锁扣钢管桩围堰施工技术及质量控制

2024-05-19霍应敏HUOYingmin

价值工程 2024年13期

霍应敏HUO Ying-min

（中铁十七局集团第二工程有限公司，西安 710000）

0 引言

临近水域的工程项目，水文地质条件复杂，因此施工难度比较大，为保障施工的安全、有效且经济，采用锁扣钢管桩围堰技术，有利于营造安全的施工环境，可为后续施工的顺利开展提供便利。但因锁扣钢管桩围堰施工技术难度比较大，可通过系统地分析和总结锁扣钢管桩围堰技术在实际工程中的应用情况，探索其在不同水下工程条件下的适用性、施工方法的创新及质量控制的有效措施，提高项目建设效益，为未来的水下工程提供参考和借鉴。

1 应用范围

锁扣钢管桩围堰的应用范围广泛，在桥梁与码头建设中，需在地下进行基础结构施工，可应用锁扣钢管桩围堰施工技术，提供干燥的舒适环境，便于土方开挖、基础浇筑和结构建设。在水坝的修建与维护工作中，尤其是在需要干预水流以进行混凝土浇筑或裂缝修补时，也可应用锁扣钢管桩围堰。在河道疏浚与整治项目施工中，应用锁扣钢管桩围堰，有效隔离施工区域，防止泥沙流失，维护水质和保护生态环境。在环境治理与修复方面，如在水下污染处理和生态修复工程施工中设置围堰结构，可直接隔离污染区域，防止污染物扩散，为环境恢复提供必要的物理条件。除此以外，我国城市化建设进程不断加快，地下设施建设如地铁站、地下通道等在水临近区域的施工，也可应用锁扣钢管桩围堰技术，营造安全可靠的施工环境[1]。

2 工程概况

青神汉阳岷江特大桥位于四川省眉山市青神县境内，主桥桥型布置如图1 所示。主桥范围为K81+900～K82+560，长660m，宽38m，采用（50+280+280+50）m 协作体系独塔双索面组合梁斜拉桥跨越岷江，两侧完全对称。主梁采用双边箱钢箱-混凝土组合梁设计，主塔塔高216.6m，塔柱采用六边形箱型截面钢壳混凝土组合结构，塔型为钻石型。

图1 青神汉阳岷江特大桥主桥桥型布置图

主塔基础采用整体式承台、群桩基础形式，主塔基础采用20 根直径φ3.0m 钻孔灌注桩，桩长45m。承台平面为矩形，横向长33.0m，纵向宽24.5m，承台厚6.5m。

3 围堰设计

主塔处水深6.12m，采用锁扣钢管桩围堰进行施工，围堰平面呈矩形形状布置，横桥向宽度38.32m，纵桥向宽度30.52m。锁扣钢管桩主管为φ820×14mm 钢管，阴锁扣采用φ180×8mm 钢管，阳锁扣采用20b 型钢，材质为Q235，整个围堰所需锁扣钢管桩共计124 根。

主塔处设计水位384.7m，设防水位385.31m，围堰设计顶标高386.2m，桩底标高368.2m，最大水头差12.862m，围堰总高度18m，共设置两道圈梁，第一道圈梁采用2HM550 型钢，第二道圈梁采用2H700 型钢，均为Q235 材质，围堰内第一道圈梁中心标高384.2m，第二道圈梁中心标高378.2m，承台底标高372.138m。围堰施工流程设计方案如图2 所示。

图2 围堰总体施工工艺流程图

4 锁扣钢管桩围堰施工技术

4.1 钢管桩加工及运输

锁扣钢管桩的加工及运输是其应用过程中的重要环节，与工程质量和施工效率密切相关。在加工环节，锁扣钢管桩的设计需考虑结构的稳定性和连接的牢固度。阳性锁扣通过连续角焊缝与主管相连，焊缝高度设为8mm，保证连接处的强度和密封性。而阴性锁扣的连接则较为特殊，通过在小钢管和主管之间放置两根HPB300φ8 钢筋，利用这种结构不仅增强连接处的稳固性，为后续的施工操作提供便利。

