鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計與施工

熊 輝,黃健偉

（中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430000）

0 引言

近年來，隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，大跨斜拉橋、懸索橋等橋型日益增多。大跨度橋梁的承臺一般埋深較大，且地質(zhì)條件較為復(fù)雜，這給擋水圍堰結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工提出了巨大的挑戰(zhàn)。鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，但整體的強度和剛度低，只能適用于覆蓋層較厚、水頭差小的水域[1-2]。雙壁鋼圍堰的強度剛度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工周期長，焊接量大，需預(yù)留一定的加工期。鎖口鋼管樁圍堰則結(jié)合了兩者的特點，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作施工難度小、力學(xué)性能較好、具備一定的鎖口止水能力且拆除方便、可回收周轉(zhuǎn)使用的優(yōu)點，在深水承臺施工中的應(yīng)用越來越多[3-4]。

該文以國內(nèi)某大橋主墩基礎(chǔ)施工為例，研究鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計，并結(jié)合現(xiàn)場情況，總結(jié)了此類型圍堰的施工方法，旨在為鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計及施工提供參考。

1 工程概況

國內(nèi)某大橋為主跨240 m 的獨塔雙薄壁剛構(gòu)混凝土梁斜拉橋，橋梁孔跨布置采用（100+100+240+70）m，全長509.9 m。主墩承臺尺寸18.4 m×13.4 m×4 m，承臺頂標(biāo)高+4.732 m，承臺底標(biāo)高+0.732 m，共設(shè)計12 根直徑2 m 的樁基礎(chǔ)。承臺采用C40 混凝土，一次澆筑成型，澆筑方量986.24 m3。承臺一部分處在灘地，一部分處在河道。

1.1 水文地質(zhì)特征

橋址處上覆土層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、中砂、礫砂、細圓礫土；主河槽區(qū)段覆蓋層厚度較淺，約為4.2~8.5 m左右。地層主要為粉質(zhì)黏土、細砂、細圓礫土，泥質(zhì)砂巖。

根據(jù)近十年水位變化趨勢圖，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計分析，近十年各月份水位離散系數(shù)較小，極個別月份水位波動較大，整體上可認為數(shù)據(jù)波動性小，結(jié)合工期要求，確定承臺施工設(shè)計高水位為+17.0 m。

1.2 項目難點

（1）承臺一部分處在灘地，一部分處在河道，圍堰兩側(cè)存在不平衡土壓力。

（2）地質(zhì)條件較差，承臺底部為細圓礫土和泥質(zhì)砂巖，入巖困難。

（3）水頭差較大，且施工工期緊張，要保證在汛期前完成圍堰及后續(xù)承臺的施工。

2 圍堰設(shè)計

2.1 鎖口形式選型

根據(jù)施工現(xiàn)場的水文地質(zhì)情況以及項目難點，對比鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰和鎖口鋼管樁圍堰的優(yōu)缺點，綜合考慮施工工期、結(jié)構(gòu)安全、止水效果及經(jīng)濟性等，決定采用鎖口鋼管樁圍堰作為基坑臨時支護結(jié)構(gòu)。鎖口鋼管樁主要通過鎖口與鎖口之間的機械咬合進行止水及擋水，表1 列出了常見的幾種鎖口形式的優(yōu)缺點，結(jié)合項目經(jīng)驗和施工隊伍的操作水平，采取拉森樁鎖口的形式。

表1 常見鎖口形式特點

2.2 設(shè)計方案

主墩承臺為矩形，尺寸為18.4 m（順橋向）×13.4 m（橫橋向）×4 m（厚度），圍堰底面尺寸為在承臺外輪廓外擴1.71 m 和1.6 m，即21.82 m×16.66 m。

采用鋼管樁圍堰，鋼管樁型號φ800×12（Q355B），鋼管樁樁頂標(biāo)高+17.500 m，底標(biāo)高為-9.500 m，長27.0 m，圍堰設(shè)置四道支撐體系，標(biāo)高分別為+16.000 m、+13.000 m、+10.000 m、+6.000 m。第一/三/四層圍檁采用2HN700×300（Q235B）型鋼，內(nèi)支撐采用φ609×12（Q235B）鋼管；第二層圍檁采用3HN700×300（Q355B）型鋼，內(nèi)支撐采用2HN700×300（Q355B）。水下封底混凝土采用3.6 m 厚的C30 混凝土。

