鎖口鋼管樁深水圍堰工程施工技術(shù)探析

吳海軍

(漳州市通順交通建設(shè)有限公司 福建漳州 363000)

1 工程概況

馬洲大橋中墩N1、S1墩采用矩形圓端承臺(tái)，分為東西兩幅，中墩4個(gè)承臺(tái)基礎(chǔ)均采用13根直徑2.0m的鉆孔樁，承臺(tái)底高程-3.37m，頂高程為+2.13m，承臺(tái)平面尺寸23.2m×13.2m，厚5.5m，承臺(tái)設(shè)計(jì)為C30混凝土，承臺(tái)施工采用鎖口鋼管樁圍堰施工。九龍江常水位標(biāo)高+3.200m，洪水位標(biāo)高+5.500m，水位易受西溪橋閘徑流作用和潮流影響。

根據(jù)地勘報(bào)告和前期棧橋施工經(jīng)驗(yàn)，馬洲大橋中墩N1墩位處覆蓋層厚度約22.5m，其中細(xì)砂～中砂層厚度約19m，墩位處河床標(biāo)高為-2.7m～-3.4m。

N1、S1墩圍堰平面凈尺寸為27092(長)×16800(寬)mm，高18m，考慮在水位較高時(shí)插打鋼管樁，圍堰頂標(biāo)高設(shè)置為+6m，高出最高水位0.5m，圍堰底標(biāo)高設(shè)置為-12m，吸泥清基后圍堰入土深度為7.13m。距離圍堰頂2.87m設(shè)置一道頂層內(nèi)支撐，距離圍堰頂5.87m設(shè)置一道底層內(nèi)支撐，頂?shù)讓觾?nèi)支撐結(jié)構(gòu)相同，四周導(dǎo)梁采用2HN700×300型鋼，其它支撐桿件均采用2HW440×300型鋼，圍堰封底采用水下C30混凝土，封底厚度為1.5m，圍堰平面、立面、內(nèi)支撐布置如圖1所示。

圖1 圍堰立面及平面布置圖

2 圍堰總體設(shè)計(jì)及施工方案

圍堰內(nèi)壁與承臺(tái)邊緣距離1.15m，承臺(tái)分兩層進(jìn)行澆筑，第一層澆筑高度3m，第二層澆筑高度2.5m。鎖口鋼管樁圍堰、導(dǎo)梁及內(nèi)支撐均由專業(yè)廠家進(jìn)行加工制造，采用汽車運(yùn)輸方式運(yùn)至橋位施工現(xiàn)場(chǎng)。鎖口鋼管樁圍堰主要施工流程：鉆孔平臺(tái)拆除、鋼護(hù)筒上焊接拼裝牛腿，拼裝圍堰內(nèi)支撐，割除拼裝牛腿，利用鋼絲繩將內(nèi)支撐下放至設(shè)計(jì)位置后懸掛在鋼護(hù)筒上，插打鎖口鋼管樁，圍堰內(nèi)吸泥清基，布置封底平臺(tái)灌注水下封底混凝土，圍堰抽水，鋼管樁上焊接支撐牛腿，拆除懸掛鋼絲繩，割除鋼護(hù)筒，樁頭處理，澆筑墊層，轉(zhuǎn)入承臺(tái)施工。

3 鎖口鋼圍堰施工技術(shù)

根據(jù)施工部署，結(jié)合項(xiàng)目水文地質(zhì)條件，采用有限元軟件對(duì)本圍堰進(jìn)行受力計(jì)算，鎖口鋼管樁底部與土體之間施加彈性約束。

通過計(jì)算，各工況下圍堰結(jié)構(gòu)受力、變形滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]要求；基坑抗隆起等均滿足《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》[2]要求。

3.1 鎖口鋼管樁加工

鎖口鋼管樁采用螺旋管、圓鋼和鋼板加工而成，加工時(shí)對(duì)精度要求較高，尤其是子扣和母扣軸線必須成180°，轉(zhuǎn)角管成117°或153°。鋼管與鋼管、鋼管與圓鋼及鋼管與鋼板之間的焊接采用滿焊，以防滲水。鎖口鋼管樁主管采用Φ630×10mm鋼管，鋼管頂?shù)卓诟髟O(shè)置1道50cm高的加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)焊接時(shí)注意避開子母扣，加強(qiáng)環(huán)焊接完成后在主管的兩側(cè)焊接子扣和母扣；其中，子扣采用Φ127×4.5mm鋼管，子扣鋼管與主管間采用2根Φ16圓鋼連接，母扣采用Φ152×8mm鋼管。為加強(qiáng)母扣的強(qiáng)度，在母扣兩側(cè)各焊接一道加強(qiáng)鋼板，板厚1cm，如圖2～圖3所示。為減少或避免焊接變形，焊接時(shí)均采用交替焊和分段退焊措施。制作完成后對(duì)轉(zhuǎn)角管樁進(jìn)行編號(hào)，確保插打順利。

