余姚江特大桥水中墩围堰设计与施工方法探讨

徐亚平 中国铁路上海局集团有限公司工程质量监督站

1 工程概况

余姚江特大桥为宁波枢纽庄桥至宁波段增建三四线重难点控制性工程，大桥位于既有杭深上行线余姚江特大桥上游约25 m处，主要为跨越余姚江而设。特大桥跨越余姚江采用3跨简支钢桁梁结构形式,孔跨布置为1 m-80 m钢桁梁+1-128 m钢桁梁+1 m-80 m钢桁梁。设置有水中墩两个，分别为14#墩及15#墩，本文重点对两个水中墩的围堰设计及施工方法进行探讨，两个水中墩平面布置如图1。

图1 水中墩平面布置图

2 工程地质、水文条件

施工前开展工程地质、水文地质和气候情况调查，发现桥址区均分布有淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土和流塑状粉质黏土。桥址区淤泥质粉质黏土：流塑，厚度约27.5 m；粉质黏土：流塑，厚度约6.5 m；粉质黏土：软塑，厚度约4.6 m；中粗砂：密实，厚度7.7 m。

宁波四季分明，冬夏季长达4个月，春秋季仅约2个月。主要雨季有3～6月的春雨连梅雨和8～9月的台风雨和秋雨，主汛期5～9月的降水量占全年的60%，施工中遇有极端天气时应暂停施工。

3 围堰设计及施工工艺

3.1 围堰结构设计

两主墩承台位于余姚江水中，考虑水文、地质情况，通过计算，对方案的安全性、经济性、可实施性等方面分析比较，决定采用锁口钢管桩围堰对主墩承台墩身施工。逐根插打锁口钢管桩至设计位置，围堰支撑、内吸泥封底，抽水，施工承台墩身。主墩承台为一级承台，承台结构尺寸为9 m（纵）×18.9 m（横）×3 m（高），围堰尺寸根据锁口钢管桩排布为12.69 m（纵）×21.55 m（横），与承台边缘净空为92 cm。

锁口钢管桩结构形式为钢管桩+H型钢围檩+钢管桩内撑，锁口钢管桩采用Q345φ820 mm×12 mm钢管，工字钢围檩采用双拼Q345H588H型钢，内撑采用φ609 mm×16 mm钢管。根据实勘地层地质情况，14#墩锁口钢管桩长度设计为38 m，锚固深度为21.61 m；15#墩钢管桩长度设计为30 m，锚固深度为13.36 m。围堰内共设置3道内支撑，距围堰顶1.5 m，4.0 m，4.0 m各设置一道。封底混凝土厚2.5 m，采用C40混凝土。根据宁波地区防洪及施工洪评要求，围堰防洪能力按照10年洪水位设计。14#、15#墩基坑从上而下共设置三道支撑，第一道支撑中心距围堰顶为1.5 m，其余二道支撑中心间距均为4 m。围檩均采用双拼H588×300×12×20，加缀板焊接而成。钢管桩围堰渗漏一般出现在锁口位置，因此施工过程中重点加强对锁口的检查。

3.2 围堰结构验算

3.2.1 计算模型

围堰结构土压力计算根据朗肯土压力理论，按土层分布进行分层计算。围堰结构按平面杆系结构弹性支点法进行内力和位移的计算。支撑结构按平面问题进行分析，取“荷载-结构”模式，采用弹性有限元法进行结构计算。

3.2.2 荷载组合及分项系数

（1）永久荷载

①结构自重：钢管支撑、钢围檩重度γ=78.5 kN/m3。

②地层压力：竖向压力按计算截面以上全部土柱重量计算；施工期间作用在围护结构上的主动区土压力按朗肯公式的主动土压力计算。

③水压力：施工期间基坑内水位按基坑底面下1.0 m计算。基坑外按水位标高2.0 m计算。

（2）可变荷载

施工超载：围堰外侧按10 kN/m²（均布）考虑，模拟栈桥邻围堰结构边及土方车、挖机作用的超载。

（3）荷载组合

围护结构及内支撑体系按施工阶段进行强度、刚度和稳定性计算。因本基坑围护结构安全等级为一级，在验算构件强度时，根据浙江省地方标准《建筑基坑工程技术规程》（DB33/T 1096-2014）采用综合分项系数1.25，基坑重要性系数1.1。

