高明慧

(中國鐵建大橋工程局第一工程有限公司，遼寧 大連 116000)

1 工程概況

重慶軌道交通十八號線李家沱復(fù)線橋毗鄰李家沱長江公路大橋，兩橋基礎(chǔ)凈距為17.06 m。李家沱長江復(fù)線橋全長1 306.2 m，布置為(68.4+150.8+454+161.3+102.2+50)m，主橋跨徑為454 m。該橋?yàn)橹袊谝蛔姓缆放c軌道交通同層布置的非對稱大跨雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。其中，主梁鋼箱梁寬度為33.95 m，鋼箱梁高度為4.0 m；主橋下游側(cè)為雙線軌道交通，上游側(cè)為四車道市政公路；橋塔形式為混凝土花瓶形結(jié)構(gòu)，北岸塔高179.5 m，南岸塔高175.5 m，設(shè)置上、下兩道橫梁。P2、P3為主橋主塔，其承臺為矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為40 m×26 m×6 m，主塔基礎(chǔ)采用24根直徑3 m鉆孔灌注樁，樁長26 m。

P3主塔地形平緩，覆蓋層為卵石土，厚9.2～11.2 m，下部為砂質(zhì)泥巖、砂巖，承臺位于卵石層中；枯水期水深0～6.5 m，洪汛期水深0～17.5 m，蓄水期水深0～8.5 m?？紤]工程水文地質(zhì)條件及施工工期等因素，對可以適用的鋼板樁圍堰、雙壁鋼套箱圍堰、組合圍堰(咬合樁圍堰+雙壁鋼套箱圍堰)、鎖扣鋼管樁圍堰進(jìn)行施工工藝可行性、施工難度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、安全性等方面的研究和比對[1]，確定P3主塔承臺施工采用鎖扣鋼管樁圍堰施工，其主要施工工藝為：鉆機(jī)引孔、孔內(nèi)換填、插打鎖扣鋼管樁、圍堰合龍、注漿、鋼管內(nèi)滿灌砂礫、基坑開挖、內(nèi)支撐安裝、承臺施工。

2 鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)P3主塔承臺結(jié)構(gòu)形式及尺寸，鎖扣鋼管樁圍堰及內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)具體如下：鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計平面尺寸為43.44 m×29.33 m，鋼管樁采用?1 020×12 mm；鋼管樁圍堰頂部高程178.5 m，設(shè)防水位178.0 m，鋼管底部高程152.5 m，嵌入巖石深度5.0 m，封底混凝土厚度為3.0 m，混凝土底面高程158.5 m；鋼管樁圍堰分為18 m和8 m兩個節(jié)段，引孔換填完成后先插打18 m節(jié)段，圍堰合龍、注漿后接高8 m節(jié)段；圍堰內(nèi)設(shè)4道支撐，支撐分別采用?1 000 mm×12 mm和?1 000 mm×16 mm鋼管，支撐從上往下高程分別為174.5 m、168.5 m、165.5 m及162.5 m；圍檁采用2HN900×300 mm、3HN900×300 mm的H型鋼以及1 500 mm×900 mm焊接箱梁；外側(cè)通長焊接鎖扣，鎖扣寬5 cm，通過鎖扣之間咬合達(dá)到止水效果。鎖扣鋼圍堰內(nèi)部圍檁、橫撐、斜撐等構(gòu)件材料均采用Q235B鋼材。鎖扣鋼管樁圍堰平面及立面如圖1、圖2所示。

圖1 鎖扣鋼管樁圍堰平面布置(單位：mm)

圖2 鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)立面(單位：mm)

3 鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)分析

3.1 確定計算工況

依據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，根據(jù)施工工序和施工工作環(huán)境確定五種計算工況進(jìn)行施工過程受力分析。

工況一：鎖扣鋼管樁圍堰合龍、注漿加固后，內(nèi)部抽水開挖至第3道支撐下0.5 m處，安裝第2道支撐。圍堰外施工水位標(biāo)高+169 m，河床標(biāo)高+168.5 m；圍堰內(nèi)水位和土層標(biāo)高+165 m。

工況二：接高圍堰至圍堰頂，安裝第1道支撐和第3道支撐，抽水開挖至第4道支撐下方0.5 m處。圍堰外施工水位標(biāo)高+173.5 m，河床標(biāo)高+168.5 m；圍堰內(nèi)水位和土層標(biāo)高+162 m。

工況三：圍堰內(nèi)安裝第4道支撐，抽水開挖至封底混凝土底部高程后，澆筑封底混凝土。圍堰外施工水位標(biāo)高+173.5 m，河床標(biāo)高+168.5 m；圍堰內(nèi)水位和土層標(biāo)高+158.5 m。

