大型橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要 文章分析了大型橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰的應(yīng)用背景及優(yōu)勢(shì)，并以長(zhǎng)江中下游某大跨徑橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰為研究對(duì)象，以圍堰選型、計(jì)算方法、施工關(guān)鍵步驟和監(jiān)控手段為主要內(nèi)容，探索了鎖扣鋼管樁圍堰的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)。工程實(shí)踐證明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)和精確施工，能夠有效控制鎖扣鋼管樁、內(nèi)支撐的變形，進(jìn)而確保施工安全和周邊建筑物的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞 砂性軟基；深基坑；鎖扣鋼管樁圍堰；結(jié)構(gòu)計(jì)算；施工技術(shù)；基坑安全監(jiān)控

中圖分類號(hào) U445.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0161-04

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)和發(fā)展，大型橋梁的需求日益增長(zhǎng)。為了確保橋梁的穩(wěn)固和安全，基礎(chǔ)通常需要開挖大型深基坑，過(guò)程中面臨著復(fù)雜的地質(zhì)條件、地下水位的影響、周邊環(huán)境限制等諸多挑戰(zhàn)。因此，深基坑圍堰工程是保障地下工程建設(shè)安全的關(guān)鍵措施。

鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型深基坑圍堰技術(shù)，具有施工速度快、安全可靠、可重復(fù)使用、抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)的研究現(xiàn)狀，主要集中在鎖扣連接方式、圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗?jié)B性能、施工工藝及工程應(yīng)用等方面。研究人員不斷探索優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、分析圍堰性能、完善施工工藝，并通過(guò)工程實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)。該文以長(zhǎng)江中下游某跨江大橋索塔深基坑圍堰設(shè)計(jì)和施工為依托，開展大型橋梁深基坑鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1 鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 地質(zhì)條件與圍堰選型

地質(zhì)條件是決定圍堰選型的重要因素，不同的地質(zhì)條件需要采用不同的圍堰形式，以保證工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工效率，如表1所示：

此次依托項(xiàng)目位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，承臺(tái)尺寸為78.7 m×40 m，覆蓋層厚62 m左右，上部為厚10 m左右的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂，中部為厚度30m左右的稍密～密實(shí)粉細(xì)砂，下部為厚20 m左右的密實(shí)粉細(xì)砂夾中粗砂。場(chǎng)地頂面高程為+7.8 m，包括硬化層厚度30 cm，開挖深度達(dá)到14 m，屬于深基坑施工。從施工場(chǎng)區(qū)地層分布特征來(lái)看，基坑開挖后坑壁地層為第一層雜填土、第二層素填土、第三層粉質(zhì)黏土、第四層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第五層粉砂。從施工場(chǎng)區(qū)的位置來(lái)看，場(chǎng)區(qū)地下水位較高，在實(shí)際開挖過(guò)程中如果處理措施不得當(dāng)，易發(fā)生管涌。

為滿足承臺(tái)施工空間的要求，擬定鎖口鋼管樁圍堰壁與承臺(tái)預(yù)留1.75 m的空間，平面形式與承臺(tái)平面形狀相似。鋼管樁采用Φ820×10 mm鋼管，鎖口采用Φ152×8 mm鋼管和Φ133×5 mm無(wú)縫鋼的組合形式，經(jīng)焊接組合形成O-C形結(jié)構(gòu)。設(shè)置2層圍檁及內(nèi)支撐系統(tǒng)，第一道圍檁中心標(biāo)高為+4.3m，采用2HN600×200 mm型鋼，內(nèi)支撐采用φ820×10 mm鋼管；第二道圍檁中心標(biāo)高為+0.3 m，采用3H900×300 mm型鋼，內(nèi)支撐采用φ1 200×14 mm鋼管和3H900×300 mm型鋼。

