锁口钢管桩围堰设计与施工

熊 辉,黄健伟

（中交第二航务工程局有限公司,湖北 武汉 430000）

0 引言

近年来，随着我国桥梁建设事业的蓬勃发展，大跨斜拉桥、悬索桥等桥型日益增多。大跨度桥梁的承台一般埋深较大，且地质条件较为复杂，这给挡水围堰结构的设计与施工提出了巨大的挑战。钢板桩围堰结构简单，施工方便，但整体的强度和刚度低，只能适用于覆盖层较厚、水头差小的水域[1-2]。双壁钢围堰的强度刚度高，但结构复杂，加工周期长，焊接量大，需预留一定的加工期。锁口钢管桩围堰则结合了两者的特点，具有结构简单、制作施工难度小、力学性能较好、具备一定的锁口止水能力且拆除方便、可回收周转使用的优点，在深水承台施工中的应用越来越多[3-4]。

该文以国内某大桥主墩基础施工为例，研究锁口钢管桩围堰的设计，并结合现场情况，总结了此类型围堰的施工方法，旨在为锁口钢管桩围堰的设计及施工提供参考。

1 工程概况

国内某大桥为主跨240 m 的独塔双薄壁刚构混凝土梁斜拉桥，桥梁孔跨布置采用（100+100+240+70）m，全长509.9 m。主墩承台尺寸18.4 m×13.4 m×4 m，承台顶标高+4.732 m，承台底标高+0.732 m，共设计12 根直径2 m 的桩基础。承台采用C40 混凝土，一次浇筑成型，浇筑方量986.24 m3。承台一部分处在滩地，一部分处在河道。

1.1 水文地质特征

桥址处上覆土层主要为第四系全新统冲积层（Q4al）淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、中砂、砾砂、细圆砾土；主河槽区段覆盖层厚度较浅，约为4.2~8.5 m左右。地层主要为粉质黏土、细砂、细圆砾土，泥质砂岩。

根据近十年水位变化趋势图，经数理统计分析，近十年各月份水位离散系数较小，极个别月份水位波动较大，整体上可认为数据波动性小，结合工期要求，确定承台施工设计高水位为+17.0 m。

1.2 项目难点

（1）承台一部分处在滩地，一部分处在河道，围堰两侧存在不平衡土压力。

（2）地质条件较差，承台底部为细圆砾土和泥质砂岩，入岩困难。

（3）水头差较大，且施工工期紧张，要保证在汛期前完成围堰及后续承台的施工。

2 围堰设计

2.1 锁口形式选型

根据施工现场的水文地质情况以及项目难点，对比钢板桩围堰、双壁钢围堰和锁口钢管桩围堰的优缺点，综合考虑施工工期、结构安全、止水效果及经济性等，决定采用锁口钢管桩围堰作为基坑临时支护结构。锁口钢管桩主要通过锁口与锁口之间的机械咬合进行止水及挡水，表1 列出了常见的几种锁口形式的优缺点，结合项目经验和施工队伍的操作水平，采取拉森桩锁口的形式。

表1 常见锁口形式特点

2.2 设计方案

主墩承台为矩形，尺寸为18.4 m（顺桥向）×13.4 m（横桥向）×4 m（厚度），围堰底面尺寸为在承台外轮廓外扩1.71 m 和1.6 m，即21.82 m×16.66 m。

采用钢管桩围堰，钢管桩型号φ800×12（Q355B），钢管桩桩顶标高+17.500 m，底标高为-9.500 m，长27.0 m，围堰设置四道支撑体系，标高分别为+16.000 m、+13.000 m、+10.000 m、+6.000 m。第一/三/四层围檩采用2HN700×300（Q235B）型钢，内支撑采用φ609×12（Q235B）钢管；第二层围檩采用3HN700×300（Q355B）型钢，内支撑采用2HN700×300（Q355B）。水下封底混凝土采用3.6 m 厚的C30 混凝土。

2.3 施工工序

该工程的锁口钢管桩围堰采取“先支法”的施工工艺，即首先通过护筒或定位桩下放支撑体系，并临时定位，然后沿就位的支撑围檩施打钢板桩。施工工序如下所述：

（1）安装第一、二层围檩内支撑，以围檩为导向插打钢管桩。

（2）带水开挖至基坑底部，开挖过程中确保内外水位基本一致。

（3）水下浇筑封底混凝土，采取措施确保封底混凝土的质量。

（4）待封底混凝土达到强度后，第一次抽水至第三层围檩下1 m，安装第三层围檩和内支撑。

（5）抽水至第四层围檩下1 m，安装第四层围檩和内支撑。

（6）围堰内干水，处理桩头，绑扎钢筋，浇筑第承台混凝土，待承台混凝土达到设计强度后，在承台与围堰夹壁内回填砂并浇筑夹壁混凝土。

（7）拆除与第三、四层围檩支撑中与第一节墩身干涉的内支撑，施工第一节墩身，并埋设换撑埋件。

（8）安装第三、四层围檩与墩身之间的支撑，拆除第一、二层围檩支撑中与第二节墩身干涉的内支撑，施工第二节墩身。

（9）墩身出水面后，选择低水位条件下，边向围堰内回水和回填砂土边逐层拆除围檩和支撑，最后拔除钢管桩。

3 围堰整体计算

3.1 计算模型

采用Midas Civil有限元软件建立模型，支护桩、围檩、内支撑均采用梁单元模拟。图1 为整体模型图。

图1 围堰整体计算模型

该有限元模型的边界条件如下：支护桩底部约束竖向位移；被动土压力采用只受压土弹簧模拟；围檩与钢管桩之间采用只受压弹簧模拟；内支撑与围檩间共节点；在牛腿处约束竖向位移模拟其对围檩的支撑作用[5]。

