黄冈活力之门大桥深基坑锁扣钢管桩围堰设计与施工

章志平

（中铁九桥工程有限公司 江西九江 332004）

1 前言

通过栈桥及水上钻孔平台的施工，可以得知黄冈活力之门大桥5～8#深基坑原设计的钢板桩围堰方案将很难实施，后经技术经济多方比较，并征得设计单位、业主单位、政府主管部门等各单位同意，将5～8#墩深基坑围堰方案由原设计的钢板桩围堰改为锁扣式钢管桩围堰技术，并取得了理想效果。

2 工程概况

2.1 工程概况

黄冈活力之门大桥位于黄冈城东新区，是赤壁大道跨白潭湖的一座大桥，全长601.3m，主桥采用独塔双索面斜拉桥，塔梁固结体系；引桥采用预应力混凝土连续箱梁，跨径布置为：（2×31+2×30+25）m预应力连续箱梁+（150+150）m独塔双索面斜拉桥+（21+35+3×30）预应力连续箱梁。主塔墩（6#）承台采用分离式承台设计，单个承台为矩形承台，纵向宽23.2m，横桥向长16.9m，承台厚5m，承台埋置深度7m，基坑开挖深度（常水位以下）9.8m；主桥过渡墩（5#、7#）承台为矩形承台，采用C30混凝土，顺桥向宽7.6m，横桥向长8.4m，承台厚度为3.0m，承台埋置深度8m，基坑开挖深度（岛面以下）8m。引桥8#墩为矩形承台，顺桥向宽5.4m，横桥向长8.6m，埋置深度7m，基坑开挖深度（岛面以下）7m。

2.2 地质水文条件

（1）地质条件

根据地勘资料，岩土工程设计参数建议值见表1；基坑各土层主要物理力学性质见表2。

表1 岩土工程设计参数建议值

（2）桥址区地表水发育，主桥墩位于白潭湖，湖水面宽约300m，湖水深2.5～3.5m，白潭湖汇集和排泄大气降水，湖水水位及水量大小与降水量直接相关。其中6#墩位于白潭湖中央，水深3m左右；5#、7#、8#墩位于白潭湖靠近岸边，已人工筑岛。

表2 土层主要物理力学性质

3 深基坑围堰的比选与锁扣式钢管桩围堰的选用

3.1 围堰方案比较（以6#主墩一个围堰为例）

表3

3.2 锁扣钢管桩围堰的选用

3.2.1 双壁钢围堰

由于双壁钢围堰的整体性，使其具有刚度和强度大、围堰内支撑少、止水效果及抗水流冲击优越等特点，被广泛用于深水基坑。但它体积庞大，需要众多大型起吊设备。在覆盖层中的下沉速度较慢，若在刃脚下遇土层中有障碍物，水下清除也较为困难，势必影响工期。针对本工程而言，围堰底部已穿透强风化并进入中风化约0.5m，双壁钢围堰很难下沉到位。另外，双壁钢围堰回收率低造价高。因此，该方案首先予以排除。

3.2.2 拉森钢板桩围堰

拉森钢板桩是制式型材，黄冈周边如武汉等地有出租和出售，钢板桩插打和吊装不需大型起吊和下沉设备，但由于其截面特性，它的惯性矩不到直径630mm壁厚12mm钢管的1/12，抗扭转能力低，导致其插打深度不能进入基坑开挖底部，存在较大安全隐患；围堰内支撑间距密集，对开挖和承台施工干扰较大。

3.2.3 锁扣钢管桩围堰

锁扣钢管桩加工安装比双壁钢围堰简单的多，制作、加工、运输、插打等工艺简单，所需设备少，可一边加工一边插打，大大节约工期。虽一次性投入大，但其回收率高，可重复使用，最后回收的钢管桩可用于主桥箱梁水中支架施工，经济优势明显。由于其惯性矩可截面刚度大于拉森钢板桩，其插打深度足可以插打入基坑开挖底边以下超过1m，其安全性能高。

3.2.4 拉森钢板桩与锁扣钢管桩围堰打桩分析

（1）沉桩阻力

柱桩在施工过程中，其所受沉桩阻力为：

式中：Q——沉桩阻力/kN；

u——钢管桩周长/m；

Ap——钢管桩底面积/m2；

qsik——桩极限侧阻力标准值/kPa；

qpk——桩极限端阻力标准值/kPa。

根据主塔6#墩围堰地质条件，钢管桩抵达设计深度，其最大沉桩阻力为：

根据日本株式会社经验公式结合本项目土质和振动锤参数，计算动摩阻力降低系数0.58，震动下沉阻力为：992.25×0.58=575.505kN。钢管桩施工采用一台50t履带吊配合DZ-90型震动打桩锤实施插打及拔除，其激振力为677kN，大于沉桩阻力575.05kN。

