郑济高速铁路郑州黄河特大桥锁口钢管桩围堰施工控制关键技术

王海彬

(中铁大桥局集团第一工程有限公司，河南 郑州 450053)

0 引言

郑济高速铁路黄河特大桥为新建郑州—济南高速铁路、河南省规划的郑新市域铁路及郑新快速路跨越黄河的公铁两用桥梁，桥位距上游京港澳高速公路刘江黄河大桥约3.5km，主河槽主桥总长 2 016m， 为桥跨布置(112+6×168+112)m + 7×112m钢桁梁桥。主桥钢桁梁为三主桁结构、双层桥面布置，上层为公路双向6车道，下层为郑济双线铁路和市域双线铁路共4线铁路，总体桥跨如图1所示。

图1 总体桥跨布置(单位：m)

385号墩位于黄河主河槽内，为该黄河特大桥主桥水中墩，承台高5m，平面尺寸为40.3m×19.1m，承台下设置32 (4×8) 根直径2.0m 的钻孔灌注桩; 385号墩承台底标高71.878m，承台顶标高76.878m，所在位置河床标高≤79.700m。承台采用锁口钢管桩围堰，围堰尺寸为43.7m×22.5m×28m，围堰主要由锁口钢管桩、圈梁及内支撑、下放系统、封底混凝土组成，围堰封底厚度为3.5m(标高为68.378～71.878m)，封底总方量为2 991.0m3，385号围堰总体布置如图2所示。

图2 385号墩围堰

1 锁口钢管桩围堰施工方案

承台施工方法较多，要根据不同工程自身特点选择适宜的围堰结构进行水中承台施工。锁口钢管桩围堰与双壁钢围堰和钢板桩围堰相比，既具有围水、挡护特性，又利用了钢管圆形截面的受力特点，简化了结构，同时造价低、施工速度快，但锁口钢管桩围堰多层内支撑施工、锁口钢管桩插打、锁口止水则是围堰施工成功的关键。

郑济高速铁路黄河特大桥385号水中墩施工中采用锁口钢管桩围堰，水深流急且冲刷严重，围堰施工技术难点多，安全风险高，工期紧，围堰施工采用先内支撑后围堰的逆作法工艺，锁口钢管桩围堰共设置3层圈梁及内支撑，3层内支撑锁口钢管桩围堰较好地解决了水深且冲刷严重施工难题。

围堰施工时基本位于86.000m左右。考虑到现场实际施工状况，故利用385号墩钻孔平台局部平台桩作为2层圈梁拼装平台。钢围堰施工前，先将钻孔平台拆除，并在4，5，28，29号护筒位置焊接牛腿作为第2层围堰拼装平台，在该平台顶面拼装第2层圈梁及内支撑，继续焊接安装竖向连接系，并安装第1层圈梁及内支撑。2层圈梁拼装到位后，将2，7，26，31号钢护筒接高，并安装吊挂系统，将1，2层圈梁整体下放，安装导向，插打钢管桩，钢管桩合龙后，基坑内吸泥，达到封底地面标高后进行围堰封底，安装第3层圈梁，开始承台施工。承台施工完成后进行体系转换，承台与钢管桩间回填砂，并浇筑封层混凝土，拆除第3层内支撑。

围堰施工步骤为：以385号墩钻孔平台为依托，施工1，2层圈梁拼装平台→安装第1，2层圈梁及内支撑→将护筒接高，安装吊挂系统→提升1，2层圈梁10cm，拆除钻孔平台→圈梁及内支撑整体下放至设计位置并固定→安装插打钢管桩施工平台并开始插打锁口钢管桩直至合龙→围堰内抽渣吸泥、围堰封底→围堰内抽水，安装第3层内支撑，施加顶力→承台施工并浇筑封层→拆除第3层内支撑及第2层内支撑。

2 锁口钢管桩围堰施工控制关键技术

锁口钢管桩围堰施工从围堰内支撑及钢管桩插打到围堰封底施工全过程，施工工序复杂，锁口钢管桩围堰多层内支撑施工、锁口钢管桩插打、锁口止水则是围堰施工成功的关键，故需对各阶段施工进行详细分析，明确控制要点，以确保围堰顺序安全施工完成。