圖2 子扣加工圖片

圖3 母扣加工圖片

3.2 內(nèi)支撐導(dǎo)梁安裝

樁基施工完成后，利用85t履帶吊站位于支棧橋上拆除鉆孔平臺(tái)，保留中間通道及兩側(cè)支棧橋；履帶吊站位于支棧橋及中間通道作業(yè)時(shí)，正吊不大于30t，側(cè)吊不大于20t(墩頂側(cè)吊不大于30t)。接著，割除與圍堰內(nèi)支撐有影響的鋼護(hù)筒，在鋼護(hù)筒上安裝內(nèi)支撐拼裝牛腿，牛腿上測(cè)量定出圍堰內(nèi)支撐內(nèi)外框線。首先拼裝底層內(nèi)支撐，拼裝完成后，安裝內(nèi)支撐與鋼護(hù)筒間的懸掛鋼絲繩及臨時(shí)限位，利用2臺(tái)85t履帶吊機(jī)站位于支棧橋樁頂?shù)跗鸬讓觾?nèi)支撐，拆除內(nèi)支撐拼裝牛腿，將底層內(nèi)支撐下放至設(shè)計(jì)位置+0.130m標(biāo)高處。利用6個(gè)10t手拉葫蘆對(duì)其進(jìn)行懸掛。底層圈梁下放完成后，重新安裝牛腿，拼裝頂層圈梁，將頂層圈梁下放至設(shè)計(jì)位置+3.13m標(biāo)高處并使用6個(gè)10t手拉葫蘆進(jìn)行懸掛。懸掛點(diǎn)均布設(shè)在6個(gè)轉(zhuǎn)角處，內(nèi)支撐圈梁下放前復(fù)核懸掛吊耳標(biāo)高，確定鏈條長度，如圖4所示。頂層內(nèi)支撐圈梁下放至標(biāo)高后，安裝斜拉桿、反向掛鉤和型鋼進(jìn)行加固。

底層內(nèi)支撐下放完成后，重新安裝內(nèi)支撐拼裝牛腿，在牛腿上測(cè)量定出圍堰內(nèi)外框線，拼裝頂層內(nèi)支撐，拼裝完成后，安裝內(nèi)支撐與鋼護(hù)筒間的懸掛鋼絲繩及臨時(shí)限位。利用2臺(tái)履帶吊站位于支棧橋樁頂?shù)跗痦攲觾?nèi)支撐，拆除內(nèi)支撐拼裝牛腿，將頂層內(nèi)支撐下放至設(shè)計(jì)位置+3.130m標(biāo)高處。

圖4 內(nèi)支撐安裝圖片

3.3 鋼管樁插打

鋼管樁入土深度約7.5m，側(cè)摩阻按中砂層最大40kPa計(jì)，動(dòng)摩阻系數(shù)平均取0.5，則單根鋼管樁沉樁設(shè)計(jì)標(biāo)高需要克服的摩擦力F=(0.63×3.14)×7.5×40×0.5=296.73kN，同時(shí)考慮到陰陽鎖口之間的摩阻力，為了安全及滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)振動(dòng)錘的技術(shù)參數(shù)選用DZJ90振動(dòng)錘插打圍堰管樁。鎖口鋼管樁沉樁，采用85t履帶吊配合選用DZJ90振動(dòng)錘施工，由圍堰上游分兩頭進(jìn)行插打。利用頂?shù)讓觾?nèi)支撐作導(dǎo)向插打鎖口鋼管樁，插打步驟如下：

(1)吊樁

吊機(jī)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。

(2)插打

①吊機(jī)吊運(yùn)鋼管樁至沉樁位置，使其鎖口與已沉入鋼管樁的鎖口咬合，并從定位架中緩慢下放，直至進(jìn)入河床不沉、自穩(wěn)為止。

②取下樁上口鋼絲繩，用吊機(jī)主鉤起吊振動(dòng)錘到樁頭，用錘夾夾緊樁壁；啟動(dòng)振動(dòng)錘沉樁，直至設(shè)計(jì)深度停止。隨著下沉過程同步松放吊機(jī)的起重繩，控制錘身與樁身保持垂直狀態(tài)。

