锁扣钢管桩围堰在深水基坑中的设计与应用

保 涛

（兰州市政建设集团有限责任公司，甘肃兰州）

1 项目背景及难点分析

某高速公路特大桥横跨江面，主桥采用连续刚构，跨径组合为116 m+220 m+116 m。主桥下部结构采用双肢薄壁墩，左右幅连体低位承台，群桩基础。主墩2#墩位于靠近江岸的水中，水深约5～8 m。相关水文资料显示，桥址处常水位为202.5 m，枯水期水位为198.m，汛期历史记录为218.0 m，汛期为8 月中旬至9 月下旬。2#墩承台顶设计高程197.58 m，承台设计尺寸为26.2 m×19.2 m×5.0 m。地质调查测绘及钻探揭示，围堰处靠近江岸侧由上至下分别为粉质黏土、强风化泥岩、中风化泥岩、中风化泥质砂岩、中风化泥岩；靠近江心侧由上至下分别为强风化泥岩、中风化泥岩，地质情况及土层力学指标见图1 及表1。泥岩裂隙不发且较浅，隔水性较好。根据区内地层岩性组合及地下水赋存条件，桥位区地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水两大类。

表1 土层力学指标

图1 地质及水位情况分布

2#主墩承台施工难点主要在于以下几个方面：①2#主墩附近地形陡峭，坡度约20°～50°；②2#主墩承台位于深水中，围堰的设计与施工是本工程的重点和难点；③场地狭窄，常规钢围堰难以实施。

2 围堰方案比选

王泽升[1]、闫古龙[2]、杨津[3]结合工程实际，介绍了深水基础锁扣钢管桩围堰施工技术；严杰等[4]、胡浩等[5]介绍了钢套箱围堰在深水基础中的应用。上述研究结果表明，锁扣钢管桩围堰和钢套箱围堰在深水基础中均可成功应用。

（1） 技术层面。围堰方案技术可行性层面应考虑的因素有：流速、基坑涌水量和围堰稳定性。查阅资料得知，该江流速约0.4 m/s～0.5 m/s，在该流速情况下两种围堰方案均可采用。基坑涌水量可按下式进行评价：

式中：Q 为基坑总涌水量，m3/d；k 为土的渗透系数，m/d；H 为潜水含水层厚度，m；r0为基坑等效半径，m；S为基坑水位降深，m；b 为基坑中心到河岸的距离，m。

经计算，2#主墩承台开挖过程中，基坑涌水量Q=158 m3/d，两种围堰方案均能满足要求，但锁扣钢管桩围堰需做好止水措施。稳定性方面，经验算，锁扣钢管桩围堰和钢套箱围堰均能满足施工需求。因此，两种围堰方案在技术层面上均可行。

（2） 其他层面。其他层面应考虑的因素有：现场空间、经济性、施工进度、水文地质情况。现场空间方面，现场狭小，钢套箱围堰方案受场地限制，难以实施；经济性方面，钢套箱围堰总成本约695.5 万元，锁扣钢管桩围堰总成本约446.35 万元，成本节约35.84%，锁扣钢管桩围堰更经济；进度方面，钢套箱围堰方案工期受工厂加工、运输及安装制约，尤其是在疫情如此严峻的情况下，外部因素极不可控，在理想情况下工期约145 d。锁扣钢管桩围堰取决于钢管桩打入速度，理想情况下工期约123 d，工期至少节约15.17%；水文地质方面，2#主墩处水文、地质等情况能满足锁扣钢管桩施工的要求。

综合上述情况，最终选择了锁扣钢管桩围堰方案。目前该承台已施工完成，施工期间围堰稳定性良好，止水效果好，成本和进度与预期相符。

3 锁扣钢管桩围堰设计

3.1 锁扣设计

锁扣钢管桩由主管、“C”管和“O”管组成。主管由直径630 mm,壁厚12 mm 的无缝钢管制成；“C”管由直径152 mm，壁厚8 mm 的无缝钢管从中间对切成“C”形；“O”管由直径133 mm，壁厚8 mm 的无缝钢管制成。在一般位置，分别在每根主管两侧对称焊接“C”管和“O”管；在围堰的四个角点位置，“C”管和“O”管在主管呈垂直焊接。为确保安装牢固，在主管和“C”管连接处，纵向每间隔0.5 m 在“C”管两侧对称焊接一块加强钢板。安装时，每根主管上的“C”管套住“O”管，形成锁扣，将所有主管连接成一个整体，再在“C”管和“O”管之间的缝隙填充止水材料，防止围堰外的水渗入围堰内，止水材料由锯末、机制砂和水泥按一定比例拌合而成。“C”管和“O”管构造及主管连接见图2。

图2 锁扣钢管桩一般位置与转角处连接方式

3.2 锁扣钢管桩围堰设计

设计单根钢管桩桩长20 m，围堰平面尺寸为28.725×21.773 m，共设置三层内支撑。围檩采用双拼HN700×300H 型钢，内支撑采用630×10 mm 钢管。为保证受力均匀，围檩与钢管支撑相接触但贴合不紧密处需采用钢板支垫紧密，在钢管桩围堰上焊接牛腿，上方安装围檩，围檩与锁扣钢管桩围堰间空隙采用混凝土填充。锁扣钢管桩围堰共需钢材约880 t，工程数量见表2。