2.1 圈梁加工

围堰圈梁采用“三角整体加工+内支撑螺栓连接”方式，现场施工便道总宽8.0m，上游侧栈桥总宽10.0m，栈桥护栏高1.2m。第2层圈梁分块最大尺寸为12m×10.8m，第1，2层圈梁在钢结构车间加工成≤12.0m长单根后，运输至栈桥头空场地按设计分块组拼。栈桥头运输至385号墩时利用13m平板车(车厢高1.6m)通过上游侧栈桥运输，圈梁内支撑与圈梁采用螺栓连接方式，圈梁分块整体加工及内支撑螺栓连接便于围堰内支撑系统快捷安装，有效有质地加快围堰施工。

2.2 第1层圈梁拼装

利用钻孔平台部分钢管桩及分配梁作为第1层圈梁及内支撑拼装平台，因围堰施工期桥位处黄河水位为86.200m，原设计第2层圈梁拼装牛腿标高为86.300m，为防止水位上涨影响第1，2层圈梁拼装施工，严重影响工期，项目部及时调整施工方案，拔除中部20根平台支撑钢管桩，保留钻孔平台四角16根钢管桩作为拼装圈梁平台支撑桩，安装桩顶2HN600×200分配梁，并在4，5，28，29号护筒上焊接中间支撑牛腿，该方案有效解决了水位上涨对围堰施工的影响。

2.3 第2层圈梁拼装

利用第1，2层圈梁竖向连接系安装第1层圈梁，第2层圈梁拼装底标高为91.450m，钢护筒顶面标高为92.600m，为保证第1，2层圈梁及内支撑整体下放，利用第1，2层圈梁连接系作为支撑，安装第1层圈梁及内支撑，先在第2层圈梁上安装三角圈梁下连接系竖杆，再安装第1层三角节段圈梁，第1层圈梁直线段区域先将竖杆安装到第1层圈梁直线段上，第1层直线段圈梁及连接系整体吊装与第2层圈梁安装到位，最后安装连接系斜杆。该施工方法有效有质地解决了第1层圈梁及内支撑无拼装平台的施工问题。

为确保顶层三角圈梁安装准确，须把控相应关键点：①支撑顶层圈梁三角的竖向连接系加工尺寸准确；②竖向连接系垂直度及位置安装到位；③顶、底口开口方向与顶层圈梁相对应。竖向连接系顶部开口插入顶层圈梁翼缘板处，须提前将槽口放大尺寸，槽口切割深度必须保持一致。

2.4 圈梁下放

2.4.1围堰吊挂系统

根据现场实测标高，接高2，7，26，31号钢护筒，接高后护筒顶标高100.170m。护筒接高前，先将钢护筒接高加固件焊接至护筒顶，护筒接高加固件位置需摆放准确，护筒对接设置8块扒板，垂直度≤0.5%，对接处采用坡口焊。

钢护筒接高后，安装吊挂系统，吊挂系统由分配梁F1～F3、千斤顶、精轧螺纹钢、垫梁、钢护筒接高加固件、反拉件等组成，385号围堰吊挂系统如图3所示。

图3 385号墩围堰下放系统立面

采用φ40 PSB930精轧螺纹钢，每个下放点设置3根18m长精轧螺纹钢，精轧螺纹钢配置按(12+6)，(9+9)，(6+12)m，均需过连接器。安装精轧螺纹钢时，将连接器安装到位，精轧螺纹钢各深入连接器一半(11cm)，检查连接器套筒是否拧到位，测量护筒垂直度及钢护筒偏位，将钢护筒导向按下放高度预留相应距离，焊接安装导向前端圆弧板。

2.4.2提升1，2层圈梁10cm

利用下放系统将1，2层圈梁提升10cm，具体操作步骤为：上层精轧螺纹钢螺母拧紧，8台千斤顶同步起顶10cm，将下层精轧螺纹钢螺母拧紧，松开上层螺母。1，2层牛腿脱离拼装牛腿后，静止10min检验下放系统安全性，确认无误后方可进行后续操作。

2.4.3拆除2层圈梁下方拼装平台

将拼装平台四角圈梁拼装分配梁2HN600型钢、桩间连接系拆除，利用DZ135打桩锤将管桩拔除，切除中间直线段圈梁下方4条牛腿。拼装平台拆除时，严禁机械、待拆构件碰撞钻孔平台。

