潮汐环境下“8 字型”复合钢围堰止水技术研究

2023-01-12段木子侯照保向海岳卢德辉邢岳岳

特种结构 2022年6期

段木子侯照保向海岳卢德辉邢岳岳

1.广州市市政集团有限公司 510060

2.广州建筑股份有限公司 510030

引言

钢围堰为水中承台深基坑开挖支护结构中常用的支护结构形式，钢围堰主要包含：钢板桩围堰、钢管桩围堰、双壁钢套箱围堰、单壁钢套箱围堰、钢吊箱等。其中，钢管桩与钢板桩围堰是应用最为广泛的围堰形式［1］。水中承台围堰最大的作用就是给承台施工提供一个干作业面，便于施工的开展，因此，对于钢围堰而言，围堰的止水是关键。行业内对钢围堰的止水施工技术的研究也比较多，孙国光验证了无内置双壁锁口钢套箱围堰止水的止水效果［2］，代建兵开展了深水基础施工锁口钢管桩围堰的止水试验研究［3］，宁晓冬等提出壁体下安装止水胶垫［4］，与底板接缝内灌注M30 混凝土砂浆进行封堵的方法，实现钢壁体与混凝土底板间的止水密封。但是，对复合钢围堰的止水措施研究目前尚不多见。本文结合潮汐变化显著、深水基础施工的工程实际现状，对钢管桩、钢板桩组成的“8 字形”复合钢围堰的止水施工技术进行分析与研究，为同类型项目施工提供参考和指导。

1 工程概况

东晓南路-广州南站连接线南段工程第一标段，全长3347.51m，桥梁结构采用分幅设计，大石水道主桥采用（73 +125 +67）m 连续梁上跨Ⅳ级航道大石水道河。其中，9#轴、10#轴共计24根桩基、4 座承台处于大石水道河道内，本项目围堰属于集近邻过河水管、软弱地质条件、潮汐影响明显、深水基础等复杂条件下的围堰，围堰设计深度14.438m，桥梁设计位置下部有东乡水厂过河原水管交叉穿过，距水中承台最近距离为3.25m。承台基坑深度、面积较大，同时河道水文地质情况复杂，淤泥层厚度较大且均为流塑状态，河流受潮汐影响显著，涨潮落潮平均水位高差约2m。所以，在此条件下进行围堰施工，对钢围堰的止水措施提出了较高的要求。

考虑到对近邻过河水管的保护和经济合理性，靠近水管侧围堰以刚度和整体稳定性作为首要考虑因素，最大程度减小对近邻过河水管的影响；远离水管侧围堰在安全的前提下，以经济性作为首要考虑因素；由于钢管桩刚度大和钢板桩成本低的特点，这里考虑采用钢管桩围堰与钢板桩围堰结合的“复合钢围堰”。近水管侧对围堰的变形控制要求高，刚度要求就相对较高，近水管侧采用钢管桩围堰，钢管桩围堰设计宽度9.439m×16.76m；远水管侧变形控制要求相对较低，刚度要求就相对较低，采用钢板桩围堰，钢板桩围堰设计宽度10.9m×17.75m。

本工程采用由钢管桩、钢板桩组合而成的“8字形”复合钢围堰（图1），钢管桩采用φ630 ×10mm钢管，长度21m；钢板桩采用拉森四型钢板桩，长度21m；锁扣钢管桩的锁扣材料中“C”采用φ219 ×10mm的开口钢管，“T”采用I20b的工字钢。内支撑均采用φ630 ×10mm钢管；第一道撑和第二道撑的围檩采用2 × I45b 双拼工字钢，第三道撑和第四道撑的围檩采用2 ×I56a 双拼工字钢；封底混凝土采用C30 混凝土，厚度2.2m。