工況四：拆除第4道支撐，進(jìn)行第1層承臺施工并回填。圍堰外施工水位標(biāo)高+178.0 m，河床標(biāo)高+168.5 m；圍堰內(nèi)水位和土層標(biāo)高+158.5 m，第1層承臺標(biāo)高+164.5 m。

工況五：拆除第2、3道支撐，進(jìn)行第2層承臺和塔座的施工并回填。圍堰外施工水位標(biāo)高+178.0 m，河床標(biāo)高+168.5 m；圍堰內(nèi)水位和土層標(biāo)高+158.5 m，第2層承臺標(biāo)高+167.5 m。

3.2 計算方法及荷載

3.2.1 計算方法和計算內(nèi)容

結(jié)構(gòu)計算方法采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，強(qiáng)度設(shè)計值為215 MPa。鋼圍堰計算內(nèi)容包括鎖扣鋼管樁圍堰的鋼管、圍檁、斜撐、水平撐等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、鋼圍堰結(jié)構(gòu)的整體變形、鋼圍堰整體穩(wěn)定性以及鋼圍堰各構(gòu)件的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算以結(jié)構(gòu)自重為不變荷載，靜水壓力、流水壓力為可變荷載，計算各工況下結(jié)構(gòu)的第一階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)屈曲系數(shù)大于4時滿足《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51295-2018)要求。

3.2.2 計算荷載

鋼圍堰計算荷載包括鋼圍堰結(jié)構(gòu)的自重，根據(jù)設(shè)計尺寸以及對應(yīng)的材料特性計入。水壓力，分為靜水壓力和流水壓力；靜水壓力沿圍堰周邊均勻線性分布，大小按照p=γh計入，其中重度γ=10 kN·m3；流水壓力根據(jù)Fw=KAγv2/2g確定(其中，F(xiàn)w為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；K為橋墩形狀系數(shù)，取1.3；A為橋墩阻水面積(m2)；v為設(shè)計流速(m/s)，汛期流速取3.61 m/s)，作用于圍堰上游側(cè)每根鋼管，位于水面以下水深1/3處，大小148.2 kN。土壓力，利用朗肯土壓力理論計算，采用水土分算原則，沿圍堰周邊均勻線性分布。主動土壓力系數(shù)Ka=tg2(45-φ/2) ，被動土壓力系數(shù)Kp=tg2(45+φ/2) 。土層參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

承載能力極限狀態(tài)下工況一、工況二、工況三、工況五的荷載采用自重加靜水壓力與土壓力的組合形式，組合系數(shù)為1.2；工況四的荷載采用1.2自重+1.2靜水壓力或土壓力+1.4流水壓力的組合形式；正常使用極限狀態(tài)下各工況采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合形式。

3.3 結(jié)構(gòu)計算

3.3.1 鋼圍堰整體分析

鎖扣鋼管樁圍堰由鎖扣鋼管樁、鋼圍檁、內(nèi)撐鋼管、封底混凝土組成，根據(jù)五種計算工況分別建立有限元模型，其中采用梁單元模擬鋼管樁及圍堰內(nèi)部支撐、圍檁，用板單元模擬鋼管樁之間的鎖扣連接，采用實(shí)體單元模擬封底混凝土；邊界條件為鋼管進(jìn)入土層部分為彈性支承約束，鋼管樁打入巖層部分為固定支承約束；各道圍檁與鋼管樁之間的約束采用剛性連接模擬，內(nèi)撐鋼管與圍檁之間的約束采用彈性支承模擬。

由于篇幅有限，僅列出工況三的相關(guān)模型和計算結(jié)果，如圖3所示。 計算結(jié)果及結(jié)論如下：在工況三荷載作用下，鎖扣鋼管樁圍堰的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第4道支撐圍檁，最大應(yīng)力為119.8 MPa(壓應(yīng)力)≤215 MPa，圍堰整體結(jié)構(gòu)的最大變形為4.8 mm；第一階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為49>4滿足要求。其余工況計算結(jié)果如表2所示。

圖3 工況三計算結(jié)果

表2 其余工況計算結(jié)果

施工完封底混凝土后，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行抗浮與抗彎的驗(yàn)算。計算得封底混凝土抗浮安全系數(shù)μ=F抗浮/F浮=1.7 > 1.15，滿足抗浮要求；封底混凝土抗彎計算應(yīng)力為0.03 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

綜合以上結(jié)果，各工況最大應(yīng)力均小于強(qiáng)度設(shè)計值，最大變形均小于鋼圍堰整體高度的1/600=26 000 mm/600=43 mm，第一階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)均大于4。因此各工況下圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.3.2 內(nèi)撐桿件受壓穩(wěn)定性檢算