2.4.4下放1，2层圈梁

2层圈梁拼装平台拆除后，开始下放1，2层圈梁，385号围堰下放步骤如图4所示。

图4 围堰下放施工步骤

1)步骤1 将上层精轧螺纹钢螺母向上旋拧，留12cm间隙。

2)步骤2 千斤顶起顶，下层螺母与分配梁脱开后停止起顶，将下层螺母向上旋拧10cm。

3)步骤3 千斤顶落顶。

重复上述步骤，直至将圈梁下放到位。

2.5 锁口钢管桩插打

锁口钢管桩长28m，采用一阴一阳锁口钢管，管桩主管采用φ820×12钢管，锁口阴管采用φ219×8，阳管采用锁口I20b。

主管定尺长度按8m+12m+8m，单根管需设置2处接头，管桩对接应平顺过渡，接头处进行坡口焊，外侧加扒板，锁口工字钢及锁口阴管接长时采取等强对接，工字钢接头与主管接头距离≥200mm。在锁口工字钢腹板两侧设置φ16通长止水圆钢，圆钢及阴阳管与主管间采取通长焊，焊缝高度hf=8mm。工字钢对接接头位置焊接完成后，将工字钢腹板需插打经过的位置打磨平顺。

采用导向架+型钢定位架，提高了定位精度，钢管桩插打施工顺序为：自西北角向南第1根钢管桩开始插打，插打第2根桩为角桩，待角桩插打完成后，利用2台起重机配合DZ135振动打桩锤沿大里程及下游方向开始双向插打施工，在大里程下游侧角点附近合龙。钢管桩插打双层导向如图5所示。

图5 钢管桩插打双层导向立面布置

钢管桩合龙通过精确计算，确定合龙口位置。如合龙精度不满足要求，现场实测钢管桩的角度和尺寸，根据实际切割焊接成异形钢管桩，以确保整个围堰密封。

为保证合龙时两侧锁口相互平行，使用方桩进行合龙，合龙时采用2根定制方桩合龙，有效解决了因锁口钢管桩偏差造成合龙困难的问题，合龙两侧剩余10～15根锁口钢管桩时，每打入1根桩均应控制其双向垂直度。若桩身存在偏斜，应逐根纠正，分散偏差，调整合龙。合龙前，在插打最后4～5根桩时，测量缺口位置，计算合龙路径及合龙桩外径，加工大小合适的方桩进行插打。

钢管桩插打完成后，及时进行位移监测，及时记录监测数据，及时反馈信息。

钢管桩插打关键技术：钢管桩插打前，需在锁口位置涂抹黄油，主要起止水、插打过程中增加润滑性作用。钢管桩自上游侧角桩旁第1根标准钢管桩开始插打，沿两侧施工，在下游侧大里程拐角处合龙。插打钢管桩前需设置导向，导向共计设置2层，首根钢管桩插打设置2层导向装置，上层通过在栈桥纵梁上设置型钢定位，下层以2层圈梁为导向插打，钢管桩紧靠圈梁，首根钢管桩双向垂直度要求控制在0.3%以内，阴、阳头位置需安装准确。钢管桩插打双向垂直度≤0.5%，钢管桩长28m，插打至顶面设计标高89.000m。在插打过程中，加强测量工作，发现倾斜及时调整，每完成10 块左右测量校正1次，确保在同一直线上。

2.6 围堰锁口堵漏

钢管桩插打完成后，搭设锁口顶部操作平台，利用高压水管对钢管桩锁口内泥沙进行冲洗，冲洗至封底混凝土底以下0.5m位置，填塞黏土，配合比为红黏土∶麻絮锯末=3∶1，然后将拌合好的红黏土与锯末混合料填塞进锁口内并经捣固杆件振捣密实，填塞至围堰设防水位87.500m以上位置，围堰抽水结束后，对漏水锁口外部利用麻絮针对性堵漏。

围堰锁口堵漏控制要点为：锁口冲砂完成后、填塞混合物前分别对锁口底高程进行严格控制，利用测绳对锁口两侧均进行测量，防止两侧高度不统一。红黏土与锯末混合物拌合过程中，要求现场技术人员全程盯控，对拍打揉搓过后的红黏土混合物进行检查，验收合格后方可进行填塞。

2.7 围堰封底

钢围堰封底平台内侧锁口钢管桩顶设置牛腿，牛腿顶设置2I25b组合型钢，贝雷梁直接搭设在锁口钢管桩顶上，贝雷梁分6组架设，贝雷梁组片间沿横桥向设置拉森IV钢管桩作为通道，共设置5道，供平台封底混凝土浇筑和测量封底混凝土标高使用。贝雷梁顶面按图纸设计布设通长2I25分配梁，下料点部位布置导管卡固定导管，围堰封底分2个隔舱进行，底隔舱面板朝向上游侧，封底施工时先进行上游侧封底施工。采用2台汽车泵供料。封底首封原则是从低到高，先角再边后中间，围堰河床高差不大时，砍球总体顺序为从一端向另一端进行。首封满足导管最小埋深要求，2台汽车泵按顺序逐根导管法砍球浇筑，保持导管四周混凝土的流动性和封底混凝土面同步上升，补方混凝土量根据混凝土面上升情况确定，首封混凝土采用15m3水封总槽+8m3料斗一次连续灌注，保证导管埋深要求。