3.2.3 围堰稳定性验算

（1）通过对φ820 mm×12 mm C0型锁口钢管桩+三道钢支撑+水下封底混凝土进行了围堰稳定性验算，验算围护桩桩身抗弯强度，基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性、内支撑、围檩稳定性强度等内容，结果表明，围堰整体稳定性系数、抗隆起稳定性等均满足相关规范标准要求。

（2）φ820 mm×12 mm C0型锁口钢管桩围堰+三道钢支撑+水下封底混凝土的围堰方案，桩身截面抗弯验算、桩身位移均满足规范要求。

3.2.4 封底混凝土抗隆起验算

封底混凝土主要作用是：防水渗漏和抵抗水浮力在封底混凝土底部形成的弯曲应力，以及作为承台的承重底模。水下封底混凝土承受的荷载按照施工中最不利的情况考虑，即在围堰封底以后，围堰内的水被抽干，封底混凝土将受到可能产生的向上水压力的作用，封底混凝土主要受静水压力、自重以及封底混凝土与CO型锁口钢管桩围堰、桥梁工程桩侧壁摩阻力的共同作用。经验算，抗隆起满足要求。

3.3 施工工艺

3.3.1 总体施工顺序

按设计顺序打设锁口钢管桩→抽水至第一道围栏下1 m,施工第一道支撑及围檩→搭设钻孔桩平台→埋设钢护筒、钻桩→钻桩完成，拆除钻桩平台→抽水至第二道围檩下1 m，施工围檩及对撑→放水至内外水位标高一致，吸挖泥至封底混凝土底→浇筑封底混凝土2.3 m→抽水至第三道围檩下1 m，施工围檩及对撑→抽水至封底混凝土顶面，拆除护筒和桩头→浇筑0.2 m垫层→施工承台混凝土→承台施工完成后，承台四周回填2.5 m砂并夯实→浇筑承台四周50 cm混凝土→第一次墩身施工8 m→浇筑墩身顶帽→采用砂或质粉质黏土回填至三道支撑下1 m，拆除第三道支撑→采用砂或粉质黏土回填至二道支撑下1 m，拆除第二道支撑→回抽水至第一道支撑下1 m，拆除第一道支撑→回抽水保持内外水位相同→拔出锁口钢管桩。

3.3.2 锁口钢管对接焊接施工

先将钢管对接成设计长度对接，一根钢管桩吊起平放在可旋转的固定架上，另一根钢管桩吊放在钢管桩成一条直线由两台门架式手拉葫芦调节至同一轴线，管口应打坡口至5 mm然后将两根钢管桩定位焊接。每根钢管桩上的锁口要对称对位在同一直径线上。接口处满焊不得高于钢管外径，然后在对接处紧贴管壁焊4块加强钢板（锁扣中间焊两块），尺寸30×40×10（mm）瓦形板。质量要求：焊缝饱满、无沙眼或漏焊现象，钢管桩制作标准按规定执行。

3.3 锁口钢管桩插打

在围堰上下游一定距离的河岸陆地上设置控制测量点。在导向梁安装之前，用全站仪测放出围堰的内轮廓线；在钢管桩插打过程中，用全站仪控制锁口钢管桩的垂直度。

（1）工工艺流程

准备工作→仪器定位→安装导向架→插入管桩→锁口钢管桩→下一根管桩施工。

（2）施工方法

①钢管桩从上游侧围堰中心开始打入第一根钢管桩，然后逐步向两边插打，在下游合龙，最初的一、二根钢管桩的打设位置和方向要确保精度，以起到样板的作用。为防止锁扣中心线平面位移，在打桩进行方向的钢管桩锁扣处设卡板，阻止钢管位移。钢管桩合龙通过精确计算，确定合龙口位置，合龙口的位置选择在距离角桩4～5根的钢管桩位置合拢。