表2 锁扣钢管桩围堰工程数量

4 锁扣钢管桩围堰施工

4.1 施工工艺

锁扣钢管桩围堰施工流程：导向架安装（利用第一层围檩作为导向架）→冲击钻进行围堰管桩引孔施工→回填碎石土→履带吊机振动锤就位→锁扣管桩插打→合龙→围檩四周与锁扣钢管桩缝隙用混凝土填筑密实→浇筑封底混凝土→抽水至第二层钢支撑围檩下0.5 m→安装第二层钢支撑围檩→围檩四周与锁扣钢管桩缝隙用混凝土填筑密实→抽水至第三道支撑以下0.5 m→安装第三层钢支撑围檩→围檩四周与锁扣钢管桩缝隙用混凝土填筑密实，围堰抽水到承台底→清理封底混凝土，第一次施工2.5 m 承台混凝土，围堰内侧灌砂至194.78 m，承台混凝土达到设计强度后浇筑50 cm 厚素砼换撑→换撑砼达到设计强度后拆除第三道支撑与围檩→第二次施工2.5 m 承台混凝土，围堰内侧灌砂至承台顶以下0.5 m，承台混凝土达到设计强度后浇筑50 cm 厚素砼换撑→施工墩身至205.0 m→回水至第二道支撑以下0.5 m→拆除第二道支撑与围檩→围堰内回水至第一道支撑以下0.5 m，拆除第一道支撑与围檩→拔出锁扣钢管桩，完成承台施工。施工流程见图3。

图3 锁扣钢管桩围堰施工工艺流程

4.2 施工期间的监测

锁扣钢管桩围堰主要有水平位移监测和内支撑轴力监测。水平位移监测可采用埋设测斜管进行量测的方法进行监测，内支撑轴力监测可采用应力计进行量测。水平位移和内支撑轴力监测测点布置见图4。

图4 围堰监测点布置

一般情况下，开挖深度不超过三分之一时，可2～3天监测一次；开挖深度大于三分之一且小于三分之二时，可1～2 天监测一次；开挖深度超过三分之二时，应每天监测一次。当出现数据变化较大、恶劣天气、支护结构异常、荷载增加等情况时，应适当增加监测频率，并及时分析原因，采取解决的措施，如有必要，人员应及时撤离。

4.3 注意事项

（1） 引孔。由于墩位处没有覆盖层，钢管桩打设处均属于泥岩。采用一般振动锤无法打设，因此只能引孔后再打设，引孔可以采用旋挖钻或冲击钻。由于在设计钢栈桥和钻孔平台时，未考虑采用旋挖钻工况，故采用冲击钻引孔。与安装钢护筒类似，钢管桩引孔也采用钻头直径为1 m 冲击钻盲冲方式引孔。为加快施工进度，在栈桥四周采用多台钻机同时打设，引孔深度与钢管桩打设深度保持一致。

（2） 打设。引孔完成后，在钢护筒上焊接托架，作为安装第一层围檩。先安装围檩的目的是可作为打设钢管桩的导向装置，所有钢管桩采用Z90 型振动锤延着围檩外侧打设。打设锁扣钢管桩注意事项：①打设应从一点开始，再向两侧展开。严禁从中间突然开始，导致后面合龙困难；②严格控制钢管桩打设的垂直度，宜控制在1%以内。如垂直度偏差过大，会导致最后不能完成合龙；③为减少打设时“C”管和“O”管之间的摩擦力，打设前在两管之间应涂上黄油；④钢管桩进入泥岩后，要尽量深入，直到贯入度达到规定值为止。

（3） 合龙。合龙一般按从上游向下游合龙的顺序进行。合龙前，由于前期累积的误差，在打设最后一根钢管桩时，误差一般都会较大。此时采用常规“C”管和“O”管难以合龙，可用I16 工字钢代替“O”管焊接在主管上，再插入到“C”管中。为防止此处漏水，可在“C”管与工字钢形成的空间内填充止水材料。

5 结论

本文以某高速公路特大桥2#主墩承台施工为背景，介绍了深水基坑锁扣钢管桩围堰设计与施工相关技术要点，并对其建立相关模型和计算，得出如下结论：

（1） 锁扣钢管桩围堰在地形陡峭且场地狭小的泥岩、泥质砂岩地质条件下优势明显，具有成本低、工期短等优点。

（2） 锁扣钢管桩围堰应结合现场实际情况进行专门设计，建立模型，并验算围堰封底混凝土强度、围堰结构、内支撑内力及锁扣焊缝应力等。

（3） 锁扣钢管桩围堰的引孔、打设、合龙、止水及施工监测是成功的关键因素，施工时应特别注意。

（4） 该高速公路特大桥2#主墩承台已成功实施，经核算，相较于钢套箱围堰，锁扣钢管桩围堰成本节约249.34 万元，降低35.84%；工期节约22 d，降低15.17%。除此之外，锁扣钢管桩围堰还具有止水性能好，施工安全风险低等优点，可为其他类似地质条件的桥梁施工提供借鉴。