水下深基础锁扣钢管桩围堰的设计及施工关键技术
2021-05-14赵建钢
赵建钢 高 辉 施 骏
上海市基础工程集团有限公司 上海 200002
一般深水基础大多采用围堰法施工，目前国内常用的围堰有拉森钢板桩围堰、锁扣钢管桩围堰、双壁钢套箱围堰等。在实施之前，应根据不同项目的施工特点，考虑施工环境，选择最为合理的围堰形式。
拉森钢板桩围堰具有施工方便快速、材料可周转等特点，但其结构本身刚度较小，难以满足深度较大的水下基础施工要求。钢套箱围堰具有结构整体性好、刚度大的特点，但安装工艺复杂，后期拆除困难，且难以周转使用，需要较大的措施投入。
相比其他的围堰形式，锁扣钢管桩具有适应性强、结构稳定、施工周期短、材料可周转使用等特点，适用于水下深基础的施工[1-5]。
1 工程概况
温州市七都大桥北汊桥工程位于瓯江主航道位置，主桥为五跨双塔中央索面叠合梁斜拉桥（图1），水上引桥为5跨钢混叠合连续梁桥，共包含10座水中墩承台（主桥6座，引桥4座）。
图1 七都北汊桥示意
北汊桥水上部分桥梁全长约965 m，除主桥2座主墩承台为高桩承台外，其余承台均为低桩承台，基础埋入河床以下。瓯江潮位为＋4.5 m（高潮位）及－2 m（低潮位）左右，最大水位差6.5 m，桥位处河床标高为－11～－2 m。桥位处地质情况复杂，同时，瓯江是一条山溪性潮汐河流，上游洪峰猛涨猛落，历时短，洪峰流量大，受潮汐影响明显，高低潮位落差大，涨、落潮流速均较大。
2 锁扣钢围堰设计
2.1 设计原则
水中承台埋深最深的为引桥31#、32#承台，其承台底标高为－13.0 m，尺寸36.5 m×9.5 m×4.0 m，承台位置的河床标高为－10.5 m。
围堰结构采用锁扣钢管桩围堰形式，围堰内设置围檩及支撑系统，围堰底设置封底混凝土。围堰设计时考虑以下几方面因素：
1）围堰设计标高考虑满足20年一遇最大高低潮差，高潮位取＋4.9 m，低潮位取－2.0 m，河床标高取－10.5 m，最高水位至河床底取17.4 m（考虑2 m冲刷，封底以下内外平衡）。
2）围堰主要荷载包括：自重、浮力、静水压力、流水压力及土压力作用。
3）由于瓯江环境具有腐蚀性，故围堰设计时材料强度计算考虑结构腐蚀影响。
2.2 围堰结构设计
围堰结构分为锁扣钢管桩、围檩及内支撑系统、封底混凝土三部分，锁扣钢管桩采用φ800 mm×10 mm钢管桩，桩长36 m，锁扣形式采用“C＋O”阴阳锁扣。“C”形锁扣采用φ150 mm×10 mm钢管开槽口，“O”形锁扣采用φ135 mm×10 mm钢管，阴阳锁扣在主钢管两侧通长焊接。围堰的围檩及支撑在高度方向共布置4道。围檩采用H588 mm×300 mm型钢，支撑采用H900 mm×300 mm（下部2道）及H588 mm×300 mm型钢（上部2道）。封底混凝土厚度2 m，采用C30水下混凝土。
2.3 围堰计算
2.3.1 计算模型及荷载组合
围堰计算中锁扣钢管桩按等刚度代换采用板单元模拟，围檩及对撑等采用梁单元模拟，封底混凝土采用混凝土实体单元模拟。
钢围堰采用全模型进行计算，围堰底部为约束x、y、z向的铰接，内支撑支点设置于围檩上，节点处采用刚性连接，封底混凝土在钢护筒处设置x、y方向的约束。具体模型如图2所示。
图2 锁扣围堰计算模型