为了进一步增加结构的稳定性，加工过程中每隔1.5m 在钢管桩的两侧焊接两块10mm 厚的加劲板。这种加劲板的设置旨在增加钢管桩的抗弯能力，防止在施工或使用过程中发生变形。接头焊缝部位的加强则是通过安装4 块15cm×20cm 的加强板来实现，加强板提高了连接部位的强度，确保了整体结构的稳定性和安全性[2]。

在锁扣钢管桩的运输和储存方面，采用精细化管理的策略。运输时，通过两点吊装技术单独吊起每根管桩，防止钢管桩在运输过程中因受力不均而发生变形。正确设置吊点，确保运输过程的安全性和钢管桩的完好无损。在储存环节，为了避免钢管桩间的摩擦或压迫造成损伤，采用分层堆放的方式。每层堆放不超过3 根，且每层之间需垫放枕木以分散重量，枕木之间的距离控制在3～4m 之间，并确保上下层枕木垂直对齐，保护钢管桩的结构完整性，保证堆放的稳定性。

4.2 铣槽

当旋挖钻机就位后，铣槽作业通常会分阶段进行，便于控制作业的质量和进度，同时减少对周围环境的影响。使用旋挖钻机进行的钢护筒插打和土壤铣切是铣槽作业的关键步骤。通过精确控制钻机的操作，可以有效地完成钢护筒的定位和土壤的去除。在铣槽作业中采用的AB 孔交错挖掘策略是一种高效的作业方法（图3）。这种策略首先对A 孔进行挖掘，然后立即使用粗砂进行填充，以稳定已挖掘的孔洞。紧接着，开始进行B 孔的挖掘作业，这种交错挖掘的策略可以有效防止周围土壤的松动和坍塌，确保作业的安全性和效率。在B 孔作业中，初始步骤是利用旋挖钻进行岩层的精确切割。随后，通过更换为截齿钻头来除去岩石碎片，需要精确控制，避免对周围结构造成损害。取出的岩石和粗砂混合物会被运往工地后部进行分选，有效利用资源，减少工程对环境的影响。铣槽作业从桥梁下游侧开始，分成十个阶段执行，确保作业的有序进行，每个阶段完成后能及时进行粗砂回填。粗砂回填是铣槽作业中的一个重要环节，不仅可以稳定已挖掘的孔洞，而且还可以作为后续建设活动的基础[3]。

图3 钻孔孔型示意图

4.3 导向架安装

内外导向架的精确安装和固定不仅为钢管桩的沉设提供指导，还对后续工作的顺利进行至关重要。这个导向系统确保钢管桩可以在复杂的地质和水文条件下准确无误地安装，从而为整个结构的稳定性和安全性提供可靠的保障。通过精细的规划和执行，导向架的安装成为工程质量控制的关键环节。内部导向主要是通过在钻孔作业平台的钢管桩上安装焊接好的支架来实现。这种方式便于在钢管桩沉设过程中进行微调，使其按照预定轨迹顺利下沉。外部导向则依靠与栈桥相关联的钢管结构，为钢管桩提供外部的引导和支撑，在沉设过程中保持稳定性。内外导向架之间保持大约90cm 的空间，旨在为各个工序施工提供足够的操作空间，确保施工的顺利进行。同时，钢管桩与两边导向架之间保留大约4cm 的间隙，在必要时，施工人员可对钢管桩进行精确的位置调整，确保其准确安装。对于内侧导向架的安装，首先在钻孔平台的钢管桩上焊接特制的支架，支架通常被称为“牛腿”。这些“牛腿”支架为内侧导向架的固定提供了稳固的基础。随后，将内侧导向架固定于这些支撑上，保证施工过程中的稳定性。外侧导向架的安装过程与内侧类似，也是在栈桥支撑的钢管上进行焊接操作，然后安装外侧导向架。通过适当的平面定位和固定方法，外侧导向架与内侧导向架共同构成完整的导向系统，使得钢管桩能够按照设计轨迹准确、稳定地安装到位[4]。导向架位置如图4 所示。

