深水浅覆盖层河床条件桥梁围堰应用研究

蒋海涛

深水浅覆盖层河床条件桥梁围堰应用研究

蒋海涛

(川南城际铁路有限责任公司，四川 自贡 643000)

针对川江河流河床覆盖层浅薄、河床岩面倾斜，桥梁涉水桥墩基础施工难度大，沿用沿海地区水中基础施工技术制约因素较多的问题，以川南城际铁路自贡富顺沱江特大桥主桥3号水中墩基础施工为例，从围堰形式选择、结构设计、围堰下放、纠偏和止水等方面进行深入研究。研究结果表明：此种围堰结构在浅薄覆盖层、倾斜岩面河床条件的应用是成功的，可为类似条件下桥梁涉水基础的施工提供技术参考。

高速铁路；浅覆盖层；深水基础；锁扣钢管桩；围堰

自贡富顺沱江特大桥是川南城际铁路的重难点工程，主桥采用(61+3×100+61) m预应力混凝土连续梁桥[1]，桥长422 m(如图1)。主桥桥址位于黄泥滩水电站库区内，距电站大坝155~262 m，跨越沱江干流河段，河面宽度约300 m，河道通航等级IV-(3)，第2~4号桥墩为水中墩，第4跨斜跨电站通航船闸。3号主墩为122 m钻孔灌注桩基础，桩长14 m；承台尺寸17 m×12.6 m×4 m，加台厚度1 m，承台底面标高+257.619 m；桥墩为钢筋混凝土实心墩[2]。

3号主墩处河床标高261 m。因电站库区具备调蓄功能，以电站坝顶高程+271.5 m作为围堰设计水位，考虑壅水和防撞等因素，围堰顶标高设计为+275.5 m。河床地质构成依次为约1 m厚度表层软土，4 m厚度细砂土，基岩为泥岩夹砂岩。

图1 主桥立面布置图

1 围堰选型

1.1 方案比选

深水基础施工[3−5]常用围堰类型主要有：双壁钢围堰、钢板桩围堰及锁扣钢管桩围堰等，需根据现场条件，综合考虑制作、运输、定位、安装、成本等因素选型[6]，表1为常见围堰的优缺点比较[7]。

按照设计施工水位，围堰内外水头差小于20 m，水流流速小于3 m/s，且河床覆盖层较薄、基岩面倾斜不平。经综合研究，主墩基坑围护选用锁扣钢管桩围堰方案[9]，采用引孔辅助钢管桩入岩。

表1 常见围堰优缺点比较

1.2 结构设计

围堰设计为锁扣钢管桩加内支撑结构(如图2～3)，钢管桩为T-C型咬合口[9]。围堰钢管桩采用Q345B材质、720 mm×10 mm螺旋管，两侧加焊I18字型钢和180 mm×8 mm直缝钢管形成锁扣钢管桩单体。

围堰布置4层围檩，第1层内支撑标高+272.619 m，围檩采用Q235B材质、2HM488×300×11×18型钢，横撑角撑采用Q235B材质、630 mm×10 mm钢管；第2层内支撑标高+268.919 m、第3层内支撑标高+265.419 m，围檩采用Q235B材质、3HM588×300×12×20型钢，横撑角撑采用Q235B材质、800 mm×10 mm钢管；第4层内支撑标高+262.419 m，围檩采用Q235B材质、3HM700× 300×12×20型钢，横撑角撑采用Q345B材质、1 000 mm×10 mm钢管。以I18工字钢牛腿将围檩支撑于钢管桩上。

图2 围堰总体设计图

图3 围堰内支撑及围檩构造图

1.3 受力分析

1.3.1 荷载工况

根据围堰设计洪水频率和设计水位、基坑开挖深度、围堰围檩和内支撑方式等情况，计算围堰钢管桩、围檩、内支撑等受力，主要荷载有：静水压力、动水压力和土压力等[10−11]，按规范进行组合，计算最不利荷载工况[12−13](如表2)。