1.2 計(jì)算方法與受力分析

鎖口鋼管樁圍堰各工況采用簡(jiǎn)化計(jì)算的方式，取周長(zhǎng)方向的一個(gè)鎖口鋼管樁作為研究對(duì)象，支撐處及內(nèi)外土側(cè)壓力為零點(diǎn)作為支點(diǎn)，采用理正深基坑7.0軟件對(duì)鋼管樁圍堰進(jìn)行計(jì)算，采用錨桿單元對(duì)圍檁支撐進(jìn)行模擬，坑底混凝土則采用加固土單元模擬[1]。根據(jù)深基坑鎖口鋼管樁圍堰的開挖、封底施工及承臺(tái)施工等情況，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮各施工的最不利狀況，各工況分析及計(jì)算結(jié)果如表2所示：

（1）Ps≤Ep，嵌固段土反力滿足要求。其中，Ps為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力（kN）；Ep為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的被動(dòng)土壓力合力（kN）。

（2）鋼管樁強(qiáng)度驗(yàn)算。荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.25，則鋼管樁強(qiáng)度驗(yàn)算如下，可看出符合規(guī)范要求。

（3）圍堰最大位移，符合規(guī)范要求。

1.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

（1）圍堰整體的穩(wěn)定性驗(yàn)算采用瑞典條分法，應(yīng)力狀態(tài)為有效應(yīng)力法，條分法中的土條寬度為0.4 m。計(jì)算得出的滑裂面數(shù)據(jù)如下：圓弧半徑R=28.84 m，圓心坐標(biāo)X=-5.419 m，圓心坐標(biāo)Y=13.402 m；整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.739，大于1.35，滿足要求。

（2）圍堰基坑抗隆起計(jì)算從支護(hù)底部開始，逐層驗(yàn)算抗隆起的穩(wěn)定性，基坑抗隆起穩(wěn)定性滿足要求。

（1）

（2）

（3）

式中，γm1——鋼管樁內(nèi)側(cè)土容重（kN）；γm2——鋼管樁外側(cè)土容重（kN）；D——鋼管樁嵌固深度（m）；H——基坑深度（m）；φ——內(nèi)摩擦角（°）；C——黏聚力（kPa）。聯(lián)合式（1）、（2）、（3），可求得抗隆起的安全系數(shù)Ks=7.17＞1.8，符合規(guī)范要求。

（3）繞最下道支撐，進(jìn)行抗傾覆的穩(wěn)定性驗(yàn)算，如圖1所示。鎖扣鋼管樁圍堰的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按照式（4）計(jì)算，工況1～工況5的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別為9.52、4.91、4.61、4.67、4.24，均大于規(guī)范要求的1.25。

（4）

式中，——被動(dòng)區(qū)抗傾覆作用力矩綜合（kN·m/m）；——主動(dòng)區(qū)抗傾覆作用力矩綜合（kN·m/m）。

1.4 止水措施的設(shè)計(jì)

鎖扣鋼管樁的止水措施設(shè)計(jì)旨在確保圍堰的水密性和施工安全。首先，選擇合適的止水材料是關(guān)鍵，常用的材料包括橡膠止水帶、止水密封膠和膨脹止水條，它們可以有效阻止水滲入。其次，優(yōu)化鎖扣設(shè)計(jì)，采用雙重鎖扣結(jié)構(gòu)和高精度制造，確保連接部位的緊密配合。施工工藝的改進(jìn)也很重要，如在樁底設(shè)置封閉裝置、在連接處注漿，以及嵌縫處理，這些措施能夠增強(qiáng)止水效果。此外，結(jié)合內(nèi)外層圍堰并在鋼管樁外表面涂覆防水涂層，可以提供雙重保護(hù)[2]。