對于內(nèi)支撐受壓桿件需進(jìn)行穩(wěn)定性的檢算，選取上述工況中應(yīng)力最大的工況，對其進(jìn)行壓桿穩(wěn)定計算。工況一中最大應(yīng)力出現(xiàn)在第2道支撐處，其中斜撐與直撐均采用?1 000 mm×12 mm鋼管，截面面積A=37 247mm2，截面抗彎模量W=9×106mm3，彈性模量E=200 GPa。

4 鎖扣鋼管樁圍堰施工技術(shù)

4.1 引孔、換填、插打鋼管樁、圍堰合龍

圍堰下方卵石層采用直徑為2.2 m的旋挖鉆機(jī)鉆孔，全護(hù)筒跟進(jìn)至巖層，砂巖層采用沖擊鉆進(jìn)行鉆孔，達(dá)到深度后，樁底部7 m范圍內(nèi)換填粒徑為1～2 cm的碎石，上部回填黃土，回填完成后拔出鋼護(hù)筒，進(jìn)行第2根樁孔換填，按此步驟依次進(jìn)行所有鋼管樁基槽的換填；然后利用振動錘將鋼管插打至設(shè)計位置。為了保證鋼管插打的垂直度，需設(shè)置導(dǎo)向架，導(dǎo)向架采用型鋼焊接而成，長15 m、寬2.1 m、高4.955 m，導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)如圖4所示。為保證插打時導(dǎo)向架的穩(wěn)定，利用型鋼將導(dǎo)向架固定在主墩樁基鋼護(hù)筒上。鋼管插打至設(shè)計位置后，鋼管與鋼管之間利用鎖扣咬合進(jìn)行止水，避免出現(xiàn)滲水問題[2]，后續(xù)圍堰內(nèi)施工證實(shí)鎖扣咬合止水效果良好。

圖4 導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

鋼管樁圍堰在角樁處合龍，利用測距儀或北斗衛(wèi)星定位裝置得到開口長度，通過調(diào)整鋼管樁直徑或全焊搭接位置，安裝異形鎖扣鋼管樁錘擊合龍。圍堰合龍后向鋼管內(nèi)滿灌砂礫，增強(qiáng)圍堰剛度。

4.2 鎖扣鋼管樁底注漿止水加固

鎖扣鋼管樁圍堰合龍后，在鋼管樁底部5 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿，加強(qiáng)止水，同時起到對鎖扣鋼管樁底部固結(jié)的作用。由于鎖扣鋼管樁圍堰注漿為水下注漿，且地質(zhì)具有一定的特殊性，鋼管樁里面為回填碎石，鋼管樁上部覆蓋層為沉積卵石層，鋼管樁底部為砂巖，為保證樁底注漿確實(shí)起到樁底加固及良好的止水作用，必須在考慮漿液滲透擴(kuò)散機(jī)理基礎(chǔ)上，根據(jù)漿液劈裂作用及空隙追尋偏好實(shí)施高壓注漿[3]。

4.2.1 注漿預(yù)埋管布置

鎖扣鋼管樁換填前先下放底部5 m范圍內(nèi)梅花形開孔的?40 mm×3mm注漿管，注漿管每隔30 cm設(shè)置4個直徑不大于1 cm的孔，下放注漿管前對孔進(jìn)行封閉保護(hù)，然后再進(jìn)行鋼管樁基槽換填。注漿管布置在鎖扣樁內(nèi)外兩側(cè)，預(yù)埋注漿管根數(shù)為180根，四個角外圍補(bǔ)強(qiáng)注漿管為8根，共布置188根注漿管，如圖5所示。鎖扣鋼管樁插打合龍后，對預(yù)埋注漿管進(jìn)行檢查，若預(yù)埋注漿管由于圍堰基槽鉆孔被破壞，則換用?108 mm潛孔鉆機(jī)鉆孔，套管跟進(jìn)，最后進(jìn)行高壓注漿。

圖5 鎖扣鋼管樁圍堰注漿孔布置

4.2.2 注漿材料選擇

(1)注漿材料主要根據(jù)所注地層的狀況、注漿目的，本著造價低、易于取材和不易引起不良后果等原則決定。

(2)根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料，本工程采用速凝水泥漿(水灰比1∶1)，輔以一定的外加劑，現(xiàn)場根據(jù)注漿效果進(jìn)行調(diào)整。