图4 导向架位置示意图（单位：mm）

4.4 钢管桩插打

钢管桩插打是基础工程中的一项重要工序，其准确性和质量可直接影响到建筑物或结构的稳定性和安全性。作业开始前，首先将履带式起重机调整至精确的位置，这一步骤对于后续操作的顺利进行至关重要。使用汽车起重机进行钢管桩的双点吊装时，需要特别注意两吊点应设于锁扣对侧，以避免在吊装过程中对锁扣造成损伤。钢管桩缓缓下降至导向架的正中位置，这一阶段需要仔细确保钢管桩在导向架的引导下进行适当的位置和角度调整，保障后续沉桩作业的精确度。钢管桩位置和倾斜度经过精确测量并确认符合要求后，开始对钢管桩进行逐一锤击作业。主吊钩负责抬起钢管桩的上端，辅助吊钩则支撑下端，使得钢管桩在吊装和锤击过程中的垂直状态。在沉桩操作中，钢管桩被运送至指定的位置，通过精确对接已放置的钢管桩锁扣，利用导向架辅助缓缓下沉至稳定状态，新旧钢管桩可无缝连接。振动沉桩阶段是钢管桩插打过程中的关键环节。顶端固定索具卸除后，将振动锤装到钢管桩顶端并通过吊机主钩紧固。启动振动锤，利用振动力使钢管桩沉至设计深度，过程中需保持振动锤和钢管桩的垂直对齐，并调整吊绳以保证均衡，钢管桩能够按照设计要求准确、顺利地沉设至指定位置至关重要。整个钢管桩沉设过程中，持续监控钢管桩的倾斜情况是必不可少的。倾斜度需控制在5‰以内是确保结构稳定性和安全性的基本要求，降低工程风险。

4.5 钢管桩合龙

钢管桩合龙是确保围堰或其他钢管桩结构完整性的关键步骤，要求高度的精确度和细致的操作。为了方便合龙操作，需要将接近合龙区的10 至15 根钢管桩先沉至一个预定稳定高度，每根桩能自我稳固并为合龙做好准备。在合龙的过程中，为了简化插桩操作，相邻的两根钢管桩会被设计成在高度上有所错开，简化插入过程，同时便于后续将桩体继续打入至设计深度。合龙口调整策略的选择基于实际的尺寸差异，采用不同的方法以实现精准的合龙：若合龙口上部较下部宽，会在两侧钢管桩上安装平行的吊耳，借助倒链或滑轮进行精准定位，以减少误差并确保桩体能够正确对接。如果是下部比上部宽的情况，则需要将吊耳安装在较低的位置，以适应这种特殊的合龙需求。对于合龙口尺寸较小的情况，选择在靠近角桩的一侧进行调整，利用千斤顶或拉紧绳索调整钢管桩至正确位置，确保合龙的精确性。在特殊情况下，当标准钢管桩无法顺利合龙时，可能会考虑使用定制的异形钢管桩。这些定制桩是根据合龙口的特定尺寸设计的，以适配合龙口的大小，并确保这些异形桩的大小差异符合规定范围。使用异形钢管桩是为了解决标准桩无法适应的复杂情况，从而保障整个结构的稳定性和完整性[5]。

