，由于砂層的透水飽和性，對鋼管樁的剛度和止水要求提高，在鋼管樁插打過程中由于砂層的擠密和管樁的土塞效應(yīng)[10-12]，鎖扣鋼管樁同樣面臨插打困難的問題。本文結(jié)合西安地鐵十號線跨渭河大橋主橋W06＃墩圍堰為工程實(shí)例，根據(jù)不同施工工況鋼管樁圍堰受力分析，對圈梁針對性設(shè)計(jì)，在承臺施工完成后設(shè)置混凝土圈梁替換底層圈梁的方式保持鋼管樁剛度穩(wěn)定性。并在基坑開挖過程中視基底滲水情況，制定干挖和調(diào)整內(nèi)外水頭差水下吸泥封底兩種施工方案，解決厚砂層基底滲水的問題。提出在厚砂層地質(zhì)中采用高頻液壓振動(dòng)錘插打鋼管樁，解決厚砂層中鋼管樁插打困難的問題。

2 工程概況及施工重難點(diǎn)

2.1 工程概況

西安地鐵十號線跨渭河大橋位于西安市高陵區(qū)，上部結(jié)構(gòu)采用軌道交通與市政橋梁合建方案，上層為快速路采用雙向六車道，下層為軌道交通與輔路(雙向四車道機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道、人行道)共面布置，主橋采用加勁連續(xù)鋼桁梁，總長1 412 m，W06＃墩 ～W08＃墩位于渭河河道內(nèi)，河道常水位＋361.0 m，常水位水深6.1 m，承臺墩身施工期間度汛水位＋363.3 m，圍堰在枯水期施工，圍堰設(shè)計(jì)水位＋358.0 m，其中以靠近河道岸邊W06＃墩承臺埋深最深，基坑開挖深度16.0 m。分離式基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁＋承臺基礎(chǔ)，樁基設(shè)計(jì)為直徑φ2 m的摩擦樁，樁長75 m，承臺尺寸為18.2 m×18.2 m×4.5 m，承臺頂位于河床面以下5.4 m。

墩位處河床為砂性河床，樁長范圍內(nèi)由上到下分布為黃土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂，屬于厚砂層地質(zhì)，W06＃墩下部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 W06＃墩下部結(jié)構(gòu)(單位:cm)

2.2 施工重難點(diǎn)

(1)針對厚砂層水中基礎(chǔ)施工圍堰方案選擇，要統(tǒng)籌考慮圍堰插打難易程度以及透水性飽和砂層中圍堰的剛度滿足要求。

(2)上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)鋼桁梁，采用頂推施工，要充分考慮工期因素，水中基礎(chǔ)要保證在枯水期快速施工。

(3)選用鎖扣鋼管樁圍堰要充分吸取在厚砂層河床條件棧橋及鋼平臺螺旋鋼管插困難經(jīng)驗(yàn)，確保鋼管樁插打順利。

3 鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)

3.1 W06＃墩鋼管樁圍堰構(gòu)造及布置

圍堰采用φ820×14 mm鋼管樁，長度32 m，兩側(cè)分別焊接 14型鋼及φ159×8 mm鋼管，共采用四道圈梁支撐，第一道圈梁圍檁采用2HN600×200型鋼，角撐采用φ609×16 mm鋼管，第二道圍檁和第四道圍檁采用3HN700×300型鋼，角撐采用φ800×16 mm鋼管，第三道圍檁采用2HN700×300型鋼，角撐采用φ800×16 mm鋼管，W06＃墩鎖扣鋼管樁圍堰布置如圖2所示。

圖2 W06＃墩鋼管樁圍堰布置(單位:m)

3.2 鋼管樁圍堰檢算

采用有限元軟件建立鋼管樁圍堰受力模型，其中鋼管樁采用梁單元模擬，基坑內(nèi)土彈簧、封底混凝土約束、各道圈梁約束均采用只受壓節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬，土壓力、初始土反力及水壓力換算后均以梁單元荷載的形式加載到鋼管樁上，根據(jù)地勘資料，中砂層土水平抗力系數(shù)m取10 MN/m4。如圖3所示。

圖3 彈性支點(diǎn)法計(jì)算鋼管樁

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)規(guī)定，地下水位以下的砂土應(yīng)采用土壓力、水壓力分算方法:

