锁口钢管桩深水围堰工程施工技术探析

吴海军

(漳州市通顺交通建设有限公司 福建漳州 363000)

1 工程概况

马洲大桥中墩N1、S1墩采用矩形圆端承台，分为东西两幅，中墩4个承台基础均采用13根直径2.0m的钻孔桩，承台底高程-3.37m，顶高程为+2.13m，承台平面尺寸23.2m×13.2m，厚5.5m，承台设计为C30混凝土，承台施工采用锁口钢管桩围堰施工。九龙江常水位标高+3.200m，洪水位标高+5.500m，水位易受西溪桥闸径流作用和潮流影响。

根据地勘报告和前期栈桥施工经验，马洲大桥中墩N1墩位处覆盖层厚度约22.5m，其中细砂～中砂层厚度约19m，墩位处河床标高为-2.7m～-3.4m。

N1、S1墩围堰平面净尺寸为27092(长)×16800(宽)mm，高18m，考虑在水位较高时插打钢管桩，围堰顶标高设置为+6m，高出最高水位0.5m，围堰底标高设置为-12m，吸泥清基后围堰入土深度为7.13m。距离围堰顶2.87m设置一道顶层内支撑，距离围堰顶5.87m设置一道底层内支撑，顶底层内支撑结构相同，四周导梁采用2HN700×300型钢，其它支撑杆件均采用2HW440×300型钢，围堰封底采用水下C30混凝土，封底厚度为1.5m，围堰平面、立面、内支撑布置如图1所示。

图1 围堰立面及平面布置图

2 围堰总体设计及施工方案

围堰内壁与承台边缘距离1.15m，承台分两层进行浇筑，第一层浇筑高度3m，第二层浇筑高度2.5m。锁口钢管桩围堰、导梁及内支撑均由专业厂家进行加工制造，采用汽车运输方式运至桥位施工现场。锁口钢管桩围堰主要施工流程：钻孔平台拆除、钢护筒上焊接拼装牛腿，拼装围堰内支撑，割除拼装牛腿，利用钢丝绳将内支撑下放至设计位置后悬挂在钢护筒上，插打锁口钢管桩，围堰内吸泥清基，布置封底平台灌注水下封底混凝土，围堰抽水，钢管桩上焊接支撑牛腿，拆除悬挂钢丝绳，割除钢护筒，桩头处理，浇筑垫层，转入承台施工。

3 锁口钢围堰施工技术

根据施工部署，结合项目水文地质条件，采用有限元软件对本围堰进行受力计算，锁口钢管桩底部与土体之间施加弹性约束。

通过计算，各工况下围堰结构受力、变形满足《钢结构设计规范》[1]要求；基坑抗隆起等均满足《建筑基坑工程技术规范》[2]要求。

3.1 锁口钢管桩加工

锁口钢管桩采用螺旋管、圆钢和钢板加工而成，加工时对精度要求较高，尤其是子扣和母扣轴线必须成180°，转角管成117°或153°。钢管与钢管、钢管与圆钢及钢管与钢板之间的焊接采用满焊，以防渗水。锁口钢管桩主管采用Φ630×10mm钢管，钢管顶底口各设置1道50cm高的加强环，加强环焊接时注意避开子母扣，加强环焊接完成后在主管的两侧焊接子扣和母扣；其中，子扣采用Φ127×4.5mm钢管，子扣钢管与主管间采用2根Φ16圆钢连接，母扣采用Φ152×8mm钢管。为加强母扣的强度，在母扣两侧各焊接一道加强钢板，板厚1cm，如图2～图3所示。为减少或避免焊接变形，焊接时均采用交替焊和分段退焊措施。制作完成后对转角管桩进行编号，确保插打顺利。