图1 钢围堰平面图（单位：mm）Fig.1 Plan of steel cofferdam（unit：mm）

2 止水材料试验与选定

2.1 止水材料对照试验

止水材料是保证钢围堰止水效果的关键因素，针对CT型钢管锁扣［5］，选择2 种传统止水材料与本项目拟采用的创新止水材料进行试验比对。

实验准备：钢管桩插打完成且质量一致；3种止水方式所需材料；30 条干燥的尺寸1m ×0.2m×0.1m的吸水海绵条；防水胶带若干。

实验方法：（1）在地质情况相同且紧邻的A、B、C 3 个锁扣内分别用3 种止水材料进行止水。（2）止水工作完成，围堰内侧锁扣无明显漏水，且围堰内侧抽水挖泥至第三道支撑位置，开始实验。（3）在涨潮前先在围堰内侧标高+1.266m位置的3 个锁扣缝隙粘贴干燥的尺寸1m ×0.2m ×0.1m的吸水海绵条；粘贴前先对海绵条称重，15min后取下3 条海绵再次称重，记录两次重量数据并计算重量差值，记录重量差值为a1，b1，c1；以此方式进行3 组实验，共得到3 组数据。（4）在首次涨潮时用上述相同方法再进行3 组实验，得到3 组数据。（5）在落潮后用上述相同方法再进行3 组实验，得到3 组数据。（6）对实验所得数据进行横、纵向对比分析。

3 种止水材料试验数据见表1。

表1 止水材料试验数据Tab.1 Water stop material test data

涨落潮过程中“海绵质量差值”的平均值整理之后，如图2所示，可观察到“填塞黏土法”或“填塞砂+锯末”的止水效果不佳且受潮汐影响较为显著；填塞黏土止水方法初期效果显著，但在潮汐影响后材料大量流失、脱空，止水性能显著下降；填塞砂+锯末的方式止水效果同样受潮汐影响，经潮汐变化后，材料比较容易结块，开口C 型钢管桩内出现许多镂空现象，导致止水效果不佳。

图2 止水方式选型试验平均数据Fig.2 Average data of water stop mode selection test

由此试验结果可知，本文提出的锁口内用塑料膜包裹级配材料止水方法止水效果好，且受潮汐影响小，止水效果长久稳定。级配材料中的木屑遇水后体积膨胀，可挤压锁扣间隙，水泥与腻子粉在浸水后固结，形成稳定止水结构。因此选用此创新型止水方法。

2.2 级配材料配比试验

对止水材料具体配比进行试验确定，止水混合料中腻子粉与水泥起到固结、增大质量作用；木屑起到遇水膨胀作用，可增大体积封堵缝隙；石粉为主料，密度较大，有助于材料下沉、稳定。试验步骤为在塑料袋中灌入不同配比止水材料，称量单位体积材料质量、遇水后的体积膨胀率、密实度、固结效果等，并进行对比总结。试验结果见表2。

表2 级配材料试验结果Tab.2 Aggregate material test results

通过试验结果确定最佳配合比为50%石粉+25%腻子粉+20%锯末+5%水泥，依次配比进行止水填料拌和。

堵漏材料采用体积比例“50%石粉+25%腻子粉+20%锯末+5%水泥”的级配材料进行拌和填充，填充级配材料前先由人工的方式将一层塑料薄膜塞进锁扣内填塞锁扣间隙，注意在填塞时用塑料胶棒将薄膜塞至钢管内土层底部及钢管侧壁，保证薄膜与钢管壁完全贴合。薄膜填塞完成后在锁扣内倒入已经充分拌和的集配材料，然后用振动锥压实锁扣。

3 钢管桩围堰的精准定位

3.1 概述

对于钢围堰止水效果而言，止水材料虽然是关键，但是钢管桩的精准施工也是保证钢管桩围堰止水效果的必要基础条件。开口C型钢管内部需要尽量保持圆形的完整度，留足空间，并保持C与T之间的充分贴合，便于止水材料的填塞，否则，如果C与T之间未紧密贴合，而预留出过大的空间（缝隙），将带来止水材料封堵缝隙难的问题，增大止水的难度；因此，只有钢管桩的精确定位，才能有条件确保止水材料的有效填塞和嵌缝，保证止水效果，同时也能起到节省钢管桩材料的作用［6］。

