深水裸巖條件下鎖扣鋼管樁圍堰施工技術研究

田小路，汪 健

（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 101400）

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的線路需要跨越江河湖海。受通航行洪的限制，橋梁的承臺需要埋入河床、嵌進巖層。雙壁鋼圍堰由于其自身強度足、剛度大、結構穩(wěn)定性好的特性，廣泛地應用在深水圍堰施工中[1-3]，但整體設計復雜，用鋼量大，且不能重復使用，進入巖層需要借助于水下爆破，安全風險高。相比于雙壁鋼圍堰而言，鎖扣鋼管樁圍堰可以揚長避短，入巖方式較為靈活，更加適用于深水巖層地質低樁嵌巖承臺的施工。

1 工程概況

余信貴大道（貴溪至月湖段）象山大橋位于江西省貴溪市境內，設計全長1 168m，在K4+644～K5+408 段上跨信江，主橋采用1-(80+160+80)m 預應力混凝土連續(xù)梁—鋼箱拱組合體系，為全線控制性工程。信江為江西省境內較大河流之一，枯水期水深約7m，豐水期水深＞10m，2018 年5 月實測水流速度為2.75m/s。橋梁主墩2 座，設置在信江河道中央，一個距信江東岸102.5m，另一個距信江西岸約151.3m，河面寬約440m。主墩基礎全部設計為低樁嵌巖承臺，外形尺寸為21.6m×17.1m，厚度5.0m，承臺底部位于河床以下5.0m。依據地勘報告，基礎巖層自上而下依次為全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖[4]。為確保安全高效地完成主橋主墩下部結構施工，主墩承臺施工采用鎖扣鋼管樁圍堰作為圍護結構，同時為了簡化施工流程，取消了封底混凝土。

2 圍堰結構設計

本工程所用的鎖扣鋼管樁圍堰無封底混凝土，只有鎖扣鋼管樁、圍檁及內支撐系統(tǒng)兩部分，圍堰平面尺寸為26.97m×22.32m。鎖扣鋼管樁采用?630mm×10mm 的螺旋管，設計長度24m。考慮到流水沖刷會導致覆蓋層變薄，進而影響圍堰的整體穩(wěn)定，每根鋼管樁均錨入巖層，到達承臺底以下8m 處。鎖扣形式采用“C+I”陰陽鎖扣?！癈”形鎖扣采用?200mm×10mm 鋼管開槽口，“I”形鎖扣采用I20b 工字鋼，陰陽鎖扣在主鋼管兩側通長焊接。圍堰的圍檁及支撐在高度方向共布置2 道，第一道設在圍堰頂以下3.5m處，圍檁采用雙拼I56b 工字鋼；第二道設在圍堰頂以下10m 處，圍檁采用H800mm×300mm 雙拼型鋼。支撐均采用?630mm×10mm的螺旋管，為確保內撐作用力有效傳遞，與圍檁相接觸的鋼管四周采用肋板加焊（圖1）。

圖1 圍堰平面布置圖

3 圍堰施工工藝

圍堰內支撐施工與圍堰內抽水按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進行[5]。具體施工工藝流程：施工準備→鋼管樁樁位引孔、開槽、填砂→安裝鋼管樁導向架→插打鋼管樁→鎖口灌筑止水漿液→圍堰成形→抽水→安裝第一道內支撐→排水下挖→安裝第二道內支撐→繼續(xù)下挖至設計標高→承臺施工→拆除第二層內支撐→拆除第一層內支撐→拔出鋼管樁。

因基礎底部位于中風化粉砂巖中，使用普通工藝，鋼管樁直接插打不能打入預定深度，圍堰不能滿足抗洪水沖擊和水、土側壓力的要求[6]，故采用鉆機引孔開槽工藝（圖2）?，F場經過實際工藝試驗比選后，決定采用旋挖鉆與沖擊鉆配合，圓形孔位疊加的方式形成槽口，具體施工方法如下。