由于拉森钢板桩表面积小于φ630钢管桩，则沉桩阻力也小于钢管桩，故插打时震动锤激振力大于沉桩阻力。

（2）稳定性分析

采用结构分析有限元软件Midas Civil2012。对拉森钢板桩和钢管桩单桩施打至设计深度进行稳定性分析，其激振力为677kN。

计算分析可知：当荷载为：677kN×4.76=3222.52kN时，钢管桩单桩即将发生屈曲，即当激振力为900kN时，钢管桩单桩稳定性满足要求；当荷载为：677kN×0.78=528.06kN时，拉森钢板桩即将发生屈曲，即当激振力为900kN时，拉森钢板桩稳定性不能满足要求。

从上述分析可得出如下结论：

（1）采用DZ-90型震动打桩锤对φ630钢管桩实施沉桩，其激振力大于沉桩阻力；

（2）在钢管桩沉桩过程中结构强度和稳定性满足要求，而拉森钢板桩结构强度和稳定性不能满足要求。

因此，基于地质条件和客观因素的考虑，采用钢管桩作为围堰支付结构是适用的。根据之前水上栈桥、钻孔平台钢管桩插打和桩基施工的实际情况分析，本工程地质水文情况已经十分明确，通过安全技术、经济效益和工期等因素对比，在征得设计、监理、业主、造价监管和政府主管部门的同意后，确定该桥5#、6#、7#、8#墩深基坑采用锁扣钢管桩围堰。

4 锁扣钢管桩围堰的设计

4.1 围堰高程

根据水文地质情况，6#主墩围堰桩顶高程为18.9m，基坑底部高程8m，桩尖进入封底混凝土以下2.1m；5#、7#边墩围堰桩面高程暂定为20m，8#墩围堰桩面高程定为19.3m，桩尖在封底混凝土下入土深度2～4m。

4.2 钢围堰构造及布置形式（以主桥6#墩为例）

围堰采用φ630×12mm的螺旋管两侧分别加焊I16工字钢及φ160×6mm无缝钢管形成锁扣钢管桩单体（如图1）。在围堰钢管桩内侧设置三圈 2HM500×300×18（第三道为 3HM500×300×18 型）钢围囹，（围囹中心标高分别在17.9m、15.5m、12.2m处，各层围囹中间设置φ630×14螺旋管横支撑及角撑。围堰桩长定为13m。

结构设计见图1，主桥围堰平面图2～3。

4.3 围堰止水

图1

图2 主塔6#墩围堰平面图

图3 主塔6#墩围堰立面图

封底混凝土顶面以上钢管桩，如锁口处渗水较大，采用止水砂浆止水。在锁口内灌注止水砂浆，灌浆后锁口内部均被浆体充实，板结的浆体有效地切断了外界水系进入围堰的路径。

止水砂浆的配比见表4。

表4 止水砂浆配合比（kg/m3）

止水示意图见图4。

图4 止水示意图

5 围堰计算

5.1 检算工况

钢管桩检算工况为：

（1）工况1：围堰内吸泥、抽水至14.5m，在15.5m处安装第二道内支撑；

（2）工况2：围堰内继续吸泥、抽水至11.2m，在12.2m处安装第三道内支撑；

（3）工况3：围堰内继续吸泥、抽水至5.9m，浇筑封底混凝土前。

5.2 结构内力计算

采用MIDAS按不同工况进行整体建模验算，对验算结果分析如下：

（1）工况1结构内力分析

第一道支撑安装完成后，第一道支撑中心标高为17.9m，围堰内吸泥、抽水至14.5m（抽水深3.4m，第二道内支撑下1.0m），此时第一道支撑受力处于最不利状态，计算结果：钢管桩围堰第一道支撑反力为35.9kN，钢管桩最大应力为20.74MPa，小于容许应力140×1.3=182MPa。钢管桩最大变形为1.7mm，小于容许变形3400/400=8.5mm。

（2）工况2结构内力分析

第二道支撑（中心标高为15.5m）安装完成后，围堰内吸泥，抽水至11.2m（抽水3.3m，第三道内支撑下1.0m），此时第二道支撑受力处于最不利状态。计算结果：钢管桩围堰第一道支撑反力为25.0kN，钢管桩围堰第二道支撑反力为58.0kN，钢管桩最大应力为20.70MPa，小于容许应力140×1.3=182MPa。钢管桩最大变形为2.0mm，小于容许变形2400/400=6.0mm。