②为了确保每一根钢管桩插打准确，第一根钢管桩是插打的关键，第一根钢管桩位置选择在上游中心位置，插打前在导向架上设置限位装置，大小比钢管桩每边放大1 cm，插打时，钢管桩桩背紧靠导向架，边插边将吊钩缓慢下放。

③通过检测，确定第一根钢管桩插打合格后，然后以第一根钢管桩为基准，再向两边对称插打每一根钢管桩到设计位置。整个施工过程中，要用全站仪始终控制每根桩的垂直度在0.5%以内，出现偏差时及时调整。

④在整个钢管桩围堰施打过程中，开始时插一根打一根，即将每一根钢管桩打到设计位置，到剩下最后5根时，要先插后打，若合拢有误，用倒链或滑车组对拉使之合拢，合拢后，再逐根打到设计深度。

⑤连通阀安装

为保证钢管桩合拢后围堰内外水头一致，避免因江水涨落造成围堰内外水头不一致而产生不平衡水压力，在钢管桩上设置连通阀，保证围堰内水位不论涨还是落始终与围堰外水位一致。围堰在钢管桩侧壁上安装两个直径30 cm的连通阀，在合拢前保持连通阀处于开启状态，待内支撑安装到位后，利用低潮位期间，关闭连通阀，开始围堰的抽水开挖工序。

⑥每一根钢管桩先利用自重下插，当自重不能下插时，才进行加压。

⑦钢管桩插打至设计标高后，立即与导向架进行焊接，以抵抗水流冲击。

⑧插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。在插打过程中，钢管桩下端有上挤压，钢管桩锁扣和锁扣之间缝隙较大，上端总会产生向远离第一根钢管桩的方向倾斜。因此，每打四五根钢管桩就要用垂球吊线，将钢管桩的倾斜度控制在0.5%以内，超过限定的倾斜度应予纠偏（一次性纠偏不能太多，以免锁扣卡住）。

3.3.4 封闭合拢

（1）锁口钢管桩由围堰上游分两头插打、到下游合拢。

（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，准确计算出合龙桩的外径，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龙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，均须用全站仪控制其垂直度。若桩身存在偏斜，应逐根纠正，分散偏差，调整合拢。

4 变形监测

4.1 监测点布置

监测点一般选在视野开阔、不影响施工、内力和变形的关键特征位置，测点标志应稳固、明显。

（1）基坑及支护结构

钢管桩顶部的水平和竖向位移监测点沿基坑周边布置，横桥向每侧按间距（2.57+6.60+3.30+6.60+2.57）m处布置监测点（每边4个点），纵桥向按间距(2.88+3.3+3.3+2.88)m布置监测点（每边3个点）,桩顶四周共布置14个测点，均布置在钢管桩顶。

（2）内支撑的内力

内支撑的内力监测点布置在第二道、第三道和第四道内支撑上，三道支撑的监测点在竖向上保持一致。每层支撑的内力监测点布置3个，布置在两道斜撑和对撑上，测点布置在支撑的端头。

（3）坑底隆起

在基坑纵、横向中心剖面线上，同一剖面上的测点不少于2点。

（4）围堰内地下水位监测

水位监测点布置在基坑中央和周边拐角处。

4.2 监测要求

水中深基坑及围堰工程支护安全等级为一级，基坑监测安全等级为一级。在整个施工过程中应进行全过程监测，实行动态管理和信息化施工。

当出现下列情况时应提高监测频率：

①监测数据达到报警值；

②监测数据变化较大或者速率加快；

③支护结构出现开裂；

④周边平台和栈桥出现较大沉降、不均匀沉降和位移变形；

⑤基坑底部、侧部出现管涌、渗漏或流砂等现象；

⑥基坑底部出现隆起。

5 结束语

通过设计φ820 mm×12 mmCO型锁口钢管桩围堰+三道支撑+水下封底混凝土围堰进行整体建模，对施工工况进行全过程模拟，分析出围堰内封底后抽干水工况最为不利工况，验算围堰结构强度、刚度、稳定性。施工过程中严格监测、监控，保证施工安全性，成功完成锁口钢管桩围堰施工。施工效率高，工期短，取得较好经济效果，可供同类工程参考。