图2 子扣加工图片

图3 母扣加工图片

3.2 内支撑导梁安装

桩基施工完成后，利用85t履带吊站位于支栈桥上拆除钻孔平台，保留中间通道及两侧支栈桥；履带吊站位于支栈桥及中间通道作业时，正吊不大于30t，侧吊不大于20t(墩顶侧吊不大于30t)。接着，割除与围堰内支撑有影响的钢护筒，在钢护筒上安装内支撑拼装牛腿，牛腿上测量定出围堰内支撑内外框线。首先拼装底层内支撑，拼装完成后，安装内支撑与钢护筒间的悬挂钢丝绳及临时限位，利用2台85t履带吊机站位于支栈桥桩顶吊起底层内支撑，拆除内支撑拼装牛腿，将底层内支撑下放至设计位置+0.130m标高处。利用6个10t手拉葫芦对其进行悬挂。底层圈梁下放完成后，重新安装牛腿，拼装顶层圈梁，将顶层圈梁下放至设计位置+3.13m标高处并使用6个10t手拉葫芦进行悬挂。悬挂点均布设在6个转角处，内支撑圈梁下放前复核悬挂吊耳标高，确定链条长度，如图4所示。顶层内支撑圈梁下放至标高后，安装斜拉杆、反向挂钩和型钢进行加固。

底层内支撑下放完成后，重新安装内支撑拼装牛腿，在牛腿上测量定出围堰内外框线，拼装顶层内支撑，拼装完成后，安装内支撑与钢护筒间的悬挂钢丝绳及临时限位。利用2台履带吊站位于支栈桥桩顶吊起顶层内支撑，拆除内支撑拼装牛腿，将顶层内支撑下放至设计位置+3.130m标高处。

图4 内支撑安装图片

3.3 钢管桩插打

钢管桩入土深度约7.5m，侧摩阻按中砂层最大40kPa计，动摩阻系数平均取0.5，则单根钢管桩沉桩设计标高需要克服的摩擦力F=(0.63×3.14)×7.5×40×0.5=296.73kN，同时考虑到阴阳锁口之间的摩阻力，为了安全及满足设计要求，根据振动锤的技术参数选用DZJ90振动锤插打围堰管桩。锁口钢管桩沉桩，采用85t履带吊配合选用DZJ90振动锤施工，由围堰上游分两头进行插打。利用顶底层内支撑作导向插打锁口钢管桩，插打步骤如下：

(1)吊桩

吊机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取下桩上口钢丝绳，用吊机主钩起吊振动锤到桩头，用锤夹夹紧桩壁；启动振动锤沉桩，直至设计深度停止。随着下沉过程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，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。所以，打入到设计深度一半时暂停沉桩，检查桩身的垂直度是否符合要求，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，所以，每插打15～20根作一次检查，保证桩身的垂直度符合要求即可。

(4)合拢

①锁口钢管桩由围堰上游分两头插打，到下游合拢，钢管合拢如图5所示。

图5 钢管桩插打合拢完成图片

②钢管桩围堰合拢前，在插打至最后4～5根桩时，测量缺口的宽度，准确计算出合拢桩的外径，加工大小合适的钢管桩运至施工现场插打。

③为保证钢管桩围堰合拢时两侧锁口互相平行，避免使用异型桩进行合拢，减小合拢难度。当钢管桩两端相距10～15根桩的距离时，之后每打入一根桩，均严格控制其垂直度。若桩身存在偏斜，立即逐根纠正，分散偏差，调整合拢。

3.4 吸泥清基

钢管桩锁口围堰施工完成后，布设吸泥机吸泥施工。必要时，配合高压射水进行围堰内吸泥、清基施工。

(1)布设吸泥机

①采用4台吸泥机布设在围堰4个角落上，从四周向中间移动吸泥。

②吸泥机由围堰上布设的起重设备配合施工，其中1台吸泥机备用。

③空气吸泥机风包设置在距离吸泥管口1m～1.5m的位置。

(2)吸泥、清基施工

①吸泥分层往复施工，以逐渐提高吸泥管口至河床面的距离，逐步吸泥至设计标高。

②吸泥至设计标高后，不立即拆除吸泥设备，以待围堰水中泥砂沉淀后继续将泥砂吸干净。

③吸泥管及排泥管弯头处容易堵塞，吸泥时小心防备木块、沙袋掉入围堰内堵塞吸泥设备。

④靠近钢管桩、钢护筒附近的泥砂较难吸出，利用高压射水将泥砂冲散后吸出。

⑤吸泥过程，作业人员站在浮漂上利用测锤勤测量河床标高，尽量减小河床高差。

⑥在围堰内吸泥达到设计标高后，由潜水用高压水枪清除钢护筒及钢管桩上的泥土，检查基底是否平整，对凸出部分进行清理。

3.5 封底

吸泥清基完成后，布设封底平台。封底采用水下C30混凝土，混凝土塌落度控制在18cm～22cm。严格依照封底混凝土浇筑顺序和方法，防止因混凝土浇筑质量而造成封底失效或渗漏。封底采用多导管分布浇筑混凝土。