围堰封底关键点如下。

1)围堰封底时应根据导管编号的先后顺序依次进行各导管的首批混凝土灌注。在灌注过程中应注意控制每个灌注点标高，每灌注1次，能引起混凝土面变动的点即该导管作用半径范围内的测点都要测1次，并记录灌注、测量时间，及时填写水封记录。

2)在水下混凝土浇筑时，混凝土坍落度控制在18～22cm，以满足首灌、补灌及找平阶段的坍落度调整；掺加粉煤灰和高效缓凝剂，以提高混凝土流动性，延长混凝土初凝时间，初凝时间≥24h，混凝土的和易性、流动性要良好，同时要符合泵送和水下灌注混凝土的施工要求。

3)封底施工应严格按方案设计顺序进行，严禁在同一点超量下放混凝土使其自流。

4)封底过程中及封底后48h内，避免围堰承受动荷载，避免受扰动导致护筒与封底混凝土间黏结性能差。

5)封底混凝土顶面标高严格按设计图纸控制，防止承台施工时混凝土凿除数量过大。在混凝土面灌注到距离预计高度约50cm时控制灌注速度，加强观测，严格控制封底混凝土终浇标高。根据现场测点的实测混凝土面高程，确定该点是否终止灌注，终止灌注前上提导管，适当减小埋深，尽量排空导管内混凝土，使其表面平整。混凝土灌注临近结束时，全面测出混凝土面标高，重点检测导管作用半径相交处、周边倒角等部位，根据结果对标高偏低的测点附近导管增加灌注量，力求混凝土顶面平整，并保证厚度达到要求。当所有测点均符合要求后，暂停混凝土灌注，并核对混凝土的灌入数量，以确定所测混凝土高度是否准确，当确定混凝土的顶面标高到位后终止混凝土灌注，拆除灌注导管，冲洗堆放。待混凝土灌注完后拆除料斗、导管、翻板等设备。

2.8 第3层圈梁施工

因桥位处黄河水位上涨，且冲刷严重，第3层圈梁及内支撑安装时间由封底前改为封底后，并对第3层圈梁及内支撑施加预顶力，该方案有效解决了水位上涨及冲刷对围堰施工安全的影响问题，第3层圈梁施工时，分节段安装，考虑到现场钢管桩插打完成，围堰整体受力，钢管桩局部出现变形，为确保圈梁安装顺直，接头处平顺过渡，故将圈梁单边分块安装，线形调直后再予以焊接。如钢管桩局部变形过大，则将长边方向向承台中心位置移动，确保整体线形顺直。若长边方向向内侧移动，则会出现短边方向长度不足现象，故长边安装到位后，提前测量短边尺寸，根据现场实际尺寸切割下料。

内支撑安装也通过法兰连接，第3层内支撑需施加预顶力，内支撑一端用法兰螺栓与圈梁相连，另一端设置垫座、楔块，内支撑安装后，内支撑钢管间设置千斤顶，千斤顶对称与内支撑中心线放置，每根钢管顶端设2台千斤顶，共设置18台100t千斤顶，搭设施工作业平台，对内支撑对顶作业，千斤顶同步顶升，按20，40，70t三级施顶，打入楔块，并将楔块与垫块焊接牢固。

3 结语

郑济高速铁路黄河特大桥位于河南省新乡市原阳县和郑州市中牟县境内，其中主桥385号水中墩采用锁口钢管桩围堰施工，该围堰主要由锁口钢管桩、圈梁、内支撑、封底混凝土、承台封层、下放系统组成，围堰尺寸为43.7m×22.5m×28m，锁口钢管桩主管采用φ820×12钢管，桩长28m，根据锁口形式不同，分角桩及普通一阴一阳管桩。主管采用φ820×12钢管，阳头采用锁口I20b，阴头采用φ219×8锁口管，钢管桩共计128根。

围堰高度达28m，水深达13.3m，主河槽水深流急，黄河为游荡性河流，冲刷剧烈、主河槽位置摆动较大，围堰施工难度大，围堰内支撑下放、围堰合龙、围堰止水效果是围堰施工的重难点。同时，工程质量、施工安全等也达到了较高水平，创造了良好的经济和社会效益。