③鎖口鋼管樁不能打入到設(shè)計(jì)深度，采用樁內(nèi)射水或吸泥方法輔助下沉。

(3)糾偏

①第一根鋼管樁沉入后的垂直度影響到整個(gè)圍堰其它鋼管樁的垂直度。所以，打入到設(shè)計(jì)深度一半時(shí)暫停沉樁，檢查樁身的垂直度是否符合要求，如滿足要求則繼續(xù)開啟振動(dòng)錘沉樁；否則拔出重打。

②其它的鋼管樁在定位架和鎖口的共同作用下，一般不會(huì)產(chǎn)生較大偏差，所以，每插打15～20根作一次檢查，保證樁身的垂直度符合要求即可。

(4)合攏

①鎖口鋼管樁由圍堰上游分兩頭插打，到下游合攏，鋼管合攏如圖5所示。

圖5 鋼管樁插打合攏完成圖片

②鋼管樁圍堰合攏前，在插打至最后4～5根樁時(shí)，測(cè)量缺口的寬度，準(zhǔn)確計(jì)算出合攏樁的外徑，加工大小合適的鋼管樁運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)插打。

③為保證鋼管樁圍堰合攏時(shí)兩側(cè)鎖口互相平行，避免使用異型樁進(jìn)行合攏，減小合攏難度。當(dāng)鋼管樁兩端相距10～15根樁的距離時(shí)，之后每打入一根樁，均嚴(yán)格控制其垂直度。若樁身存在偏斜，立即逐根糾正，分散偏差，調(diào)整合攏。

3.4 吸泥清基

鋼管樁鎖口圍堰施工完成后，布設(shè)吸泥機(jī)吸泥施工。必要時(shí)，配合高壓射水進(jìn)行圍堰內(nèi)吸泥、清基施工。

(1)布設(shè)吸泥機(jī)

①采用4臺(tái)吸泥機(jī)布設(shè)在圍堰4個(gè)角落上，從四周向中間移動(dòng)吸泥。

②吸泥機(jī)由圍堰上布設(shè)的起重設(shè)備配合施工，其中1臺(tái)吸泥機(jī)備用。

③空氣吸泥機(jī)風(fēng)包設(shè)置在距離吸泥管口1m～1.5m的位置。

(2)吸泥、清基施工

①吸泥分層往復(fù)施工，以逐漸提高吸泥管口至河床面的距離，逐步吸泥至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

②吸泥至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，不立即拆除吸泥設(shè)備，以待圍堰水中泥砂沉淀后繼續(xù)將泥砂吸干凈。

③吸泥管及排泥管彎頭處容易堵塞，吸泥時(shí)小心防備木塊、沙袋掉入圍堰內(nèi)堵塞吸泥設(shè)備。

④靠近鋼管樁、鋼護(hù)筒附近的泥砂較難吸出，利用高壓射水將泥砂沖散后吸出。

⑤吸泥過程，作業(yè)人員站在浮漂上利用測(cè)錘勤測(cè)量河床標(biāo)高，盡量減小河床高差。

⑥在圍堰內(nèi)吸泥達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，由潛水用高壓水槍清除鋼護(hù)筒及鋼管樁上的泥土，檢查基底是否平整，對(duì)凸出部分進(jìn)行清理。

3.5 封底

吸泥清基完成后，布設(shè)封底平臺(tái)。封底采用水下C30混凝土，混凝土塌落度控制在18cm～22cm。嚴(yán)格依照封底混凝土澆筑順序和方法，防止因混凝土澆筑質(zhì)量而造成封底失效或滲漏。封底采用多導(dǎo)管分布澆筑混凝土。

3.6 圍堰堵漏

利用圍堰內(nèi)抽水后，圍堰外的水位比圍堰內(nèi)水位高，內(nèi)外形成水頭差的原理，利用水具有一定的吸附力，采用成品塑料薄膜紙進(jìn)行止水。具體做法：

根據(jù)圍堰頂至河床面的高度，計(jì)算出需要準(zhǔn)備的每張薄膜紙長度，將購買的成捆(一般寬度為1m，長度100m)裁剪成若干張小的薄膜紙，將其兩端分別系在長度250mm的φ25鋼筋(上端以利于固定薄膜紙，下端水中利于配重)上。潛水工再按照鋼管樁圍堰每道鎖口位置下放準(zhǔn)備好的小薄膜紙，隨著圍堰內(nèi)抽后的水位下降，薄膜紙也被緊緊吸附在圍堰的鎖口縫隙上，發(fā)揮其良好的止水效果。如發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，抽水后效果如圖6所示。

