锁扣型钢管桩围堰在水中深基坑中的应用

陆庚 LU Geng

（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

桥梁水中承台围堰中常用的有三种类型：一是土袋围堰，该类型围堰适用于水深较浅且水流平缓的水域，优点是施工成本较低且施工工艺简便，施工速度快；缺点是适用范围小且对周边环境影响较大。二是钢板桩围堰，该类型围堰适用于水深小于5m，地质软弱的水域施工，优点是施工速度较快，围堰止水效果较好；缺点是受钢板桩材料尺寸及受力性能所限，无法用于水深较深的区域，围堰刚度较小，当周边压力较大时变形较大，存在一定的安全风险；三是双壁钢围堰或钢吊箱，该类型围堰适用于水深较深且所需支护面积较大的情况，优点是围堰刚度大，支护后变形较小，在深水施工中优势明显；缺点是围堰安装和拆除较为复杂，施工周期较长施工成本较高，水下作业风险较大，存在一定的安全隐患。在重庆合川至四川安岳高速公路项目渠江特大桥水中主墩承台施工中，该主墩承台位于水下8m 位置，承台较大且进入河床较深，上述几种围堰均不适用，对此项目部通过对渠江水文地形地质的详细勘测后，决定采用锁扣型钢管桩围堰进行水中承台的施工。该类型围堰充分利用了钢管桩刚度大的受力特性，大大提高了围堰的受力性能，保证了围堰内人员作业安全。相比于上述三种类型围堰，锁扣型钢管桩围堰兼具了钢板桩围堰的安拆便捷性和双壁钢围堰的刚度大的优点，从而缩短了围堰的施工周期，降低了水下作业所带来的安全风险，同时钢管桩围堰变形较小，确保了围堰内部作业环境的安全。该类型围堰拆除后的材料还可用于桥梁支架等其他临时工程，提高了材料的使用周转率，降低了施工措施费用。通过现场实际应用，锁扣型钢管桩围堰在水中深基坑施工中取得很好的效果。

1 工程概况

重庆合川至四川安岳高速公路（重庆段）地处成渝经济区腹地，位于川东及渝西北地区，是川渝间一条东西走向的连接高速。渠江特大桥是该项目上一座重要桥梁，该桥起讫桩号为K07+611.96～K8+380，桥梁全长768.04m。主桥采用双塔双索面斜拉桥，桥跨布置为（155+350+155）m=660m。小里程侧引桥采用1×30m 预应力混凝土T 梁，大里程侧引桥采用2×30m 预应力混凝土T 梁。主塔最高139.5m，引桥桥墩最高约30m，设计荷载为公路－Ⅰ级；主桥桥面总宽度31.5m，总净宽为2×11.75m。

渠江特大桥2#主墩位于水中，距岸边约60m，墩位处水深约7.5m-8.5m。承台顶面标高+199.332m，承台底面标高193.332m，承台高度6.0m，承台平面尺寸：22.5m（线路方向）×28.5m（垂直线路方向）。

图1 锁扣钢管桩围堰立面结构示意图

图2 锁扣钢管桩之间连接示意图

2 围堰结构设计

锁扣钢管桩围堰平面尺寸为：37m×27m，围堰顶部标高为+206.7m，深度为13.368m。锁扣钢管桩围堰由φ720mm 螺旋管、锁口（阴口为φ180 钢管，阳口为I20b 工字钢）、限位器、止水袋及内支撑组成，桩间距为1.204m。锁扣钢管桩围堰内设三道水平支撑，在距离围堰顶深度2.768m、6.368m、9.868m 各设置一层支护，第一、三层内支撑顺桥向安装两根主支撑，转角处安装两道斜支撑；第二层内支撑顺桥向安装四根主支撑，转角处安装三道斜支撑。第一、二层围檩采用2-HN700x300 热轧H 型钢，支撑材料采用φ630×12.8mm 螺旋钢管；第三层围檩采用3-HN700x300 热轧H 型钢，支撑材料采用φ820×14mm 螺旋钢管，围檩与支撑钢管端头采用厚δ20mm 钢板焊接牢固，并采用三角形加劲板对钢管桩端头连接钢板进行加强，上下两层内支撑之间采用[20 槽钢进行连接。支撑中心线之间距离由围堰底部距离为2.8m、6.4m、9.9m。围堰内水平支撑杆采用φ600×16mm 钢管，围檩采用双拼HN700x300热轧H 型钢组合焊接而成。

3 锁扣钢管桩围堰受力计算

3.1 荷载及主要计算工况[4]

3.1.1 水流力

式中Fw——水流力标准值（kN）；

V——水流设计流速（m/s），取2.95；

K——水流阻力系数，取1.3；

γ——水的重力密度（kN/m3），取10.0；

A——计算构件在与流向垂直平面上的投影面积*（m2）。

水面处流水压力为：

3.1.2 静水压力

施工水位：14.464-1.496=12.968m

钢管桩底：

3.3.2 建设能源大数据平台。推进能源数据标准化，打通政府、企事业单位数据壁垒，探索多方参与、共建的能源大数据平台。大力发展能源大数据服务应用，实现能源信息整合增值和商业模式创新。