4.6 圈梁及内支撑施工

围堰结构的圈梁及内部支撑施工是确保整个工程稳定性和安全性的关键环节。通过精细的规划和执行，可以有效地保障施工过程中的结构稳定，为后续的建设活动提供坚实的基础。围堰结构中设置两层圈梁及内部支撑，其设计考虑到了结构的稳定需求和施工的可行性。圈梁的顶部从锁扣钢管桩顶部向下，层间距分别设定为2.0m 和5.0m，这种设置旨在为围堰提供足够的支撑力。圈梁和支撑部件首先运至施工现场，在支架上完成焊接，形成稳定的结构体。这一步骤需要精确的操作和高质量的焊接工作，提供必要的支撑力。随着水位下降至第一层支撑的指定高度，先定位并焊接好圈梁支架，随后通过履带吊逐一将圈梁的各个部分吊装至预定位置，并进行调整和焊接固定。安装斜撑和对撑是构成稳定支撑框架的重要步骤。这些支撑与圈梁焊接固定，确保整个围堰结构的稳定性。为了确保圈梁受力均匀，还需在圈梁与钢管桩之间浇筑细石混凝土形成坚固的垫层，这样可以均匀分配结构压力，增强围堰的稳定性。随着承台浇筑的完成，及时进行填砂和注水操作是确保结构密实的重要步骤。这些操作完成后，混凝土达到设计强度，第二层内支撑可以拆除，为塔座等后续施工提供空间。索塔节段施工推进的同时，拆除第一层支撑，并最终完成围堰的拆除，标志着围堰结构施工的成功完成。

4.7 锁扣止水

锁扣钢管桩围堰的防水性是保障工程顺利进行的关键因素之一。合理的防水措施不仅能够确保施工现场的干燥，而且对保护结构安全、避免环境污染具有重要意义。在施工过程中，综合的防水策略和紧急应对措施对于应对各种潜在的风险至关重要。在围堰施工期间，应逐步进行抽水作业，同时持续观察围堰结构是否出现任何变形迹象。通过控制抽水速率，可以避免因抽水速度过快引起的围堰结构变形或其他潜在问题。一旦发现围堰结构有异常情况，应立即停止抽水，并对围堰内所有连接点进行仔细检查，确保每个连接点都牢固无误。同时，检查管桩与支撑之间的填充材料是否紧密无空隙，必要时进行重新填充以消除任何潜在的渗水点。通过使用锯末和黏土混合的填充材料，在钢管桩的锁扣部位内侧进行密实填充，是一种有效的防水措施。这种方法可以有效阻止水分通过锁扣部位渗入围堰内部。对于在抽水过程中发现的任何漏水点，应立即派遣潜水员至泄露点进行现场检查，并利用防水材料进行紧急贴补，以减少对工程进度和结构安全的影响。面对大面积或多处漏水情况，围堰外围布设止水带是一种有效的解决方案。这种方法可以减轻水流对围堰结构的直接冲击，为内部防水措施提供辅助支持。若初步措施无法有效封堵漏水点，采取注浆防水技术对钢管桩底部进行旋喷注浆操作，可以彻底阻断水流，保证围堰的完整性和施工现场的干燥。

4.8 围堰监测

围堰施工的监测是确保工程安全、及时响应结构变形和其他潜在问题的关键措施。在施工的各个关键阶段，如钢管桩的插打、基坑的挖掘、底层支撑的拆除及承台的施工等，实施细致且系统的监测程序是必不可少的。实时监测能够确保工程团队及时发现并处理任何可能出现的结构变形或其他问题，从而确保整个施工过程的安全性。这包括对锁扣钢管桩以及圈梁进行密切的实时监控，及时记录和分析结构在施工过程中的变化。在关键结构元件上，如钢管桩、圈梁及内部支撑系统上安装专用的钢结构应力计，对施工过程中结构部件所承受的压力和变形进行准确记录，这对于监测结构的安全状态和进行必要的调整至关重要。为了提升监测数据的准确性和全面性，需要将高精度仪器监测和人工巡视检查有效结合。全站仪进行的精确定位监测应成为主要的观测方式，提供高精度的数据，并能对围堰结构进行全面监测。同时，现场技术人员的日常巡查作为辅助监测手段，能够及时发现监测设备可能未能捕捉到的问题。建立一个综合监控系统，整合仪器数据与人工观察结果，提高监测的效率和准确性，为项目管理团队提供即时的反馈信息，使得工程团队能够快速响应潜在的安全问题，从而采取适当的措施以防范和解决问题。钢围堰监测频次统计如表1 所示。

