蔡曉男，張文淵

（中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

引 言

施工圍堰是在水域修建的臨時性圍護結(jié)構(gòu)，其作用是防止水土進入建筑物的修建區(qū)域，以便在圍堰內(nèi)進行施工。常見的施工圍堰包括：土石圍堰、鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、雙壁鋼圍堰等。其中，鎖口鋼管樁圍堰具有施工速度快、整體穩(wěn)定性強、回收利用率高、平面布置靈活等優(yōu)點，近年來在橋梁水下基礎(chǔ)工程中應(yīng)用廣泛。

江蘇連鹽高速灌河大橋索塔承臺施工采用工字型鎖口鋼管樁圍堰，止水效果好，實現(xiàn)了堰內(nèi)干施工條件[1]。大西客專晉陜黃河特大橋主墩深水基礎(chǔ)在綜合比選鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰三種技術(shù)方案后，提出采用方型鎖口鋼管樁圍堰以滿足施工便捷、安全、高效[2]。程金泉對近海水下基礎(chǔ)鋼管樁圍堰進行了有限元分析，提出圍堰迎風(fēng)浪側(cè)應(yīng)采用組合鋼管樁，并對打樁順序、合攏方式等施工技術(shù)進行說明[3]。吳亮秦等利用ANSYS建立有限元模型分析鎖口鋼管樁圍堰的受力性能，特別是分析封底混凝土對圍堰整體受力與抗浮的影響[4]。彭常青等從基礎(chǔ)理論方面系統(tǒng)論述軟土地基鋼管樁圍堰的計算指標(biāo)與計算方法，盡可能減少經(jīng)驗或半經(jīng)驗的主觀設(shè)計與施工[5]。王寅峰等對武漢青山長江公路大橋南主墩鎖口鋼管樁圍堰進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用Midas軟件分析圍堰整體及局部受力，結(jié)果表明各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求[6]。本文以湘潭楊梅洲大橋22#主墩為例，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，探究鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計、驗算、施工全過程，旨在為同類工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

湘潭楊梅洲大橋全長2 129.04 m，主跨采用658 m雙塔混合梁斜拉橋，西邊跨210 m，東邊跨240 m，引橋采用55 m、30 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。其中，河西側(cè)22#主塔位于水陸交界處總高度181 m，河?xùn)|側(cè)23#主塔位于水域總高度184.68 m，主塔承臺為直徑36 m、厚8 m的圓形結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為24根直徑3 m的鉆孔灌注樁。

圖1 鎖口鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)示意

22#主墩施工采用φ1 000鎖口鋼管樁圍堰（陰口φ159鋼管，陽口I22a工字鋼）作為圍護結(jié)構(gòu)，圍堰直徑40 m，鋼管樁底高程10.0 m，頂高程36.0 m（當(dāng)?shù)爻掷m(xù)洪水位35.5 m）。其中，第一道至第三道圍檁均為2H400×400，圍檁主支撐為φ1 000×10 mm，短支撐為φ609×10 mm，其余輔助斜撐為2[32b。鎖口鋼管樁圍堰布置見圖1。

3 受力計算

3.1 施工工況

22#主墩鎖口鋼管樁圍堰頂高程為36.0 m，計算頂高程為33.0 m，圍堰底高程為10.0 m，承臺底高程為19.0 m，坑底高程為18.0 m，具體施工工況如下：

工況一：拼裝第一層圍檁和內(nèi)支撐后，基坑內(nèi)開挖至27.0 m高程；

工況二：拼裝第二層圍檁和內(nèi)支撐后，基坑內(nèi)開挖至22.0 m高程；

工況三：拼裝第三層圍檁和內(nèi)支撐后，基坑內(nèi)開挖至18.0 m高程。

3.2 模型建立與加載

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012），擋土結(jié)構(gòu)采用彈性支點法模擬，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，地面附加荷載取值20 kN/m，利用理正巖土計算各土層主動土壓力（其中砂性土水土分算，粘性土水土合算）。

根據(jù)鋼管樁圍堰的結(jié)構(gòu)形式建立MIDAS整體模型，底部采用滑動絞支座，鎖口鋼管樁與土接觸部分均采用彈性連接，外側(cè)加載主動土壓力。加載整體模型如圖2。

圖2 22#主墩鋼圍堰計算結(jié)構(gòu)模型

3.3 計算結(jié)果

1）工況一：拼裝第一層圍檁和內(nèi)支撐后，基坑內(nèi)開挖至27.0 m高程。

鋼管樁最大變形、最大應(yīng)力位于第一層圍檁主支撐支點位置，分別為4.53 mm和19.12 MPa（＜[σ]=215 MPa），滿足要求。

圖3 鎖口鋼管樁驗算（工況一）

內(nèi)支撐最大變形位于第一層圍檁短支撐圍檁位置，為3.96 mm（＜[f]=2 626/400=6.565 mm）；內(nèi)支撐最大應(yīng)力、最大剪力位于第一層圍檁主支撐支點位置，分別為74.3 MPa（＜[σ]=215 MPa）和9.12 MPa（＜[σ]=125 MPa），滿足要求。