模型所考虑的设计荷载主要包括：①结构自重；②土压力，按照《建筑基坑支护技术规程》对细砂和细圆砾土水土压力采用水土分算，粉质黏土采用水土合算；③静水压力；④水流力。

3.2 计算工况及荷载组合

根据施工顺序，按最不利原则，主要考虑以下工况：

CS1：围堰内带水开挖至基坑底；

CS2：安装第三层围檩内支撑；

CS3：安装第四层围檩内支撑；

CS4：抽水施工承台；

CS5：施工第一节墩身；

CS6：施工第二节墩身。

各工况综合考虑基本组合和标准组合的两种荷载组合形式。以下为荷载组合形式：

基本组合：1.1×（1.2×自重+1.25×静水压力+1.25×土压力+1.5×水流力）

标准组合：自重+静水压力+土压力+水流力

3.3 计算结果

锁口钢管桩围堰各工况应力和位移计算结果如下所示：

钢管桩强度：σmax=240 MPa

围檩2HN700×300 强度（Q235）：

围檩3HN700×300 强度（Q355）：

圆管内支撑强度（Q235）：σmax=151 MPa

型钢内支撑强度（Q355）：σmax=149 MPa

支护桩刚度：δmax=55 mm

因此，围堰各构件强度、刚度均符合规范要求。

3.4 构件稳定性计算

根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）对φ609×12 内支撑的稳定性进行计算，2HN700×300 内支撑与此相同，此处不再赘述。

φ609×12 内支撑最不利内力：

轴力N=3 155 kN 弯矩M=3 kN·m

φ609×12 内支撑稳定性计算如下：

A=22 495 mm2，W=3 295 064 mm3，计算长度l0=μl=15 200 mm，λ=l0/i=72。

查表得稳定系数φ=0.738

因此，φ609×12 内支撑稳定性均满足要求。

3.5 封底混凝土计算

由于封底混凝土区域内无钢护筒，封底混凝土与桩基直接接触，故不验算封底混凝土握裹力，只验算封底混凝土强度。如图2 所示。

图2 封底混凝土应力（MPa）

+17.000 m 水位条件下抽水工况计算中考虑荷载：内外水头差产生的浮托力及封底自重。封底混凝土总厚度3.6 m，考虑0.4 m 可能掺杂砂土，强度计算时封底混凝土有效厚度按照3.2 m 考虑，计算结果如下：

封底混凝土的强度：

抗拉：1.15 MPa

抗压：0.72 MPa

综上，封底混凝土强度符合规范要求。

3.6 基坑抗隆起稳定性验算

CS1 工况（开挖至基坑底）基坑抗隆起稳定性最不利。基坑外泥面标高+11.5 m，基坑内泥面标高+2.868 m。

根据《钢围堰工程技术标准》（GBT 51295—2018），基坑抗隆起稳定性评价系数：

式中，基坑底面至挡土构件底面的土层厚度D取6.6 m；基坑开挖深度h取14.54 m；土的黏聚力c=0 kPa，内摩擦角φ=38°，γm1=20.12 kN/m3，γm2=22.31 kN/m3；基坑外侧土上均布荷载q=0 kN/m2。

Nc、Nq按下式计算：

计算可得：Nq=48.93，Nc=61.35

基坑抗隆起稳定性系数：

因此，基坑抗隆起稳定性符合规范要求。

3.7 嵌固稳定性计算

CS1 工况（带水开挖至基坑底）基坑嵌固稳定性最不利。

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012），嵌固稳定性评价系数：

式中，Kpk——基坑内侧被动土压力合力作用标准值；Eak——基坑外侧主动土压力合力作用标准值；zp2——基坑内侧被动土压力合力作用点至支点的距离；za2——基坑外侧主动土压力合力作用点至支点的距离；Kem——嵌固稳定安全系数，对于一级支撑式支挡结构，不应小于1.25。

因此，嵌固稳定性符合规范要求。

4 结语

该文结合国内某大桥主墩基础施工，研究锁口钢管桩围堰的设计，并运用有限元软件建立了三维模型，经计算分析，该锁口钢管桩围堰各构件的强度、刚度和稳定性均满足规范和设计要求。同时，通过对此类型围堰施工方法的介绍，为锁口钢管桩围堰的设计及施工提供借鉴和参考。