2 鎖扣鋼管樁圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鎖扣鋼管樁的制作與運(yùn)輸

圍堰主鋼管樁的單根設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22 m，在工廠一次生產(chǎn)成形。為了確保鎖扣鋼管樁的施工質(zhì)量和焊接精度，需采取一系列措施。在現(xiàn)場(chǎng)首先布置定位加工胎具，定位胎具上將Φ820鋼管樁、Φ152鋼管和Φ133鋼管焊成整體（小管樁間焊縫處可預(yù)先電焊ф16圓鋼，以利于焊接）。焊接時(shí)在模具上將鋼管固定牢靠，采取CO2氣體保護(hù)對(duì)稱焊、分段退焊等措施以減少焊接變形。主管和鎖口間焊縫采用一面滿焊、另一面間斷焊（每間隔30 cm焊10 cm長(zhǎng)焊縫）的形式，其有效焊縫應(yīng)不小于較小母材的厚度。利用自動(dòng)切割機(jī)將Φ152 mm管樁切口，開口寬度為（60±2）mm，切割時(shí)要求切口均勻順直，并將其打磨平整、光滑。

為防止插打過(guò)程中下口變形，在鎖口管樁主管下端貼焊10 mm厚的鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，使徑厚比D/t≤40。加工完成后，進(jìn)行鎖口通過(guò)性試驗(yàn)，并在存放、搬運(yùn)和起吊時(shí)采取防變形和鎖口損壞的措施。焊接部位在深水壓力下的嚴(yán)密性通過(guò)煤油滲漏法試驗(yàn)進(jìn)行檢查，清理并涂白粉漿晾干一面，在另一面涂煤油浸潤(rùn)，半小時(shí)后白粉表面無(wú)油漬即為合格[3]。

2.2 鋼管樁插打

（1）插打順序。導(dǎo)向架安裝并復(fù)測(cè)軸線后，按逆時(shí)針?lè)较虿宕蜴i口鋼管樁，順序如下：Y1～Y44、J2、Y45～Y124、J3、Y125～Y168、J4、J169～Y204、J1、Y212～Y248，在Y205～Y211處合龍，完成圍堰插打，如圖2所示。

（2）插打和糾偏。鋼管樁分兩次插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，首次插打預(yù)留1.4 m高度，用于導(dǎo)向框定位和臨時(shí)固定。合龍前將所有鋼管樁二次插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。第一根鋼管樁的垂直度影響整個(gè)圍堰，需要緩慢下放吊鉤并用錘球檢查其垂直度，滿足要求后繼續(xù)插打。其他鋼管樁在定位架和鎖口作用下的偏差較小，每插打10根后檢查垂直度，保持在1%L以內(nèi)（L為樁長(zhǎng)）[4]。

（3）鋼管樁合龍。鋼管樁合龍是關(guān)鍵，決定圍堰質(zhì)量和進(jìn)度。在合龍口兩側(cè)剩7根鋼管樁時(shí)，嚴(yán)格控制傾斜度。通過(guò)測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)后幾根樁的傾斜度，逐漸糾正，確保合龍?zhí)庉S向及法向傾斜度控制在0.2%以內(nèi)。合龍點(diǎn)選在長(zhǎng)邊中部，測(cè)量鋼管樁的底部距離，計(jì)算所需根數(shù)，確定插打工藝。合龍時(shí)，若兩側(cè)鎖口不平行，則采用千斤頂、滑車組或異型鋼管樁進(jìn)行調(diào)整。

2.3 基坑開挖與支撐安裝

地面標(biāo)高為+7.8 m，設(shè)計(jì)基坑底為-6.715 m，基坑總開挖深度達(dá)到14.5 m，擬采用基坑內(nèi)普通挖掘機(jī)挖土+長(zhǎng)臂挖掘機(jī)取土裝車+自卸車運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行地下水以上土方的開挖，采用泵吸+抓斗配合水下開挖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地周邊情況，采用基坑綜合取土施工技術(shù)：基坑頂部至第二層圍檁下方1 m范圍內(nèi)，采用大面積長(zhǎng)臂挖掘機(jī)、小型挖掘機(jī)配合開挖，轉(zhuǎn)運(yùn)土方；第二層圍檁下方1 m至基坑底部，采用泥漿泵、移動(dòng)式鋼絲繩抓斗式起重機(jī)垂直開挖，長(zhǎng)臂挖掘機(jī)配合開挖的方式。