2.3.2 工况分析
当封底混凝土浇筑完成并达到设计强度后，围堰内抽水至封底混凝土顶面，围堰在自重、浮力、静水压力、流水压力及土压力作用下，围堰自身结构受力最为不利。在此工况下进行围堰自身、抗浮及封底混凝土厚度与强度验算。
2.3.3 计算结果
1）锁扣钢管桩在不利工况下的最大应力为160 MPa，钢管最大变形37.7 mm。
2）围檩及内支撑组合在不利工况下的最大组合应力为151.3 MPa，支撑受最大轴力为－8 534.3 kN（承压）。
3）封底混凝土厚度参照CECS 137：2015《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》验算。浮力取分项系数1.27，自重取分项系数1.0，计算得出封底混凝土最小厚度为1.7 m，现场施工取2.0 m。围堰抽水后，封底混凝土在浮力作用下主要受拉应力影响，其强度应以拉应力控制，封底混凝土主要承受自重、静水压力和浮力的共同作用，对其进行建模计算，封底混凝土拉应力小于1.1 MPa。
4）围堰的锁扣钢管桩入土深度约20 m，桩底入②4层土，计算得出抗隆起安全系数为1.35＞1.25。
3 锁扣钢管桩围堰施工
3.1 锁扣钢管打设
锁扣钢管采用履带吊＋振动锤打设，应结合施工区域水流情况及施工场地合理安排顺序。一般可利用桥梁桩基施工的钢护筒设置定位导向支架，先施工角桩进行定位，随后沿导向支架依次打设钢管，最后在起始点对角线位置的角桩进行合拢。
本工程水上桩基施工平台在搭设时只布置了单侧的施工支栈桥，若在打设前将全部桩基施工平台拆除，则会因距离过远导致设备无法满足作业要求。因此，本工程中锁扣钢管的打设与施工平台的拆除同步进行，即先拆除部分平台，完成半幅锁扣钢管的打设，随后履带吊后退至桩基施工平台范围以外的支栈桥。拆除剩余桩基施工平台后，再完成另外半幅的锁扣钢管打设（图3）。
3.2 围檩及支撑安装
为提高安装效率，围檩及支撑采用从下往上整体带水安装，即每一道围檩及支撑在后场加工成整体，锁扣钢管桩打设完成后，在围堰内部先将围檩及支撑安装标高定位，随后整体直接下放到围堰内。由潜水员确认安装标高到位后，用拉杆直接同支架顶口临时拉结固定。随后安排潜水员排摸每一根钢管同围檩之间的间隙，并用钢墩将围檩同每一根钢管顶紧。
围堰共设置4 道支撑及围檩，其中最底下2 道围檩采用双拼H588 mm×300 mm型钢，支撑采用双拼H900 mm×300 mm型钢。根据下放质量，上部2道围檩及支撑采用2台大吨位吊机抬吊下放，而下部2道围檩及支撑由于自重超过100 t，故采用千斤顶下放。
3.3 基底清理
承台底标高为－13 m，根据围堰计算情况，封底混凝土厚度取2 m，因此基底应清理至－15 m的标高。根据此位置的河床标高（－10.5 m），基底清理深度为5 m左右。
为提高施工效率，基底清理采用伸缩臂挖机＋抓斗抓泥＋吸泥泵联合进行，即在锁扣钢管桩打设完毕后、支撑及围檩安装前，先采用伸缩臂挖机及抓斗挖除基底大部分的淤泥，随后围檩及支撑安装完成后，安装吸泥泵，配合潜水员对钢管、护筒周边等挖机无法清理的位置进行吸泥处理，最后由潜水员对基底清理情况进行排摸。基底清理时重点控制基底清理的标高以及钢管、钢护筒等同封底混凝土接触位置的清淤效果，同时也要对基底承载力情况进行确认，如河床土质较差，承载力不足，应考虑进行块石抛填，以满足封底混凝土浇筑需要。