抽水到第三道支撑标高位置，内侧水压力：

根据现场情况，以第三道内支撑安装完毕，抽干围堰内水时最不利工况，验算钢管桩及内支撑受力。

3.2 钢管桩结构受力分析

对围堰整体建立madis 模型，封底完成后，封底混凝土顶面以下25cm 处，作为钢管桩支撑点，1.5m 以下作为嵌固端，整体模型中不考虑锁扣的贡献，只考虑钢管桩、围檩和内支撑参与受力。从而得出钢管桩弯曲应力及围檩剪应力。详见图3 和图4。

图3 钢管桩弯曲应力（MPa)

图4 围檩组合应力（MPa）

弯曲应力σ=127.0MPa<215 MPa，满足要求[2]

组合应力σ=203.8MPa<205 MPa，满足要求！

4 锁扣钢围堰主要施工工艺

4.1 钢管桩围堰施工工艺流程

插打锁口钢管桩围堰→锁口止水→围堰内抽水及内支撑→围堰内吸泥清底→混凝土封底施工→承台施工→墩身施工

4.2 钢管桩导向架定位

为了精确控制钢管桩的打入后的平面位置，设置2 层导向框，导向框采用有足够的刚度且带有平面的工字钢，导向框水平长度控制在10m 左右，为方便钢管桩能顺利插入导向框，导框宽度大于管桩直径2cm，即每边各放大1cm。导框桩与导框焊接牢固。

4.3 钢管桩施工

4.4 内支撑安装

承台底高程为193.332m，围堰顶标高为+206.7m,深度为13.368m，在距离围堰顶深度2.768m、6.368m、9.868m 各设置一层支护，第一、三层内支撑顺桥向安装两根主支撑，转角处安装两道斜支撑；第二层内支撑顺桥向安装四根主支撑，转角处安装三道斜支撑。第一、二层围檩采用2-HN700x300 热轧H 型钢，支撑材料采用φ630×12.8mm 螺旋钢管；第三层围檩采用3-HN700x300 热轧H 型钢，支撑材料采用φ820×14mm 螺旋钢管，围檩与支撑钢管端头采用厚δ20mm 钢板焊接牢固，并采用三角形加劲板对钢管桩端头连接钢板进行加强，上下两层内支撑之间采用[20槽钢进行连接。

边抽水边支撑，直至最后一道支撑完毕。支撑采用钢管进行加固，在吊车的配合下焊接内支撑，焊接要求满焊。同时将围檩与钢管桩间的缝隙用I25 工字钢楔紧，使围檩受力均匀。

①围堰顶以下2.768m 处，割除支撑处钢护筒，安装第一道支撑；

②抽水至围堰顶以下6.368m 处，割除支撑处钢护筒，安装第二道支撑；

③抽水至围堰顶以下9.868m 处，割除支撑处钢护筒，安装第三道支撑。

4.5 吸泥清底

在三层内支撑加固完成后进行围堰内的淤泥清除及基底清理，配备一套吸泥下沉设备，每套设备由吸泥管、无阻塞排污泵、启动柜组成，吸泥管选用φ20 波纹胶管制作而成，端头配备75KW 无阻塞排污泵，高压水枪配合，将基底淤泥冲至排污泵处。为防止围堰内粘土吸泥困难，施工时准备冲抓斗1 套，必要时采用冲抓设备清除围堰内土体。

5 质量保障措施

①加工前先检查进场材料φ720 钢管桩、φ180 钢管、I20b 工字钢等原材料是否合格。在平整的场地上制作钢管桩加工胎架，先将钢管对接成设计长度，然后将锁口钢管及工字钢与钢管定位焊接，最后焊接加劲肋和限位肋。

②每根钢管桩上的锁口要对称位于钢管的同一直径线上，确保钢管桩顺直、不折、不弯。钢管桩的对接焊缝按照Ⅱ级焊缝质量标准检查验收[3]。

③打桩至设计高度前40cm 时，停止振动，振动锤因惯性继续转动一定时间，打桩至设计高度。在锁扣钢管插打过程中，如遇岩层坚硬难以插打至设计标高，则采用冲击钻引孔至设计底标高向上1m 的位置，然后再进行插打[1]。

④当钢管桩长度不够需要接长时，相邻钢管桩接头不得在同一平面上，接头上下位置距离不得少于2m。同一平面上的接头数量不得超过25%。

6 结束语

相比于其他类型围堰，锁扣型钢管桩围堰兼具了其他围堰的优点，通过采用锁扣型钢管桩围堰进行水中承台的施工，使得围堰的安装和拆除均比较方便，缩短了围堰的施工周期，降低了水下作业所带来的安全风险。同时该类型围堰充分利用了钢管桩刚度大的受力特性，使得围堰刚度大变形小，大大提高了围堰的安全性，保证了围堰内人员作业安全。同时锁扣钢管桩围堰拆除后的材料还可用于桥梁支架等其他临时工程，提高了材料的使用周转率，降低了施工措施费用。锁扣钢管桩围堰在水中承台深基坑施工中取得很好的效果，也为后续类似施工提供了借鉴和参考。