为确保锁口钢管桩的插打便捷性和精度，在锁扣钢管桩围堰首个桩位设置CC 型钢管桩，便于最后合拢位置T型工字钢的插入，方便围堰的合拢［7］；在中间标准桩位设置CT型锁扣钢管桩，CT型锁扣钢管桩T 型工字钢下方50cm 位置开始，沿钢管长度方向每10m 焊接1 个限位板连接，确保每个钢管桩的间距，尽量保持开口C型钢管内部圆形的完整度，留足空间，便于止水材料的填塞；在CT型锁扣钢管桩围堰合拢设置TT型钢管桩。CC型、CT型、TT型等三类锁扣钢管桩示意见图3。为保证锁扣钢管桩插打的精准度，提前排布钢管桩的布置位置，通过BIM技术对施工流程进行模拟预演，施工流程示意见图4。

图3 各类型锁扣钢管桩示意Fig.3 Schematic diagram of various types of locking steel pipe piles

图4 钢管桩插打顺序示意Fig.4 Schematic diagram of steel pipe pile insertion sequence

3.2 首根CC型钢管桩施工

施打前先使用首层围檩依托桩基钢护筒焊接围堰导向架［8］，使用旋挖机在地勘报告揭示的个别岩面较高点位进行引孔。之后紧贴导向架进行首根CC型钢管桩施打。第一条钢管桩是插打的关键，必须插正、打正，以免影响后面的锁扣钢管桩。

3.3 中间CT型钢管桩精确定位施工

以后的钢管桩起吊后人工扶持［9］，在T型扣上沿钢管长度方向每10m焊接1 个可调节限位钢装置。用T型扣插入前一片钢管桩C型锁口，然后用振动锤振动下沉。插打一片或几片后，将已插好的钢管桩点焊固定于导梁上。整个施工过程中，要用锤球始终控制每片桩的垂直度。

在钢管桩限位装置的约束下，锁口和锁口之间缝隙基本一致，普通直线段钢管桩中心间距均为100 ±2cm，当钢管桩的倾斜度超过1‰ L 时（2.1cm），就采用手拉葫芦进行纠偏，同时一次性纠偏不能太多，以免引起锁口间卡住，影响下一片锁口钢管桩的插打。

插打至距离转角剩余2～3 根钢管桩时，提前测量管桩距转角距离，依据测量结果调整限位装置尺寸，保证直角转角桩的适用性，无需特制调整夹角的转角桩。

3.4 合拢位置TT型钢管桩施工

在即将合拢时，开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离，再根据管桩的宽度，计算出所需钢管桩的个数，按此确定下一步钢管桩的插打思路。

合拢桩为双T型锁扣，T型扣上可不设限位装置，保证T型扣正好插入两侧C型扣即可。方形钢围堰有4 个面，打完的每一片钢管桩都要沿导向架的法线和切线方向垂直［10］（图5），合拢桩应选择在角桩附近（一般离角桩1～2 根），如果距离有差距，可调整合拢边相邻一边离导向架的距离。为了防止合拢处两片桩不在一个平面内，一定要调整好角桩方向，让其一面锁口与对面的钢板桩锁口尽量保持平行。

图5 钢板桩与钢管桩的连接位置Fig.5 Connection position of steel Sheet pile and steel pipe pile

4 钢管桩与钢板桩连接处的止水

钢管桩与钢板桩结合处是漏水的关键点之一，属于复合钢围堰的薄弱点，处理不当很容易导致漏水。由于钢板桩的锁扣止水效果比较好，因此，在钢板桩与钢管桩连接位置处（“8 字型”中间接合部），将拉森钢板桩配套的拉森锁扣焊接于主体钢管相应位置处［5］，并将拉森钢板桩与之连接，在钢管桩与钢板桩之间（图6）形成贴合的连接方式，构成止水效果很好的连接形式，保证连接处的可靠性及止水效果。