表1 围堰监测频次表

5 锁扣钢管桩围堰施工质量控制

5.1 设计阶段的质量控制

在锁扣钢管桩围堰施工的设计阶段，实施严格的质量控制至关重要，从地质水文调查获取的数据，以确保设计参数的准确性和载荷分析的可靠性。通过对围堰的整体设计方案进行深入分析及引入第三方评审，提升设计的合理性和安全性。此外，使用结构分析软件对围堰结构进行模拟，以分析其在最不利工况下的稳定性，同时合理选择安全系数，在极端条件下，依然能够保持结构稳固。防水与渗漏控制的预先设计，包括锁扣部位的密封和防水层设置，以及预制的紧急处理方案，是保证围堰防水性能的关键。同时，考虑到环境保护和可持续发展的理念，评估设计方案对周围环境的影响，并尽量减少负面影响。

5.2 施工准备的质量控制

施工准备阶段的质量控制是锁扣钢管桩围堰施工成功的基石。对所有用于围堰的材料，特别是钢管桩和锁扣连接件，进行质量检查，确保满足设计规范和工程需求，包括材料的物理和化学性能测试。对施工设备，如履带式起重机和振动锤，进行彻底的检查和维护，保证设备处于最佳工作状态，避免因设备故障导致的施工延误或事故。此外，施工团队的技能培训不可或缺，特别是对操作复杂设备的工作人员进行专业培训，确保他们了解设备的操作规范和安全措施。通过实施细致的准备工作，不仅可提升施工效率，降低施工风险，而且能够为整个工程的顺利进行奠定了坚实的基础，确保围堰工程质量和安全。

5.3 施工过程的质量监督

施工过程的质量监督是确保锁扣钢管桩围堰施工顺利完成的关键环节，要求对每一步骤进行严格的监控和管理。对于钢管桩的准确插打，锁扣连接的密实性，到圈梁和内部支撑的正确安装以及整个围堰的防水效果和稳定性，均要求进行全面评估。实时监测施工现场，确保所有操作符合设计规范和安全标准，是此阶段的核心任务。使用专用的监测设备，如应力计和倾斜仪，被广泛用于记录结构部件的压力和变形情况，以便及时调整施工方案。同时，通过全站仪等高精度仪器进行的监测与人工巡视相结合，可全面捕捉到潜在问题，确保施工质量。针对检测到的任何异常，立即采取纠正措施，包括但不限于调整施工方法、加固结构或重新执行某些工序。此外，施工团队需要定期召开质量会议，评估进度，分享问题，并制定改进措施。

5.4 施工后的质量评估

施工后的质量评估是锁扣钢管桩围堰施工完成后至关重要的一步，要求对整个工程结构的稳定性、安全性以及防水性能进行全面的检查和评估。通过实施一系列的检测和测试，确保所有施工环节均符合设计规范和质量标准，从而保障结构的长期稳定运行和安全使用。评估工作通常包括结构完整性测试、水压试验以及负荷测试等，通过测试发现可能存在的缺陷或问题，如微小裂缝、锁扣连接不牢或是防水层的破损等。此外，施工后质量评估还应涵盖对围堰周围环境的影响评估，确保施工活动未对周围环境造成不可逆转的损害。基于评估结果，工程团队需制定相应的整改措施，对检测出的问题进行修复，直至所有问题均得到妥善解决。完成这一系列严格的质量评估和整改后，围堰结构才能正式投入使用，施工后的质量评估因此成为确保工程质量和工程成功的关键步骤。