表2 围堰最不利荷载工况表

1.3.2 边界条件

1) 钢管桩桩端进入岩层[12]，且桩底浇筑封底混凝土，故桩端按固结考虑[11]；

2) 钢管桩以锁扣相连，桩间横向变形可相互约束，但竖向和面外横向受弯约束较弱，故管桩间按释放竖向和面外横向受弯约束考虑，约束刚度按锁扣的最小刚度取值[11]；

3) 钢管桩桩周土在基坑开挖前和回填后视为土弹簧，开挖后按土压力荷载考虑；

4) 围檩及内支撑节点视为刚结，围檩与钢管桩间视为绞结[11]。

1.3.3 计算结论

采用Midas Civil 2015建立3号墩围堰整体计算模型(如图4)，最不利工况下结论为：

1) 钢管桩最大弯曲正应力为max=206 MPa＜[]=210 MPa，最大剪应力为max=55.4 MPa＜[]=210 MPa。

2) 围檩最大弯曲正应力为max=133 MPa＜[]=145 MPa，最大剪应力为max=76.3 MPa＜[]= 120 MPa。

3) 对4层内支撑主钢管和斜钢管分别进行稳定性计算，max=122.3 MPa＜[]=145 MPa。

图4 围堰整体计算模型

2 围堰施工

2.1 钢管桩制作

围堰钢管桩分角桩和标准桩2种类型(如图5)。角桩为转角处连接桩，由厂家标准化加工制作[7]；标准桩在现场钢结构加工场制作[9]。标准桩制作，先将螺旋钢管对接为设计长度，将锁扣工字钢与螺旋钢管定位焊接，然后焊接加劲肋和限位肋。每根桩上的锁扣应对称焊于钢管的直径线上。钢管桩对接焊缝质量按Ⅱ级控制，其余焊缝质量按照Ⅲ级控制；焊缝应充实、无裂纹、不渗水，钢管桩应平直、不弯折。

图5 围堰桩基咬合构造图

2.2 钢管桩施工

2.2.1 施工准备

根据设计图放样出围堰中心线，沿中心线使用DZ90振动锤插打1 200 mm定位钢护筒[6]，使用旋挖钻在钢护筒内施钻1 m引孔至设计标高，振动锤插打第1根锁扣钢管桩[14]；拨出钢护筒前移1 m插打、施钻引孔，以此为循环进行作业。

为保证锁扣钢管安装的垂直度，准备2层由HM488×300@3 000 mm制作的导向框[9]。

经计算，引孔深度(即锁扣钢管桩的入岩深度)应不小于1.5 m[9]，且桩端应在承台底面以下不小于3.5 m。

2.2.2 测量定位

在围堰上下游一定距离，选择河岸上通视条件较好的位置设控制测量点。在导向框安装前，用全站仪测放出围堰的内轮廓线[9]；在锁扣钢管桩插打时，采用前方交汇法、用2台经纬仪测控其垂直度。

2.2.3 吊桩

吊机主钩吊住钢管桩上口、副钩吊住下口，将钢管桩起吊悬空后，主钩继续提升、副钩保持不动，直至钢管桩垂直时放空副钩。

2.2.4 插打

在完成一定数量的引孔后即可施工锁扣钢管桩，具体方法是：

1) 在围堰中心线上、距第1根锁扣钢管桩一定距离，用振动锤插打第2根锁扣钢管桩作为导向桩，在2根钢管桩之间安装导向框[15]，以导向框范围限定为一个施工阶段；

2) 沿导向框用振动锤插打第3根锁扣钢管桩至设计标高，循环完成一个施工阶段钢管桩插打；

3) 一个施工阶段锁扣钢管桩完成插打后，立即灌注C30水下混凝土封底；

重复上述步骤完成全部锁扣钢管桩施工。

2.2.5 纠偏

1) 第1根钢管桩插打的垂直度非常关键，其施打应当缓慢进行，打入到一半设计深度时应暂停插打，并检查桩身的垂直度，若垂直度小于0.5%[6]则可开启振动锤继续插打，否则应拔出重新插打；

2) 其他钢管桩在导向框和锁扣共同作用下，一般不会产生较大偏差，只需每插打15~20根后作一次检查，保证垂直度在1%内即可[6, 16]。

2.2.6 合龙

1) 钢管桩由围堰上游侧依次插打直至合龙；

2) 为确保围堰合龙时两侧锁扣互相平行，应避免使用异型桩合龙；

3) 插打合龙前4~5根钢管桩时，应准确测量缺口尺寸、计算合龙桩桩径，以调整钢管桩加工尺寸；

4) 合龙口剩余10~15根钢管桩时，之后每根桩在插打前均应采用经纬仪控制其垂直度，若桩身存在偏斜，应逐根纠正、分散偏差[17]。

2.3 围檩及内支撑施工

围檩和内支撑施工顺序为：先将围檩与钢管桩连接固定，再安装内撑主钢管，最后连接构造钢管。

2.3.1 围檩施工

围堰合龙后抽水前，在围堰内水面上拼装第3，4层围檩及内支撑，其上下采用315 mm×6 mm钢管连接，拼装成整体后采用液压系统下放至设计标高。按设计标高安装第1层围檩及支撑，围檩及支撑可在岸上下料和拼装，用汽车吊吊装至钢管桩牛腿托架上，紧贴钢管桩安装[14]。然后围堰内抽水安装第2层围檩及支撑，并抽水至河床淤泥层。最后加固第3，4层围檩及支撑。

2.3.2 内支撑施工

1) 在围檩上放样出内支撑安装位置，精确测量两端围檩的净距，根据净距进行内支撑钢管下料，并按相贯线切割企口，企口切割应保证钢管轴线和围檩水平中线重合；

2) 吊机起吊内支撑至对应位置，焊牢内支撑端头与围檩，再用钢板焊接加固围檩顶面与内支撑，最后在围堰转角处安装三角撑。

3 围堰止水

围堰能否成功止水不仅关系到方案的实施成败，更关系到基坑内作业人员生命安全，有必要对围堰渗漏水问题进行系统性研究。经分析，渗漏水主要原因有：钢管桩引孔孔底沉渣清理不彻底，钢管桩锁扣密闭性差，钢管桩桩土锚固薄弱，河床面有裂隙等，相应解决措施如下。

