高水位复杂地层无封底混凝土锁口钢管桩围堰施工关键技术*

黎建宁，甄玉杰，李华龙，罗国龙，卢慧忠

(中建三局集团有限公司，陕西 西安 710065)

1 工程概况

西安市建材北路(北辰大道—迎宾大道)工程为东西走向，全长2.318km，为城市主干路。建材北路跨灞河桥主桥采用双塔空间索面自锚式悬索桥，结构体系为半漂浮体系，矢跨比为1/4.02，跨径布置为(50+116+300+116+50)m，全长 632m，加劲梁和桥塔均为钢结构，钢箱梁顶板宽56m，桥塔高123m。

桥塔采用承台桩基础，承台顺桥方向长 35.25m，横桥方向长 29m，高 5m。承台上方设置塔座，塔座底部尺寸26m×22m，顶部尺寸20m×16m。承台下设置群桩基础，桩基全部采用直径 2.5m 钻孔灌注桩，顺桥向设置6 排，横桥向设置 5 排，横、纵向桩中距均为 6.25m。桩基共计30 根，桩长 65m。桥塔基础构造如图1所示。

图1 桥塔基础构造(单位：cm)

2 工程地质条件

根据已完成钻孔现场钻探描述、原位测试及室内土工试验结果，拟建场地地基土(勘探深度80.50m范围内)自上而下为：人工填土、第四系全新统冲积砂类土及碎石类土、第四系上更新统及中更新统冲积粉质黏土及砂类土等。

根据地勘资料，建材北路稳定地下水位埋深8.8～19.50m，属潜水类型。其中桥址区地表水主要为灞河河水。灞河属渭河一级支流，为雨水补给性河流，在桥位区水流方向呈北西向。灞河流域面积约2 577km2，多年平均径流量15.636m3/s；年平均最大径流量33.295m3/s(1983年、1964年)，年平均最小径流量3.964m3/s(1995年)，百年一遇频率洪水流量3 300m3/s，桥位处单式断面，全断面过流，该段灞河平均比降约为1.58‰。

3 施工关键技术

深水承台常用的施工方法一般有双壁钢围堰、钢板桩围堰和钢管桩围堰，其中锁口钢管桩围堰综合了钢板桩围堰和双壁钢围堰挡水、围护特性，截面强度及刚度大、适应性强、支撑简单方便、施工速度快。钢管桩围堰制作、加工、安装方便灵活，工艺简单，无需大型机具设备，同时简化了结构。在特殊地质条件下施工方便、造价低、安装过程中不易变形，具有很好的穿透和贯入特性，能适应于各种复杂地层。

对于高水位地质条件，锁口钢管桩围堰一般均需设置封底混凝土，以抵抗坑底水土压力和防止坑底突涌。封底施工是钢围堰施工的关键工序，但传统的水下封底混凝土施工方法存在施工流程复杂、施工周期长、施工造价高的问题。

3.1 施工步骤

针对传统锁口钢管桩围堰水下封底混凝土施工存在的弊端，以建材北路跨灞河桥为依托，进行技术创新，提出一种高水位复杂地层无封底混凝土锁口钢管桩围堰施工方法，施工步骤如下。

1)步骤1 利用导向架在基坑周围插打一圈锁口钢管桩形成围堰壁体。

2)步骤2 采用旋挖钻机从钢管桩内向下进行旋挖，在钢管桩内安装降水井，如图2所示。降水井自河床面往下穿越深处隔水层。

图2 无封底混凝土锁口钢管桩围堰示意

3)步骤3 每个降水井内安装1台潜水泵，潜水泵配置自动开关、流量表和出水口。

4)步骤4 将围堰内水位降至基坑底以下，进行基坑支护、开挖、清基至承台底部。

5)步骤5 浇筑承台底部混凝土垫层，在无水环境下完成承台施工。

3.2 钢围堰设计

钢管桩采用T-C型锁口钢管桩，主管采用φ820×10 Q235钢管，锁口阴头为φ180×8钢管，阳头为I20b。钢管桩距承台边缘预留2m间距，方便承台施工时模板安装。围堰竖向设置3层内支撑，第1，3层腰梁采用双拼700×300 H型钢，对应斜撑、对撑采用φ609×16 钢管；第2层腰梁采用三拼700×300 H型钢，对应斜撑、对撑采用φ820×10 钢管。腰梁底部设置钢板牛腿支撑。围堰施工前完成钻孔灌注桩施工并拆除钢平台，随后进行钢管桩围堰工序的施工，垫层施工完成后进行桩头破除。钢管桩围堰构造平面如图3所示。

图3 锁口钢管桩围堰平面(单位：cm)