3.6 围堰堵漏

利用围堰内抽水后，围堰外的水位比围堰内水位高，内外形成水头差的原理，利用水具有一定的吸附力，采用成品塑料薄膜纸进行止水。具体做法：

根据围堰顶至河床面的高度，计算出需要准备的每张薄膜纸长度，将购买的成捆(一般宽度为1m，长度100m)裁剪成若干张小的薄膜纸，将其两端分别系在长度250mm的φ25钢筋(上端以利于固定薄膜纸，下端水中利于配重)上。潜水工再按照钢管桩围堰每道锁口位置下放准备好的小薄膜纸，随着围堰内抽后的水位下降，薄膜纸也被紧紧吸附在围堰的锁口缝隙上，发挥其良好的止水效果。如发现问题，及时采取补救措施，抽水后效果如图6所示。

围堰在缓慢抽水过程中，由专人观察壁体的变形。抽水至底层内支撑标高处时，停止抽水，完成底层内支撑体系的安装和管桩与底层内支撑圈梁之间的抄垫、加固。

3.7 围堰监测

在围堰施工和使用过程中，派专人对锁口钢管桩围堰进行监测。主要观测内容：河床冲刷变化、围堰的沉降、变形观测。每2天对围堰取土、吸泥等各状态进行围堰水平位移和变形观测，每5天对围堰周边河床冲刷、围堰沉降进行观测；围堰抽水、封底、内支撑安拆等工序施工时，单独进行围堰变形观测，测量值监控报警值以累计变化量和变化速率两个值双控。

图6 钢管桩围堰抽水后效果图片

4 施工关键节点及其技术创新

(1)锁口钢管桩围堰受土体与九龙江水双侧压力，给钢管桩局部受力带来一定难度。基于此，通过在管桩母管开槽，表面焊接加强板等方式，以有效改善锁口钢管桩整体受力。

(2)结合围堰钢管桩现场插打垂直度、偏位等实测数据，在CAD中进行三维模拟管桩空间姿态，优化工艺，在厂内特制“上宽下窄”的加宽型锁口管桩，满足围堰合拢需要，取得了很好的止水效果，为后续承台施工创造了良好的作业环境。

(3)钢管桩之间渗水采用塑料膜、土工布、锯木粉等材料进行止水效果良好，可操作性强，资源投入少，能够在干作业环境下快速施工。

(4)围堰内吸泥采用长臂挖掘机、吸泥泵、空气吸泥机等方式，有效提高了施工功效及吸泥清基质量，为粉质泥黏土、粉细砂等不同地层吸泥提供工程实践经验。

(5)锁口围堰钢管桩采取集中加工及胎架上制作，确保了每根锁扣管桩全焊接的精度成型，但加工过程必须避免接头处于局部冲刷线附近，以防漏水。插桩时锁扣要对准，在打桩过程中，施打桩的连接锁扣上涂以黄油等润滑剂，减小阻力，可以保证钢管桩的垂直度，及时测量纠偏及打至预定深度。内支撑整体下放要安装导向与钢护筒之间定位准确，导环与牛腿、内支撑与钢管桩均应满焊牢固，以确保抽水工况时内支撑体系转换的结构安全。浇注水下封底时，混凝土表面无法达到比较平整的要求，在封底时，应将混凝土顶面标高控制在设计标高下20cm左右，待混凝土达到强度，围堰内抽水后，再补浇20cm混凝土调平层。抽水工况中安排专人观察钢管桩围堰的变化及锁扣漏水情况，及时采用用薄膜、棉絮、木条等在外侧嵌塞。

5 结语

综上，锁扣钢管桩围堰截面刚度强，抗弯性能好，加工方便,定位插打速度快，施工设备简单，锁扣止水效果好，钢管桩可全部回收，周转使用，适用于河床起伏较大,土压力不平衡，工程地质条件复杂等情况的深水桥梁基础施工。锁口钢管桩围堰施工技术能克服水文地质条件较复杂，土侧压力较大等困难，具有结构稳定性好，防渗水情况好，能够周转重复使用等特点。有效解决了市政工程施工场地小、交通运输困难的问题，为确保项目工期和节省成本提供了有利条件，对今后市政工程水上桥梁建设具有一定的借鉴意义。