圖2 引孔開槽施工順序示意圖

1）根據設計圖紙，測量放樣鎖扣鋼管樁圍堰中心線。

2）在鉆孔孔位處設置導向架。

3）12 個孔位為一組，隔孔下放引孔護筒，相互重疊區(qū)域0.2m。

4）利用旋挖鉆機間隔引孔，先鉆進一序孔（奇數號孔位）。

5）拔出引孔鋼護筒。

6）采用大型空壓機和抽泥漿泵將一序孔內回流的鉆渣清除。

7）利用沖擊鉆機施工二序孔（偶數號孔位）。

8）采用大型空壓機和抽泥漿泵將二序孔內回流的鉆渣清除。

9）單邊成槽后，用混合料（碎石∶細沙∶黏土=3∶1∶1）回填至槽口下1～1.5m，并用旋挖鉆機擠壓密實。

10）滿足鋼管樁施工條件后，即可施打鋼管樁。

11）單邊鋼管柱插打完成且位置矯正后，采用C30 水下混凝土將槽口封堵密實。

4 圍堰計算

4.1 模型建立

在保證最終計算結果正確的前提下，建模過程中會對模型進行簡化處理。而鎖扣鋼管樁圍堰含復雜細部構造，單純運用有限元軟件MIDAS無法完全模擬，故在有限元模型中，鎖口鋼管樁、圍檁及內支撐系統(tǒng)桿件采用梁單元，忽略鎖口鋼管樁之間的鎖口力作用。鎖扣鋼管樁與圍檁、圍檁與內支撐之間為剛性連接，鋼管樁入巖部分按照“m”法建立節(jié)點彈性支撐[7]。

4.2 工況選擇

按照鎖口鋼管樁圍堰施工安裝順序，圍堰的計算分為以下6 種工況。

1）工況I：抽水至圍堰頂以下3.5m 處（設計標高37.5m），安裝第一道內支撐，若枯水期水位低于第一道內支撐標高，則無須抽水。

2）工況Ⅱ：抽水至圍堰頂以下10m 處（設計標高31m），安裝第二道內支撐。

3）工況Ⅲ：抽水至圍堰內河床標高。

4）工況Ⅳ：基坑開挖完畢，即承臺底部以下5.1m 處。

5）工況Ⅴ：承臺施工完成后，圍堰內支撐轉換，恢復水位至圍堰頂以下10m 處，拆除第二道內支撐。

6）工況Ⅵ：V 形墩出水后，圍堰內支撐轉換，恢復水位至圍堰頂以下3.5m 處（枯水期則至常水位），拆除第一道內支撐。

經查閱相關資料，發(fā)現水深是鋼管樁圍堰受力的最主要影響因素[8]，即基坑開挖完畢時（工況Ⅳ），作用在圍堰上的荷載組合最大，因此對工況Ⅳ下的圍堰結構進行驗算分析。

4.3 荷載計算

工況Ⅳ下的圍堰結構模型如圖3 所示，主要荷載有自重G、靜水壓力P、流水壓力Pw及土壓力Pa。

圖3 鋼管樁圍堰模型（工況Ⅳ）

圍堰自重G由軟件自動錄入。

靜水壓力P作用于圍堰外表面，隨水深呈線性分布，考慮到圍堰施工可能遭遇洪水，根據水文地質資料，水深h取10.99m，根據P=ρgh計算得P=109.9kN/m2。

流水壓力Pw作用于鋼管樁上游迎水面，流速隨水深呈曲線變化，河床底流速近于0。為簡化計算，將流水壓力分布看作倒三角，將流水壓力視為節(jié)點荷載，其等效著力點位置在設計水位下1/3 水深處[9]。

式中K——流水阻力系數，取K=1.30；

A——圍堰外壁上迎水面的面積；

V——為設計水流速，查詢水文地質資料及相關文獻，取V=2.75m/s。

經計算，Pw=5.016kN/m2。

在抽水過程中，圍堰錨固槽內的混合料在流水壓力作用下向圍堰內移動。因此，鋼管樁承受圍堰外土體的主動土壓力和內部土體的被動土壓力[9]。在地下水位以下的混合料的容重采用浮容重γ′代替，鋼管樁打入基巖8m。