3.3 钢管桩插打

由于地层中含有卵石层和硬质黏土层，振动锤无法使硬质黏土层液化，钢管桩无法下沉。为使钢管桩底标高达到设计标高，采用长螺旋钻机进行引孔，引孔直径与钢管桩直径相同，引孔深度与钢管桩底标高相同。

锁口钢管桩插打利用75t履带式起重机配合DZ150振动锤进行插打。起重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，将钢管顺导向架插入引孔内。钢管沉入引孔内稳定后，利用履带式起重机吊装振动锤至桩顶夹紧钢管，复测钢管桩位及垂直度后开始锤击，锤击时注意观测钢管垂直度。

第1根钢管桩沉入后的垂直度影响到整个围堰其他钢管桩的垂直度，打入时要缓慢进行，打入到设计深度一半时暂停沉桩，检查桩身垂直度是否在0.5%以内，如满足要求则继续开启振动锤沉桩，否则拔出重打。钢管桩围堰合龙前，在插打至最后4～5根桩时，测量缺口宽度，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。

3.4 腰梁及内支撑安装

围堰合龙后，在钢管桩上标出腰梁水平中心线位置，在支撑旁将型钢托架焊接在钢管桩上，作为腰梁安装的支承。将岸上连接好的腰梁型钢用履带式起重机吊放到托架上，紧贴钢管桩并与其焊接，不能紧贴钢管桩的，在两者之间加小钢板焊接。

在腰梁上测设出支撑的安装位置，并准确测量出每根支撑两端腰梁间净距，根据净距对支撑钢管下料并将其两端切割成企口。为使支撑钢管达到轴心受压计算条件，企口切割时要保证钢管轴线和腰梁水平中线重合。用履带式起重机将支撑吊放到对应位置安装，腰梁与支撑钢管端头直接焊接牢固、腰梁顶面与支撑钢管间用连接钢板焊接连接。

3.5 降水井安装

采用旋挖钻机从钢管桩内向下进行旋挖，在钢管桩内安装降水井，深度根据降水计算确定。无砂滤管高出河床1m，钢管桩与滤管之间采用粒径3～7mm豆石填充。降水井内安放11kVA水泵。

降水井自地面至管底分为3段，上部为实管段，中间为滤管段，自管底以上到滤管段底部为沉淀管段，实管段的钢管桩与降水井井管之间采用黏土球封填，过滤管段的钢管桩与降水井井管之间填充砂砾滤料，如图4所示。

图4 降水井构造

3.6 锁口止水

锁口的止水效果是锁口钢管桩围堰的关键环节，因此不仅锁口的方式需要合理设计，还需要采取可靠的措施对锁口进行止水处理。

止水的一般方法是在施工过程中用棉花、锯末加黏土混合物填塞接缝。采用人工的方式将棉絮和黏土混合物塞进锁口内，注意在填充锁口时尽量1层棉花1层黏土。用振动锤夹住自制直径10cm的钢棒在锁口内上下来回振动，把棉花和黏土混合物压实，注意不要将钢棒插入已经振捣密实的棉花和黏土混合物中。

3.7 围堰内取土

取土采用履带式起重机将PC75小型挖掘机和PC220型以上大型挖掘机调入围堰内，小型挖掘机主要负责将边角及内支撑下放的土向围堰中部堆放，大挖掘机负责将土归拢、堆高，以便于栈桥上的长臂挖机向外取土。当取土深度较深、长臂挖掘机不能满足取土要求时，采用履带式起重机配合抓斗取土。

3.8 垫层及承台施工

垫层混凝土分两次施工。当取土至最下层腰梁及支撑下方时，取土从一侧向另一侧施工，当有一半围堰底标高达到垫层混凝土底标高后，采用汽车泵浇筑第一次半边围堰垫层混凝土。当围堰内剩余部分取土达到垫层混凝土底标高后，浇筑剩余垫层混凝土。垫层混凝土浇筑时在围堰四周设置集水沟，并在4个角设置集水井。

垫层施工完成后，检查垫层混凝土高程及平整度。对基底及承台高度范围内钢管桩进行表面清理。放样测量承台平面位置、绑扎钢筋、安装模板、预埋钢塔节段、浇筑承台混凝土。

4 结语

为解决传统锁口钢管桩围堰水下封底混凝土施工方法所存在的施工流程复杂、施工周期长、施工造价较高的问题，创新性地提出了无封底混凝土锁口钢管桩围堰施工技术。该技术通过在锁口钢管桩内设置降水井降水，取消了高水位地层水下封底混凝土工序，实现了基坑干开挖，成功降低了施工难度，缩短了施工周期，且极大节约了施工成本。

西安市建材北路跨灞河桥为陕西省第十四届全运会重要交通通道，通过无封底混凝土锁口钢管桩围堰施工技术创新和应用，为项目顺利通车提供了坚实保障，取得了良好的社会效益和经济效益。