基坑開挖前沿鎖口鋼管樁內(nèi)壁開挖1.2 m×2.0 m的溝槽，并在+4.3 m位置放置圍囹，臨時(shí)固定于鋼管樁內(nèi)壁。隨后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)阡摴軜渡蠝y(cè)量放樣牛腿位置，焊接完畢后，使用履帶吊機(jī)將圍檁和內(nèi)支撐吊裝至牛腿上，確保圍檁頂面標(biāo)高齊平，相鄰牛腿間的頂面高差小于5 mm。圍檁安裝前，提前放置半成品圍檁，并焊接吊耳，通過(guò)鋼絲繩和卸扣連接。第二層圍囹使用φ28-6x9-1870鋼芯鋼絲繩和8 tD形卸扣，確保吊裝安全。為確保圍檁與鎖口鋼管樁的受力良好，采用墊板支墊和鋼板填充密實(shí)縫隙，保證施工質(zhì)量和安全性。

3 施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)與控制

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法

在基坑開挖施工過(guò)程中，必須保證周邊土層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[5]。為此，施工過(guò)程中必須通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施工安排。該項(xiàng)目的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容分為兩大部分：支護(hù)結(jié)構(gòu)體系、周邊土體。

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

鎖扣鋼管樁圍堰監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析是深基坑工程安全的關(guān)鍵步驟。首先，通過(guò)全站儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備進(jìn)行圍堰水平位移、豎向位移、傾斜度、軸力等多項(xiàng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集頻率為每日或關(guān)鍵施工階段；隨后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和整理，利用Excel、Matlab等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析，包括趨勢(shì)、差異、異常值和相關(guān)性分析；最后，將分析結(jié)果整理成報(bào)告，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)、異常情況分析、安全評(píng)估及建議措施。根據(jù)分析結(jié)果，可以調(diào)整施工工序、加固結(jié)構(gòu)、優(yōu)化排水系統(tǒng)并實(shí)施應(yīng)急處理，確保工程安全進(jìn)行。

3.3 根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的調(diào)整措施

根據(jù)深基坑鎖扣鋼管樁圍堰的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以采取以下調(diào)整措施以確保施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。首先，根據(jù)地下水位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化排水系統(tǒng)，以維持圍堰周圍的地下水位穩(wěn)定，減少地下水壓對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。其次，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的結(jié)構(gòu)變形情況，及時(shí)設(shè)計(jì)和加固樁體，采取增加圍堰支撐和加固的措施，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，調(diào)整施工工序和進(jìn)度，可以延緩或加快施工速度，減少潛在的地基變形或破壞風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)立即實(shí)施應(yīng)急處理措施，保障施工區(qū)域和周邊的安全。定期溝通和匯報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給相關(guān)管理層和施工團(tuán)隊(duì)，以確保決策的及時(shí)性和有效性[6]。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

此次研究長(zhǎng)江中下游某跨江大橋索塔深基坑圍堰的設(shè)計(jì)和施工為依托，通過(guò)研究得出以下結(jié)論：

（1）鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)在長(zhǎng)江中下游軟土基礎(chǔ)大深基坑工程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和精確施工，能夠有效控制基坑周圍土體的變形，確保施工安全和周邊建筑物的穩(wěn)定。

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)受力可以看出，最下層圍檁承受的彎矩大于頂部圍檁，設(shè)計(jì)過(guò)程中豎直方向圍檁和內(nèi)支撐體系的剛度從上至下逐漸變大。

（3）在鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)中，止水措施是需要高度重視的關(guān)鍵部分之一，它直接影響圍堰的安全性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及運(yùn)行維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

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