式中γ′——混合料浮容重，取8kN/m3；

H——鋼管樁下埋尺寸；

Ka——主動土壓力系數，Ka=tg2(45-φ/2)。

經計算，Pa=4kN/m2。

采用容許應力法，驗算圍堰結構時，其荷載組合為：1.2G+1.0P+1.0Pw+1.0Pa。

4.4 計算結果

通過對工況Ⅳ下的鎖口鋼管樁圍堰進行有限元分析，得到鋼管樁圍堰結構最大水平位移為19.2mm,最大應力為132.2MPa，位于鋼管樁第二層內支撐處。圍檁最大應力122.8MPa，內支撐體系最大應力為156.2MPa，位于第二層內支撐處。結果表明：圍堰各構件的最大應力均小于190MPa[10]，整個鋼圍堰在工況Ⅳ下處于安全狀態(tài)，但在施工過程中，應重點檢查該處的連接強度，規(guī)避圍堰可能產生的破壞[11]。

5 施工監(jiān)測

5.1 監(jiān)測項目

為保證基坑和施工人員的安全，及早發(fā)現、跟蹤和掌握可能出現的不利狀況，合理安排各工序，現場采用的施工監(jiān)測項目及手段主要有：利用測斜儀監(jiān)測鋼管樁深層水平位移；安裝軸力計監(jiān)測支撐軸力[12]；利用水位標尺線定期量測圍堰內外水位高度，水位計定期量測圍堰內地下水位高度。自動化監(jiān)測采用陣列式自動測斜儀、GNSS測斜數據接收機等儀器實現。

5.2 監(jiān)測點布置

深層水平位移監(jiān)測點設置在圍堰直角邊（上游小里程）的2 個鋼管柱內部，鋼管柱施工深度為21.0m，由頂部至底部每3m 設置一個監(jiān)測點，總計16 個監(jiān)測點。內力監(jiān)測點布置在圍堰上游的中心鋼管樁、圍檁、斜撐和對撐上，上下兩層布置，每層的內力監(jiān)測點布置8 個，上下兩層的監(jiān)測點在豎向上保持一致。水位監(jiān)測點布置在基坑拐角處，每個基坑設置1 個。具體監(jiān)測點布置如圖4 所示。

圖4 圍堰監(jiān)測點布置圖

12#主墩鋼管樁圍堰于2020 年7 月1 日基坑開挖完畢，之后遇超過1/20 洪水，圍堰外水位最高漲至+19.6m，直至2020 年7 月28 日，圍堰外水位回落至+17.15m 時，開始進行抽水作業(yè)，在抽水全過程進行變形及應力監(jiān)測，測量數據如圖5、圖6 所示。

由圖5、圖6 可知，圍堰內水全部抽去后，2020 年8 月2 日CX-01 自動測斜孔在深度21m處位移最 大值為11.16mm，2020 年9 月5 日YB-01-04 監(jiān)測點內力最大值為49.98MPa，監(jiān)測點實測的最大位移及應力值與有限元分析結果相比較明顯偏小，圍堰整體結構安全。

圖5 YB-01-01—YB-01-08支撐內力圖

圖6 CX-01自動測斜孔位移曲線圖

6 結語

通過在鋼管樁樁位引孔、開槽、換填及封閉，實現了鋼管樁的錨固生根。利用MIDAS 軟件建立有限元模型對工況Ⅳ下的圍堰結構進行強度驗算，計算結果表明圍堰處于安全狀態(tài)。象山大橋主墩成功實施了深水基礎圍堰后，現場采用多種監(jiān)測項目及手段，為橋梁下部結構施工提供了安全的作業(yè)環(huán)境。經過兩次汛期，2020 年9 月30 日完成了全部深水圍堰及墩柱水下部分施工任務，未發(fā)生任何質量安全事故，為后續(xù)主梁上部結構施工奠定了基礎。實踐證明，鎖口鋼管樁圍堰在深水裸巖條件下施工是成功的，為以后的鎖扣鋼管樁圍堰的施工提供了參考。