式中，Pak、Ppk分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)第i層土計(jì)算點(diǎn)的主動(dòng)土壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)第i層土計(jì)算點(diǎn)的被動(dòng)土壓力；σak、σpk分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)計(jì)算點(diǎn)的土中豎向應(yīng)力；Ka，i、Kp，i分別為第i層土的主動(dòng)土壓力系數(shù)、被動(dòng)土壓力系數(shù)；ci為第i層土粘聚力；ua、up分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)計(jì)算點(diǎn)的水壓力。

圍堰施工根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際透水情況分為回水并封底和干挖兩種方案，主要施工階段如下:

階段一:圍堰內(nèi)開挖至＋357.0 m，干環(huán)境下安裝第二道圈梁。

階段二:圍堰內(nèi)繼續(xù)開挖4 m至＋353.0 m，干環(huán)境下安裝第三道圈梁。

階段三:圍堰內(nèi)繼續(xù)開挖3.5 m至＋349.5 m，干環(huán)境下安裝第四道圈梁。

階段四:若圍堰內(nèi)基底未發(fā)生嚴(yán)重滲水現(xiàn)象，則繼續(xù)將圍堰開挖至＋344.4 m，施工0.5 m厚墊層混凝土；若基底發(fā)生嚴(yán)重滲水，則停止干挖，將基坑內(nèi)回水至內(nèi)外水頭齊平，水下吸泥至封底混凝土底高程＋342.4 m，水下施工2.5 m厚封底混凝土，將圍堰內(nèi)水抽干。

階段五:施工承臺及混凝土圈梁，拆除第四道圈梁；汛期水位上漲超過＋358.0 m時(shí)，將圍堰鋼管接高6 m至＋364.5 m，并安裝第一道圈梁。

階段六:施工墩柱，圍堰內(nèi)回水，拆除第三道圈梁。

階段七:圍堰內(nèi)回水，拆除第二道圈梁。

經(jīng)計(jì)算分析比較，干挖方案下圍堰鋼管樁及圈梁支撐受力較大。對干挖方案各階段進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，鋼管樁嵌固段的被動(dòng)土壓力及嵌固深度滿足要求，基坑抗隆起穩(wěn)定性、基坑滲透穩(wěn)定性滿足要求，階段七鋼管樁最大彎曲應(yīng)力165 MPa強(qiáng)度滿足要求，最大變形31.2 mm，剛度滿足要求。圈梁最大應(yīng)力158 MPa，角撐最大應(yīng)力100 MPa，最大變形1.0 mm，滿足要求，如圖4～圖6所示。

圖4 鋼管樁應(yīng)力

圖5 鋼管樁變形

圖6 圈梁應(yīng)力

4 厚砂層水中基礎(chǔ)施工

水中基礎(chǔ)總體采用“先樁后堰”法，先在渭河主河道打設(shè)好鋼棧橋平臺，作為施工運(yùn)輸通道和水中樁基施工平臺，在鋼棧橋和鋼平臺搭設(shè)過程中，收集振沉螺旋鋼管的施工參數(shù)，為厚砂層鎖扣鋼管樁施工提供依據(jù)。

(1)鋼棧橋、鋼平臺搭設(shè)

棧橋及平臺搭設(shè)采用常規(guī)鋼管貝雷梁形式，由于處于厚砂性河床，采用普通90型振動(dòng)錘插打螺旋鋼管時(shí)鋼管樁入土深度不足15 m，與設(shè)計(jì)計(jì)算入土深度23 m相差較大，最終采用ICE高頻液壓振動(dòng)錘進(jìn)行振沉，以螺旋鋼管入土深度和貫入度綜合確定停錘標(biāo)準(zhǔn)。

(2)樁基施工

厚砂層長樁基為保證成樁質(zhì)量，采用反循環(huán)鉆機(jī)施工，反循環(huán)鉆機(jī)具有泥漿循環(huán)快、成孔速率高等特點(diǎn)，特別適用于厚砂層地質(zhì)條件下樁基施工。