（3）工况3结构内力分析

第三道支撑（中心标高为12.2m）安装完成后，围堰内吸泥，抽水至8.0m（抽水3.2m，封底混凝土底），此时第三道支撑受力处于最不利状态。计算结果：钢管桩围堰第一道支撑反力为24.10kN，管桩围堰第三道支撑反力为197.6kN，钢管桩最大应力为25.07MPa，小于容许应力140×1.3=182MPa。钢管桩最大变形为0.7mm，小于容许变形2400/400=6.0mm。

5.3 围囹结构检算

将围囹及内支撑视为整体刚架结构，利用结构有限元分析软件Midas2012进行分析。由上述计算可知，各工况下围囹受力情况见表5。

表5 各工况下围囹受力情况

（1）第一层围囹结构

通过MIDAS计算，第一层围囹结构计算结果：支撑结构最大正应力为43.67MPa，小于弯曲容许应力140×1.3=182MPa，最大剪应力为12.37MPa，小于剪切容许应力80×1.3=104MPa，即支撑结构满足抗弯和抗剪要求。钢围囹最大变形为3.0mm，小于容许变形6000/400=15.0mm，即支撑结构刚度满足要求。

（2）第二层围囹结构

通过MIDAS计算，第二层围囹结构计算结果：支撑结构最大正应力为67.67MPa，小于弯曲容许应力140×1.3=182MPa，最大剪应力为19.17MPa，小于剪切容许应力80×1.3=104MPa，即支撑结构满足抗弯和抗剪要求。钢围囹最大变形为4.6mm，小于容许变形6000/400=15.0mm，即支撑结构刚度满足要求。

（3）第三层围囹结构

通过MIDAS计算，第三层围囹结构计算结果：支撑结构最大正应力为154.73MPa，小于弯曲容许应力140×1.3=182MPa，最大剪应力为44.18MPa，小于剪切容许应力80×1.3=104MPa，即支撑结构满足抗弯和抗剪要求。钢围囹最大变形为13.3mm，小于容许变形6000/400=15.0mm，即支撑结构刚度满足要求。

5.4 对撑和斜撑结构检算

对撑和斜撑采用φ630×14钢管桩，各工况下斜撑和对撑受力情况见表6。

表6 各工况下斜撑和对撑受力情况

（1）对撑结构

对撑承受轴向力，最大为1838.10kN，为对撑处，采用φ630钢管，管壁厚 t=14mm，φ=630mm，i=217.8mm，A=27093.1mm2，W=4081725mm3，最长对撑i0=18.05m。根据长细比λ=i0/i=82.87，查《钢结构设计规范》附表得稳定系数φ=0.756。

满足要求。

（2）斜撑结构

斜撑承受轴向力，最大为2660.30kN，为对撑处，采用φ630钢管，管壁厚 t=14mm，φ=630mm，i=217.8mm，A=27093.1mm2，W=4081725mm3，最长斜撑i0=9.04m。根据长细比，λ=i0/i=41.51查《钢结构设计规范》附表得稳定系数φ=0.93。

满足要求。

通过钢管桩围堰结构计算分析可知，选用钢管桩作为围堰开挖防护结构，长13m，顶标高+18.9m，入土深度8.6m。钢管桩采用φ630×12mm的螺旋管，其在围堰抽水开挖施工过程中抗弯强度满足要求。在围堰内侧第一、第二道支撑设置一圈2HM500×300×18型钢围囹，第三道支撑设置一圈3HM500×300×18型钢围囹。每层支撑钢围囹各工况下抗弯和抗剪强度均能满足要求，对撑和斜撑采用φ630钢管，壁厚14mm，各工况下强度均能满足要求。

通过钢管桩围堰结构计算分析可知：在本地质和水位条件下，钢管桩围堰的强度、刚度及稳定性均满足规范要求。

6 围堰施工

6.1 锁口钢管桩围堰加工

钢管桩在工地预制场地加工，整体加工完毕后运至施工现场。6#墩锁口钢管桩围堰平面内尺寸27.85m×21.75m，钢管桩顶标高为18.9m（高出施工水位1m以上），打入标高5.9m以下，钢管桩长13m，采用φ630mm×12mm钢管桩，由于桩径较大，根据施工经验，桩径≥45cm时，桩尖不封闭有利桩下沉，故桩尖不采取桩靴封闭加强，而采取桩尖补强圈补强，即在桩尖钢管50cm处外侧焊接10mm厚钢板补强圈。