圍堰在緩慢抽水過程中，由專人觀察壁體的變形。抽水至底層內(nèi)支撐標(biāo)高處時(shí)，停止抽水，完成底層內(nèi)支撐體系的安裝和管樁與底層內(nèi)支撐圈梁之間的抄墊、加固。

3.7 圍堰監(jiān)測(cè)

在圍堰施工和使用過程中，派專人對(duì)鎖口鋼管樁圍堰進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要觀測(cè)內(nèi)容：河床沖刷變化、圍堰的沉降、變形觀測(cè)。每2天對(duì)圍堰取土、吸泥等各狀態(tài)進(jìn)行圍堰水平位移和變形觀測(cè)，每5天對(duì)圍堰周邊河床沖刷、圍堰沉降進(jìn)行觀測(cè)；圍堰抽水、封底、內(nèi)支撐安拆等工序施工時(shí)，單獨(dú)進(jìn)行圍堰變形觀測(cè)，測(cè)量值監(jiān)控報(bào)警值以累計(jì)變化量和變化速率兩個(gè)值雙控。

圖6 鋼管樁圍堰抽水后效果圖片

4 施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及其技術(shù)創(chuàng)新

(1)鎖口鋼管樁圍堰受土體與九龍江水雙側(cè)壓力，給鋼管樁局部受力帶來一定難度?；诖?，通過在管樁母管開槽，表面焊接加強(qiáng)板等方式，以有效改善鎖口鋼管樁整體受力。

(2)結(jié)合圍堰鋼管樁現(xiàn)場(chǎng)插打垂直度、偏位等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在CAD中進(jìn)行三維模擬管樁空間姿態(tài)，優(yōu)化工藝，在廠內(nèi)特制“上寬下窄”的加寬型鎖口管樁，滿足圍堰合攏需要，取得了很好的止水效果，為后續(xù)承臺(tái)施工創(chuàng)造了良好的作業(yè)環(huán)境。

(3)鋼管樁之間滲水采用塑料膜、土工布、鋸木粉等材料進(jìn)行止水效果良好，可操作性強(qiáng)，資源投入少，能夠在干作業(yè)環(huán)境下快速施工。

(4)圍堰內(nèi)吸泥采用長臂挖掘機(jī)、吸泥泵、空氣吸泥機(jī)等方式，有效提高了施工功效及吸泥清基質(zhì)量，為粉質(zhì)泥黏土、粉細(xì)砂等不同地層吸泥提供工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

(5)鎖口圍堰鋼管樁采取集中加工及胎架上制作，確保了每根鎖扣管樁全焊接的精度成型，但加工過程必須避免接頭處于局部沖刷線附近，以防漏水。插樁時(shí)鎖扣要對(duì)準(zhǔn)，在打樁過程中，施打樁的連接鎖扣上涂以黃油等潤滑劑，減小阻力，可以保證鋼管樁的垂直度，及時(shí)測(cè)量糾偏及打至預(yù)定深度。內(nèi)支撐整體下放要安裝導(dǎo)向與鋼護(hù)筒之間定位準(zhǔn)確，導(dǎo)環(huán)與牛腿、內(nèi)支撐與鋼管樁均應(yīng)滿焊牢固，以確保抽水工況時(shí)內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)安全。澆注水下封底時(shí)，混凝土表面無法達(dá)到比較平整的要求，在封底時(shí)，應(yīng)將混凝土頂面標(biāo)高控制在設(shè)計(jì)標(biāo)高下20cm左右，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度，圍堰內(nèi)抽水后，再補(bǔ)澆20cm混凝土調(diào)平層。抽水工況中安排專人觀察鋼管樁圍堰的變化及鎖扣漏水情況，及時(shí)采用用薄膜、棉絮、木條等在外側(cè)嵌塞。

5 結(jié)語

綜上，鎖扣鋼管樁圍堰截面剛度強(qiáng)，抗彎性能好，加工方便,定位插打速度快，施工設(shè)備簡單，鎖扣止水效果好，鋼管樁可全部回收，周轉(zhuǎn)使用，適用于河床起伏較大,土壓力不平衡，工程地質(zhì)條件復(fù)雜等情況的深水橋梁基礎(chǔ)施工。鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)能克服水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，土側(cè)壓力較大等困難，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，防滲水情況好，能夠周轉(zhuǎn)重復(fù)使用等特點(diǎn)。有效解決了市政工程施工場(chǎng)地小、交通運(yùn)輸困難的問題，為確保項(xiàng)目工期和節(jié)省成本提供了有利條件，對(duì)今后市政工程水上橋梁建設(shè)具有一定的借鑒意義。