圖4 內(nèi)支撐驗算（工況一）

2）工況二：拼裝第二層圍檁和內(nèi)支撐后，基坑內(nèi)開挖至22.0 m高程。

鋼管樁最大變形、最大應(yīng)力位于第二層圍檁主支撐支點位置，分別為12.56 mm和61.61 MPa（＜[σ]=215 MPa），滿足要求。

圖5 鎖口鋼管樁驗算（工況二）

內(nèi)支撐最大變形位于第二層圍檁短支撐圍檁位置，為9.82-7.20=2.62 mm（＜[f]=2 626/400=6.565 mm）；內(nèi)支撐最大應(yīng)力、最大剪力位于第二層圍檁主支撐支點位置，分別為98.8 MPa（＜[σ]=215 MPa）和18.8 MPa（＜[σ]=125 MPa），滿足要求。

圖6 內(nèi)支撐驗算（工況二）

3）工況三：拼裝第三層圍檁和內(nèi)支撐后，基坑內(nèi)開挖至18.0 m高程。

鋼管樁最大變形、最大應(yīng)力位于第三道圍檁主支撐節(jié)點位置，分別為23.58 mm和117.1 MPa（＜[σ]=215 MPa），滿足要求。

圖7 鎖口鋼管樁驗算（工況三）

內(nèi)支撐最大變形位于第三層圍檁短支撐圍檁位置為4.05 mm（＜[f]=2 626/400=5.565 mm）；內(nèi)支撐最大應(yīng)力位于第三層圍檁短支撐圍檁位置為189.9 MPa（＜[σ]=215 MPa）；最大剪力位于第三層圍檁主支撐節(jié)點位置為36.7 MPa（＜[σ]=125 MPa）；滿足要求。

圖8 內(nèi)支撐驗算（工況三）

4 鎖口鋼管樁施工

根據(jù)施工現(xiàn)場的水陸區(qū)位，鎖口鋼管樁施工分為水上打樁區(qū)和陸上打樁區(qū)，如圖9所示，水上打樁64根，陸上打樁36根，累計100根。

圖9 施工現(xiàn)場平面布置

水上打樁采用100 t起重船搭配APE200-6振動錘，利用導(dǎo)向架順圓弧單向逐根打設(shè)，直至水域鎖口鋼管樁全部打完。陸上打樁采用120 t履帶吊搭配APE200-6振動錘，順圓弧對向逐根打設(shè)，最后十根樁應(yīng)根據(jù)樁位偏差及時調(diào)整，保證順利閉合。并且在閉合樁位施作兩排高壓旋噴樁，樁徑800 mm，樁中心間距600 mm，樁頂高程33 m，樁底高程10 m，樁長23 m，共計19根。

圖10 22#索塔圍堰施工BIM模擬

4.1 施工中存在的問題

依據(jù)上述方案進行施工遇到如下問題：

1）地質(zhì)條件復(fù)雜，圓礫層平均厚度8 m，施工工效慢，局部沉樁困難；

2）施工區(qū)域為飲用水一級保護區(qū)和野鯉國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)，環(huán)保要求高，鎖口處禁止使用混合物油膏，沉樁阻力大。

3）鎖口鋼管樁設(shè)計待優(yōu)化，陰陽鎖口對接不方便。

受深厚圓礫層的影響，鋼管樁沉樁困難，出現(xiàn)樁頂變形、撕裂、斷裂等情況。由于禁止使用混合物油膏，陽口I22a工字鋼因摩阻力過大出現(xiàn)熔蝕、撕裂等情況，如圖11所示。施工初期，鎖口鋼管樁的施工工效平均為1根/天，沉樁過程預(yù)計需要100天，不滿足節(jié)點工期要求。

圖11 鎖口鋼管樁施工損壞現(xiàn)象

4.2 解決方案

針對上述問題，施工單位提出如下應(yīng)對措施：

1）在鎖口鋼管樁內(nèi)外側(cè)分別設(shè)置1道高壓水管，管徑32 mm，出水壓力控制在4 MPa。同時，為防止沉樁過程中水管堵塞，端部做90°轉(zhuǎn)角，并焊接保護鋼板。施工時，依靠高壓水的樁周沖刷作用，加快沉樁速度。同時，在樁頂40 cm處進行局部加強，防止樁頂變形。

2）在鎖口處采用噴淋措施，降低沉樁摩阻力。

3）優(yōu)化陰陽鎖口設(shè)計，陰口φ159鋼管做45°坡腳，端頭封堵；陽口I22a工字鋼做45°坡腳。并且為方便對接，在陰口處做V形切口。

圖12 22#主墩鎖口鋼管樁圍堰施工現(xiàn)場

4.3 效果檢查

采取上述優(yōu)化措施后，沉樁工效顯著提高。平均每天沉樁4～7根，理論作業(yè)時間25天，節(jié)約工期75天。同時，經(jīng)濟效益凸顯，節(jié)約機械設(shè)備費94萬元，節(jié)約人工費10.9萬元，累計節(jié)約費用104.9萬元。

5 結(jié) 語

論文根據(jù)湘江楊梅洲大橋22#主墩的區(qū)位特征和土質(zhì)參數(shù)，設(shè)計鎖口鋼管樁圍堰以滿足橋墩承臺的施工要求。圍堰直徑40 m，頂高程36.0 m，底高程10.0 m，圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000鎖口鋼管樁并設(shè)三道內(nèi)支撐。在此基礎(chǔ)上，利用理正巖土和Midas Civil分析鎖口鋼管樁圍堰與周邊土體的相互作用，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。最后，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，說明沉樁過程中遇到的問題、采取的措施。結(jié)果表明：工藝優(yōu)化后，沉樁效率提高4～7倍，縮短理論工期75天，節(jié)約施工成本104.9萬元。綜上所述，論文對水陸交界處鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計、驗算、施工提供了整套解決方案，對類似工程的實施具有一定的借鑒參考價值。