6.2 锁口钢管桩插打与合龙

钢管桩插打采用50吨履带吊机配合DZ90振动锤插打。先逐根插打至稳定深度，然后依次施打至设计深度。为避免钢管桩倾斜，插打时采用定位导向架。即先施工角桩，对角桩采取加固措施，使其成为定位桩，两根定位桩之间设置定位导向框。

（1）吊 桩

吊机的主钩吊住锁口钢管桩上口、副钩吊住下口同时提升使钢管桩悬空，然后主钩继续提升直至钢管桩垂直，最后松脱副钩。

（2）插 打

①吊机吊运钢管桩至沉桩位置，使其锁口与已沉入钢管桩的锁口阴阳咬合，并从定位架中缓慢下放，直至进入河床不沉、自稳为止。

②取下桩头千斤绳，用吊机主钩吊振动锤到桩头，用锤夹夹紧桩壁；启动振动锤沉桩，直至设计深度停止。下沉过程中要同步松放吊机的起重绳，控制锤身与桩身保持垂直状态。

③锁口钢管桩不能打入到设计深度，可采用桩内射水或吸泥方法辅助下沉。

（3）纠 偏

①第一根钢管桩沉入后的垂直度影响到整个围堰其它钢管桩的垂直度，其打入时要缓慢些，打入到设计深度一半时暂停沉桩，检查桩身的垂直度是否在0.5%L以内，如满足要求则继续开启振动锤沉桩；否则拔出重打。

②其它的钢管桩在定位架和锁口的共同作用下，一般不会产生较大偏差，只需每插打15～20根作一次检查，保证桩身的垂直度在1%L以内即可。

6.3 内支撑施工

（1）在标高17.9m处设置第一道围囹并支撑（水面标高之上）。

（2）围堰内通过潜水员携带高压水枪冲起湖床淤泥层，并通过泥浆泵吸泥外排，运至适当地方沉淀排放。当抽水至14.5m，在15.5m处安装第二围囹。

（3）吸泥挖土抽水至11.2m，在12.2m处安装第三道内围囹。

（4）继续挖土至9m，在10m处安装第四道围囹（临时围囹，封底后拆除）。

（5）在除土深度达到设定标高后，按如下施工顺序安装、焊接支撑系统。

①定位、焊接围囹牛腿。

②安装、焊接围囹。围囹与牛腿接触处采用贴脚焊缝焊接；与锁口钢管桩相切面之间的间隙采用钢板或型钢塞焊。

③安装、焊接顺桥向撑杆。按标高先焊接竖向撑杆的牛腿，然后按撑杆轴线定位、焊接牛腿上的弧形钢板，再吊装、焊接顺桥向撑杆。撑杆与围囹相接处采用环焊，与弧形钢板相接处采用双面贴脚焊缝焊接。

④安装、焊接横桥向撑杆。横桥向撑杆采用短杆与顺桥向撑杆十字连接，其分段长度依据实际尺寸而定。撑杆安装时，采用全站仪和经纬仪按理论坐标定位、定线，确保撑杆在同一轴线上，以避免偏心受压。在与顺桥向撑杆交叉处，采用环焊；与围囹相接处，采用环焊。

⑤角撑和加劲撑：按实际尺寸定尺加工，然后吊装、焊接。与撑杆和围囹相接处均采用环焊。

⑥在围堰承台封底时，按设计位置预埋竖向桁架底脚钢板。在混凝土达到设定强度后，焊接竖向连接桁架。桁架与第一层撑杆焊接牢靠，然后拆除第二层撑杆系统，施工承台。

6.4 基坑出土

围堰内除土厚度约8.6m（+16.5～+7.9m），方量约4353m3，土质主要为淤泥质粘土、残积土、强风化泥质粉砂岩及少量中风化泥质粉砂岩。主要除土工具是挖掘机、泥浆泵和高压射水设备等。

（1）泥浆泵吸泥

围堰基坑上部淤泥质粘土层与粉质粘土层拟采用高压水枪结合泥浆泵除泥并配合长臂挖掘机挖除，运输车运土至指定地点弃土。

（2）坑内挖土

挖至强风化泥质粉砂岩后，抽除围堰内的水，并依此设置安装第一、二、三层围囹与临时支撑系统，抽水同时及时对围堰漏水处进行封堵，对于漏水较大的情况采取集水外排的方法。确认基坑稳定安全后用50T履带吊将小挖机吊入基坑内作业挖土。