2.3 施工工序

該工程的鎖口鋼管樁圍堰采取“先支法”的施工工藝，即首先通過護筒或定位樁下放支撐體系，并臨時定位，然后沿就位的支撐圍檁施打鋼板樁。施工工序如下所述：

（1）安裝第一、二層圍檁內(nèi)支撐，以圍檁為導(dǎo)向插打鋼管樁。

（2）帶水開挖至基坑底部，開挖過程中確保內(nèi)外水位基本一致。

（3）水下澆筑封底混凝土，采取措施確保封底混凝土的質(zhì)量。

（4）待封底混凝土達到強度后，第一次抽水至第三層圍檁下1 m，安裝第三層圍檁和內(nèi)支撐。

（5）抽水至第四層圍檁下1 m，安裝第四層圍檁和內(nèi)支撐。

（6）圍堰內(nèi)干水，處理樁頭，綁扎鋼筋，澆筑第承臺混凝土，待承臺混凝土達到設(shè)計強度后，在承臺與圍堰夾壁內(nèi)回填砂并澆筑夾壁混凝土。

（7）拆除與第三、四層圍檁支撐中與第一節(jié)墩身干涉的內(nèi)支撐，施工第一節(jié)墩身，并埋設(shè)換撐埋件。

（8）安裝第三、四層圍檁與墩身之間的支撐，拆除第一、二層圍檁支撐中與第二節(jié)墩身干涉的內(nèi)支撐，施工第二節(jié)墩身。

（9）墩身出水面后，選擇低水位條件下，邊向圍堰內(nèi)回水和回填砂土邊逐層拆除圍檁和支撐，最后拔除鋼管樁。

3 圍堰整體計算

3.1 計算模型

采用Midas Civil有限元軟件建立模型，支護樁、圍檁、內(nèi)支撐均采用梁單元模擬。圖1 為整體模型圖。

圖1 圍堰整體計算模型

該有限元模型的邊界條件如下：支護樁底部約束豎向位移；被動土壓力采用只受壓土彈簧模擬；圍檁與鋼管樁之間采用只受壓彈簧模擬；內(nèi)支撐與圍檁間共節(jié)點；在牛腿處約束豎向位移模擬其對圍檁的支撐作用[5]。

模型所考慮的設(shè)計荷載主要包括：①結(jié)構(gòu)自重；②土壓力，按照《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》對細砂和細圓礫土水土壓力采用水土分算，粉質(zhì)黏土采用水土合算；③靜水壓力；④水流力。

3.2 計算工況及荷載組合

根據(jù)施工順序，按最不利原則，主要考慮以下工況：

CS1：圍堰內(nèi)帶水開挖至基坑底；

CS2：安裝第三層圍檁內(nèi)支撐；

CS3：安裝第四層圍檁內(nèi)支撐；

CS4：抽水施工承臺；

CS5：施工第一節(jié)墩身；

CS6：施工第二節(jié)墩身。

各工況綜合考慮基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合的兩種荷載組合形式。以下為荷載組合形式：

基本組合：1.1×（1.2×自重+1.25×靜水壓力+1.25×土壓力+1.5×水流力）

標(biāo)準(zhǔn)組合：自重+靜水壓力+土壓力+水流力

3.3 計算結(jié)果

鎖口鋼管樁圍堰各工況應(yīng)力和位移計算結(jié)果如下所示：

鋼管樁強度：σmax=240 MPa

圍檁2HN700×300 強度（Q235）：

圍檁3HN700×300 強度（Q355）：

圓管內(nèi)支撐強度（Q235）：σmax=151 MPa

型鋼內(nèi)支撐強度（Q355）：σmax=149 MPa

支護樁剛度：δmax=55 mm

因此，圍堰各構(gòu)件強度、剛度均符合規(guī)范要求。

3.4 構(gòu)件穩(wěn)定性計算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）對φ609×12 內(nèi)支撐的穩(wěn)定性進行計算，2HN700×300 內(nèi)支撐與此相同，此處不再贅述。

φ609×12 內(nèi)支撐最不利內(nèi)力：

軸力N=3 155 kN 彎矩M=3 kN·m

φ609×12 內(nèi)支撐穩(wěn)定性計算如下：

A=22 495 mm2，W=3 295 064 mm3，計算長度l0=μl=15 200 mm，λ=l0/i=72。

查表得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.738

因此，φ609×12 內(nèi)支撐穩(wěn)定性均滿足要求。

3.5 封底混凝土計算

由于封底混凝土區(qū)域內(nèi)無鋼護筒，封底混凝土與樁基直接接觸，故不驗算封底混凝土握裹力，只驗算封底混凝土強度。如圖2 所示。

圖2 封底混凝土應(yīng)力（MPa）

+17.000 m 水位條件下抽水工況計算中考慮荷載：內(nèi)外水頭差產(chǎn)生的浮托力及封底自重。封底混凝土總厚度3.6 m，考慮0.4 m 可能摻雜砂土，強度計算時封底混凝土有效厚度按照3.2 m 考慮，計算結(jié)果如下：

封底混凝土的強度：

抗拉：1.15 MPa

抗壓：0.72 MPa

綜上，封底混凝土強度符合規(guī)范要求。

3.6 基坑抗隆起穩(wěn)定性驗算

CS1 工況（開挖至基坑底）基坑抗隆起穩(wěn)定性最不利?；油饽嗝鏄?biāo)高+11.5 m，基坑內(nèi)泥面標(biāo)高+2.868 m。

根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51295—2018），基坑抗隆起穩(wěn)定性評價系數(shù)：

式中，基坑底面至擋土構(gòu)件底面的土層厚度D取6.6 m；基坑開挖深度h取14.54 m；土的黏聚力c=0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=38°，γm1=20.12 kN/m3，γm2=22.31 kN/m3；基坑外側(cè)土上均布荷載q=0 kN/m2。

Nc、Nq按下式計算：

計算可得：Nq=48.93，Nc=61.35

基坑抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)：

因此，基坑抗隆起穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

3.7 嵌固穩(wěn)定性計算

CS1 工況（帶水開挖至基坑底）基坑嵌固穩(wěn)定性最不利。

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012），嵌固穩(wěn)定性評價系數(shù)：

式中，Kpk——基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用標(biāo)準(zhǔn)值；Eak——基坑外側(cè)主動土壓力合力作用標(biāo)準(zhǔn)值；zp2——基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用點至支點的距離；za2——基坑外側(cè)主動土壓力合力作用點至支點的距離；Kem——嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，對于一級支撐式支擋結(jié)構(gòu)，不應(yīng)小于1.25。

因此，嵌固穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

該文結(jié)合國內(nèi)某大橋主墩基礎(chǔ)施工，研究鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計，并運用有限元軟件建立了三維模型，經(jīng)計算分析，該鎖口鋼管樁圍堰各構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范和設(shè)計要求。同時，通過對此類型圍堰施工方法的介紹，為鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計及施工提供借鑒和參考。