(3)注漿過程中通過摻加減水劑提高漿液的流變參數(shù)，增加漿液的流動性。

4.2.3 注漿壓力

鋼管樁圍堰底部注漿時需控制好施加的壓力，施加壓力越大，填充范圍越大，可提高灌注質(zhì)量；但注漿壓力過大時，也容易出現(xiàn)漿液噴冒的問題[4]。所以，需依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)形式等確定注漿壓力，對鎖扣樁與巖層間的空隙充分灌注。首先前提是要滿足漿液的擴(kuò)散半徑，各注漿孔之間注漿的漿液能相互搭接，保證不出現(xiàn)漏注區(qū)域。經(jīng)現(xiàn)場灌注試驗(yàn)，鎖扣樁外側(cè)孔采用0.1～0.3 MPa的注漿壓力，鎖扣樁內(nèi)側(cè)孔采用0.4～0.5 MPa的注漿壓力，能滿足漿液的擴(kuò)散半徑要求，也能夠?qū)崿F(xiàn)鎖扣鋼管樁圍堰加固及止水相關(guān)預(yù)期目標(biāo)。

施工時將鎖扣鋼管樁頂部開口密封，在樁內(nèi)施加壓力。注漿時先灌注鎖扣鋼管樁外側(cè)孔，后灌注鎖扣樁內(nèi)側(cè)孔。在后續(xù)鎖扣鋼管樁圍堰內(nèi)基坑開挖過程中，隨時檢查圍堰漏水點(diǎn)，對于鎖扣之間的漏水點(diǎn)采用焊接止水，對于鋼管樁根部漏水點(diǎn)采用補(bǔ)孔注漿措施封堵，可實(shí)現(xiàn)圍堰內(nèi)無水施工。

4.3 基坑開挖、內(nèi)支撐安裝及圍堰接高

P3主塔地面高程166.7～168.7 m，基坑采用長臂挖掘機(jī)與圍堰內(nèi)履帶挖機(jī)配合的方式開挖。鎖扣鋼管樁底部注漿完成后將履帶挖機(jī)下放至基坑內(nèi)，配合長臂挖機(jī)進(jìn)行開挖。基坑開挖分層對稱開挖，防止一側(cè)開挖過深導(dǎo)致圍堰變形。

基坑開挖至高程+165 m時安裝第2道支撐，內(nèi)部橫撐通過履帶吊機(jī)進(jìn)行吊裝，并利用法蘭盤栓接。安裝完成第2道支撐后利用?1 020 mm×12 mm鎖扣鋼管將圍堰接高至圍堰頂部高程+178.5 m處，接高完成后向鋼管內(nèi)滿灌砂礫。鎖扣鋼管接高現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 鎖扣鋼管接高

4.4 后續(xù)內(nèi)支撐安裝、澆筑封底混凝土

安裝第1道支撐和第3道支撐，基坑繼續(xù)抽水開挖至高程+162 m后安裝第4道支撐。待基坑抽水開挖至封底混凝土底部標(biāo)高后，基底清理，施工3 m厚封底混凝土并養(yǎng)護(hù)。

4.5 承臺施工

待封底混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除第4道支撐，進(jìn)行第1層承臺的施工，實(shí)施方案如下：準(zhǔn)確測量放出承臺十字軸線及標(biāo)高線，并做上醒目標(biāo)記；依據(jù)承臺十字軸線用墨線彈出承臺的輪廓尺寸線；綁扎承臺鋼筋，安裝冷卻水管、測溫元件，拼裝鋼模板，澆筑第1層承臺混凝土并養(yǎng)護(hù)；然后依次拆除第3道、第2道支撐，進(jìn)行第2層承臺和塔座的施工。塔座施工現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 圍堰內(nèi)塔座施工現(xiàn)場

5 結(jié)束語

(1)在鎖扣鋼管樁插打過程中采用旋挖鉆、沖擊鉆鉆孔換填碎石的方案解決了深水卵石、砂巖覆蓋層鋼管樁插打困難的問題。

(2)圍堰鋼管樁之間采用鎖扣咬合止水，該種鎖扣止水措施相對于之前的“C-T”、“L-T”型鎖扣止水效果好，不需要在鎖扣之間填充止水材料，因而節(jié)省了成本及圍堰施工周期；圍堰鋼管樁內(nèi)、外側(cè)采用注漿的方式進(jìn)行底部止水加固，在施工過程中通過調(diào)整漿液配合比、摻加減水劑的措施提高了漿液的流變參數(shù)，增加了漿液的流動性，并通過試驗(yàn)確定了最佳注漿壓力，保證了注漿效果。施工中證實(shí)通過鎖扣間咬合以及底部注漿可基本實(shí)現(xiàn)圍堰內(nèi)無水狀態(tài)。

通過對李家沱復(fù)線橋P3主塔基礎(chǔ)鎖扣鋼管樁圍堰的應(yīng)用研究，可為深水卵石覆蓋層地質(zhì)條件下橋梁基礎(chǔ)大型鎖扣鋼管樁圍堰的應(yīng)用提供參考與借鑒。