（3）挖土顺序：由中间到两边同步对称开挖，先开挖承台中心区域，形成锅底形，然后逐渐向四周开挖到位。在接近封底底标高+8m（10cm碎石垫层）时，人工找平。

（4）开挖到位后，及时设置碎石盲沟，集水井，铺碎石垫层。认真清理钢管桩管壁、锁口以及钢护筒表面的泥土，以保证管壁与封底混凝土的粘结力。

设备配备及设备性能要求：

1m3长臂挖机2台，0.15m3小挖机4台，后八轮自卸车10台，长臂挖机主要在第一阶段淤泥质粘土段配合高压水枪使用（开挖深度≤3.5m），0.15m3小挖机主要在第二节至基坑底使用。配备10套冲泥水枪，每套水枪由一台高压水泵供水，其流量为50m3/h，水枪出口压力为0.6MPa。

6.5 围堰排水

（1）围堰施工排水内容：

本围堰工程排水包括：围堰初期排水、围堰经常性排水、围堰维护排水。

①围堰初期排水

围堰随着围囹安装进度，进行抽排水作业，围堰抽水采用30m3/h潜水泵10台。在抽排水过程中对围堰变形等参数进行实时监控，同时根据渗水情况及时调整抽排能力，发现问题及时采取减慢抽水速度等措施，做好维护工作，确保安全。

②经常排水

经常性排水包括围堰渗水、雨水、地下渗水、混凝土养护等施工废水。

通过在基坑四周挖排水边沟然后汇入集水井，所有废水排放必须先行排入集水井，经充分沉淀后方可以将水排出。

（2）基坑预防突降暴雨措施

为防止陡降暴雨，确保基坑排水，除配备正常的水泵外，另外配备一台发电机，防止暴雨中停电事故的发生。

（3）基坑排水系统维护

根据地质资料和以往工程的施工经验，在施工过程中，排水沟和集水井要经常检查疏通，排水设备要经常保养维护，并有一定的备用水泵，防止意外情况发生。基坑维护安排专人负责，对排水沟等意外情况，及时处理。

6.6 封底混凝土施工

由于岩层属于粉砂岩，存在涌水的可能，因此须进行封底，封底厚1m，采用高流动性C20混凝土。一个承台封底面积为503.49m2，溜槽干灌法封底。

6.7 变形监测

（1）位移监测：在土方开挖前，做好桩顶位移A点标记，准确测量三维坐标。在第一层土方开挖（抽水）时，每天观测一次，观测时间要定时。为减少施工因素对观测成果的影响，定为早上7：00点；在第二层土方开挖时，每天观测两次，上午6：00点和下午18：00观测；在第三层土方开挖时，根据需要，增加观测频率；在封底之前和封底之后三天；第三层支撑拆除前和拆除后。准确记录数据观测数据，并计算与首次观测值的差值。

（2）应力监测：按设计图布置检测仪器。第一层应力监测频率：第二层、第三层土方开挖过程中，与位移监测同步；在封底之前和封底之后三天与位移监测同步；第三层支撑拆除前和拆除后，与位移监测同步。第二层应力监测：在第三层土方开挖过程中与第一层应力监测同步；在封底之前和封底之后三天与第一、二层应力监测同步。

监测结果显示：围堰位移、变形及应力均在规范允许范围之内，并低于方案设计计算值。

7 结束语

黄冈活力之门大桥5～8#墩深基坑工程，从设计到施工，解决了一系列的经济技术问题，最终的锁扣钢管桩围堰技术取得了良好的社会效应及经济效益。锁扣钢管桩围堰施工采用可重复周转利用的钢管、型钢，施工成本大大降低。钢管桩自身有较强的刚度，因此围堰结构设计简便，受力明确，便于进行受力分析和施工管理。施工工序明了，有利于施工质量和安全控制。由于材料均可回收重复利用，提高了材料的周转率，且对环境污染少，符合国家节能降耗与环保要求，值得推广应用。

[1]《钢结构设计规范》（GB50017-2003）.北京：中国计划出版社，2003.

[2]侯兆霞.基础工程.北京：人民交通出版社，2003.

[3]周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册[M].人民交通出版社，2001：772.

[4]李 凡，翟庆龙，等.锁口钢管桩围堰施工与工艺控制[J].公路，2005（10）：33～36.

[5]沈育新.锁口钢管桩围堰的设计与施工[J].

[6]宋永杰.锁口钢管桩围堰的应用[J].细部交通科技，2007（3）：105～107.