3.4 封底混凝土施工
围堰封底采用水下C30混凝土。混凝土采用分次浇筑，第1次浇筑1.0～1.2 m，第2次浇筑0.8～1.0 m，并保留厚0.2～0.3 m的找平层。
混凝土浇筑采用导管法水下灌注，根据基坑面积，布置2套浇筑设备（可采用布料导槽或汽车泵）。在围堰内事先布置标高测量点及布料位置。
混凝土浇筑应从一侧两处角点向另一侧顺序推进，同时在另一侧角点处设置吸泥泵，在浇筑混凝土的同时将推挤过来的淤泥吸出，确保封底内不夹泥。
第1次封底完成后，派潜水员对封底混凝土浇筑效果进行排摸，特别是钢管及钢护筒周边位置，同时用吸泥泵清除混凝土表面的浮淤，随后进行第2次封底（图4）。
图3 锁扣钢管打设
图4 围堰封底施工
3.5 围堰抽水及止水
围堰封底混凝土养护至设计强度后，进行围堰的抽水及止水施工。
由于围堰钢管阴阳锁扣之间存在间隙，特别是已经周转使用过的材料，由于钢管或锁扣存在变形，更容易导致漏水的情况。
现场对围堰止水及围堰内积水控制主要采用的方法包括：
1）对于锁扣竖向缝隙的漏水，可向锁扣内灌砂或石屑，同时配合在外侧挂土工织物（包裹在钢筋上）进行止水。
2）对于较大的漏水点，可采用在对应位置焊接钢板＋灌注混凝土的方式进行封堵。
3）在基底布置排水沟和集水井，在施工期间用水泵抽水，保证施工作业面不积水。
3.6 围堰拆除
承台及墩柱施工完成后对围堰进行拆除，拆除按照先围檩支撑、后拔出锁扣钢管桩的顺序进行。
拆除前先对围堰进行回灌，至最下道支撑位置，随后将围檩及支撑割除后分段拆除。最下道支撑及围檩拆除完成后，将水回灌至第3道围檩下口位置，随后拆除此道围檩及支撑。然后按照相同的方法直至完成全部围檩及支撑的拆除。
由于锁扣钢管桩打设深度较深，且锁扣之间摩阻力较大，因此钢管拔出作业的设备（履带吊及振动锤）应根据实际工况需要选择，本项目锁扣钢管桩打设时选用90 t履带吊＋D90振动锤，而拔钢管选用120 t履带吊＋P200液压振动锤。
4 结语
本文以温州市七都北汊桥工程为依托，从结构设计、理论计算、施工实施等方面对深水基础锁扣钢围堰的各个实施要点进行了分析。
1）锁扣钢管桩围堰具有结构安全、施工快速、材料可回收等特点，同时较双壁钢围堰更为经济，适用于深水基础的施工。
2）锁扣钢管桩围堰结构的设计应从工程施工需要出发，结合周边地质、水文、环境等各方面要素综合考虑，其设计重点包括钢管长度确定、支撑系统布置以及锁口防渗水处理等。围堰设计时的受力计算应考虑最不利的施工工况，总体方案确定后，对细部结构进行分析，判断出薄弱环节，在施工中应采取针对性措施。
3）封底混凝土作为承台基坑施工阶段的承载面，也是整个围堰系统底部重要的第1道支撑，基底原河床的清理及封底混凝土浇筑是深水基础施工中最重要的环节之一。确保基底清理及封底混凝土的施工质量，可以保证围堰结构的整体安全，避免基底渗水。
4）围堰安装及拆除应结合施工环境、场地等安排合理的施工顺序及工序衔接。对于深水基础，由于围堰结构受力较大，而且拆除过程存在受力体系的转换，因此拆除施工往往比安装时更需谨慎，每道拆除的工序都应在确认受力体系稳定后，方可继续。