1) 钢管桩施工采用加大直径引孔，管内外孔底沉渣清理不彻底将形成渗水通道，分4步控制：一是引孔钻进即将达到设计孔深时，降低转速，钻斗在原位旋转数圈将虚渣尽量将入斗内带出[18]；二是加大钢管桩插打力度，使之穿过沉渣继续进入完整岩面一定深度，并在钢管桩内利用循环泥浆再带出一定沉渣；三是灌注混凝土时用大方量漏斗装满混凝土快速灌入，利用重力冲击桩底减少孔底沉渣[6]；四是钢管内混凝土浇筑前，将待浇筑钢管缓慢提起一定高度(50 cm左右)，以便混凝土将引孔填充饱满确保钢管桩底有效固结，待混凝土浇筑完成后，再缓缓将钢管插打归位；

2) 钢管桩锁扣内填充物[12]选择强度适宜的材料，以保证围堰既能承受设计水压、又方便拆除时钢管桩拔出；经比选，采用M5黄泥水泥浆[14]，以高压从下至上、缓慢灌注填充；

3) 围堰施工完成后，采取试降水观察围堰闭水效果，若仅个别钢管桩间渗漏水，可派潜水工下水检查，在漏水处贴防水胶布止漏[16]；

4) 围堰内抽水后，若钢管桩底部涌水、漏水较大或漏水处较多，且贴补无效或难以抽干，应是钢管桩封底不严所导致，需即刻停止抽水、让水回灌，在涌水处浇注水下混凝土补强，待混凝土凝固后再抽水观察；

5) 围堰抽水时，若河床底部无明显渗漏，可认为河床岩面整体性较好，岩层不透水，只浇筑垫层即可。若河床底部涌水量大、无法抽水干，应是河床面裂隙渗漏引起，需做好涌水量测定和涌水形态记录，由围堰内外实际水头差和实测涌水量计算渗透压力，以此计算封底混凝土厚度[7, 17]，然后采取旋挖机加抓斗水下开挖至适当深度，并从涌水量较大的渗漏处向基坑边缘引排水沟以泄水压，排水沟覆盖底模后浇注封底混凝土；基坑四周挖汇水沟和集水井，用水泵强制抽排基坑积水[17]；混凝土浇注前应派潜水工下水探明开挖情况[7]，以防漏挖致使封底失败。

图6 围堰实景图

4 结论

1) 大桥施工期间，围堰内虽有少量渗水，但对工程质量、人员和设备安全均未造成影响；同时围堰经受住了70 a一遇洪水和上游大量漂流物撞击考验，可见该围堰方案的选择和应用是成功的。

2) 采取导向桩加导向框限定围堰钢管桩的插打循环，既有利于减小施工难度、减弱钢管桩插打时的相互扰动，又达到及时平差、减小施工误差累积的目的；每个循环完成后应尽快浇筑钢管内封底混凝土，形成稳定体系。

3) 围堰能否顺利合龙，有赖于合龙口的精确测量和合龙钢管桩的精确加工，临近合龙时应加强测量控制、提高钢管桩的制作精度。

4) 止水是围堰的关键，钢管桩封底质量和河床底部涌水应对措施尤为重要，应加强质量控制和预案制定。

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Study on the application of bridge cofferdam in deep water and shallow overburden bed conditions

JIANG Haitao

(Southern Sichuan Intercity Railway Co. Ltd, Zigong 643000, China)

One of the most prominent characteristics of the river in Sichuan province is the shallow riverbed overburden and the inclined riverbed rock surface, which bring great difficulties to the bridge wading pier foundation construction. The main bridge of Zigong-Fushun Tuojiang River Grand Bridge of Southern Sichuan Intercity Railway is a (61+3×100+61) m prestressed concrete continuous beam bridge, located in the reservoir area of Huangnitan Hydropower Station, spans the main section of the Tuojiang River, and it’s main pier is involved in water all the year round. Taking the foundation construction of No.3 pier of the bridge as an example, this paper made an in-depth study from the aspects of cofferdam form selection, structure design, cofferdam lowering, rectifying deviation and stopping water. The results show that the application of this cofferdam structure in shallow over cover and inclined rock face is successful, which can provide technical reference for the construction of bridge wading foundation under similar conditions.

high-speed railway; shallow cover layer; deep water foundation; locking steel pipe pile; cofferdam

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190836

U44；U445.54+3

A

1672 − 7029(2020)07 − 1778 − 07

2019−09−18

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0802202)

蒋海涛(1981−)，男，四川乐至人，高级工程师，从事桥梁设计与高速铁路建设管理；E−mail：81373402@qq.com

(编辑 涂鹏)