(3)鎖扣鋼管樁施工

鎖扣鋼管樁、圈梁構(gòu)件加工完成后，在現(xiàn)場進(jìn)行接長、焊接安裝，在鋼管樁振沉前，先在樁基鋼護(hù)筒焊接牛腿，牛腿上擱置并臨時(shí)固定第二道圈梁圍檁作為臨時(shí)導(dǎo)向架，確保鎖扣鋼管樁振沉位置準(zhǔn)確，導(dǎo)向架布置如圖7所示。

圖7 鎖扣鋼管樁導(dǎo)向架布置

鎖扣鋼管樁施工采用ICE高頻液壓振動(dòng)錘進(jìn)行振沉，通過調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，在15～40 Hz范圍進(jìn)行試樁，最終確定采用25 Hz的振動(dòng)頻率進(jìn)行鎖扣鋼管樁振沉。低于15 Hz的振動(dòng)頻率，振動(dòng)擾動(dòng)頻率接近砂土層固有頻率，砂層容易出現(xiàn)諧振液化現(xiàn)象；高于25 Hz的振動(dòng)頻率，振動(dòng)錘與鋼管樁接觸時(shí)間減少，擊振能量弱化導(dǎo)致鋼管樁振沉速度減小，振沉?xí)r間增加。

(4)鎖扣鋼管樁止水處理

鎖扣止水是鎖扣鋼管樁圍堰防水的關(guān)鍵工序，采用鎖扣內(nèi)填料方式進(jìn)行鎖扣止水，鎖扣內(nèi)穿入長條型棉質(zhì)布袋至河床面，利用注漿泵將布袋內(nèi)壓灌砂漿進(jìn)行止水。

(5)圍堰內(nèi)挖土、支護(hù)與封底

圍堰內(nèi)挖土采用長臂挖機(jī)和絞吸泵進(jìn)行水下挖土和吸砂土作業(yè)，開挖至圈梁設(shè)計(jì)標(biāo)高后，采用100 t履帶吊進(jìn)行圈梁單構(gòu)件的吊裝作業(yè)，吊放至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，安裝圈梁角撐。開挖到基底標(biāo)高進(jìn)行封底，封底混凝土采用C25混凝土，采用水下導(dǎo)管灌注方式成型。

(6)承臺及混凝土圈梁施工

封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水，在樁頭處理完成后進(jìn)行承臺施工，承臺高度4.5 m，承臺施工完成后砂土回填承臺邊緣與圍堰間隙空間至承臺頂以下0.6 m，澆筑剩余0.6 m混凝土圈梁，待混凝土圈梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第四道圈梁，完成混凝土圈梁與內(nèi)支撐的轉(zhuǎn)換。

5 注意事項(xiàng)

(1)在厚砂層河道中施工鋼管樁圍堰，在鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)中必須考慮砂層的透水飽和性，水土分算條件下，鋼管樁受力顯著增大，必須確保鋼管樁和圈梁的剛度滿足要求。

(2)厚砂層地質(zhì)條件下鎖扣鋼管樁的振沉，必須考慮砂土擠密和樁端土塞效應(yīng)引起的振沉困難問題。

(3)必須嚴(yán)格按照圍堰設(shè)計(jì)的各施工階段組織施工，尤其是基坑開挖過程中圈梁要及時(shí)安裝，承臺施工完成后及時(shí)施作混凝土圈梁，才可拆除底層圈梁，確保圍堰整體安全穩(wěn)定。

6 結(jié)語

本文以西安地鐵十號線跨渭河大橋主橋?yàn)槔?，介紹了在厚砂層河床地質(zhì)條件下水中承臺鎖扣鋼管樁圍堰施工技術(shù)。針對透水性飽和砂層地質(zhì)對鋼管樁的剛度要求，嚴(yán)格進(jìn)行施工階段檢算，合理選擇鋼管樁型號，對內(nèi)支撐圈梁進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。在厚砂層河床中采用高頻液壓振動(dòng)錘在25 Hz振動(dòng)頻率下進(jìn)行振沉，取得了良好的沉樁效果，成功解決了厚砂層河床中鋼管樁振沉困難的問題；采用向鎖扣內(nèi)穿入棉質(zhì)布袋后壓灌砂漿進(jìn)行止水，取得良好的止水效果；承臺施工完成后施作混凝土圈梁，以滿足底層內(nèi)支撐圈梁拆除后鋼管樁圍堰安全穩(wěn)定，可為類似工程提供借鑒。