田小路，汪 健

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 101400）

隨著我國(guó)交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的線路需要跨越江河湖海。受通航行洪的限制，橋梁的承臺(tái)需要埋入河床、嵌進(jìn)巖層。雙壁鋼圍堰由于其自身強(qiáng)度足、剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的特性，廣泛地應(yīng)用在深水圍堰施工中[1-3]，但整體設(shè)計(jì)復(fù)雜，用鋼量大，且不能重復(fù)使用，進(jìn)入巖層需要借助于水下爆破，安全風(fēng)險(xiǎn)高。相比于雙壁鋼圍堰而言，鎖扣鋼管樁圍堰可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，入巖方式較為靈活，更加適用于深水巖層地質(zhì)低樁嵌巖承臺(tái)的施工。

1 工程概況

余信貴大道（貴溪至月湖段）象山大橋位于江西省貴溪市境內(nèi)，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 168m，在K4+644～K5+408 段上跨信江，主橋采用1-(80+160+80)m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁—鋼箱拱組合體系，為全線控制性工程。信江為江西省境內(nèi)較大河流之一，枯水期水深約7m，豐水期水深＞10m，2018 年5 月實(shí)測(cè)水流速度為2.75m/s。橋梁主墩2 座，設(shè)置在信江河道中央，一個(gè)距信江東岸102.5m，另一個(gè)距信江西岸約151.3m，河面寬約440m。主墩基礎(chǔ)全部設(shè)計(jì)為低樁嵌巖承臺(tái)，外形尺寸為21.6m×17.1m，厚度5.0m，承臺(tái)底部位于河床以下5.0m。依據(jù)地勘報(bào)告，基礎(chǔ)巖層自上而下依次為全風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖[4]。為確保安全高效地完成主橋主墩下部結(jié)構(gòu)施工，主墩承臺(tái)施工采用鎖扣鋼管樁圍堰作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了簡(jiǎn)化施工流程，取消了封底混凝土。

2 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程所用的鎖扣鋼管樁圍堰無(wú)封底混凝土，只有鎖扣鋼管樁、圍檁及內(nèi)支撐系統(tǒng)兩部分，圍堰平面尺寸為26.97m×22.32m。鎖扣鋼管樁采用?630mm×10mm 的螺旋管，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度24m?？紤]到流水沖刷會(huì)導(dǎo)致覆蓋層變薄，進(jìn)而影響圍堰的整體穩(wěn)定，每根鋼管樁均錨入巖層，到達(dá)承臺(tái)底以下8m 處。鎖扣形式采用“C+I”陰陽(yáng)鎖扣。“C”形鎖扣采用?200mm×10mm 鋼管開(kāi)槽口，“I”形鎖扣采用I20b 工字鋼，陰陽(yáng)鎖扣在主鋼管兩側(cè)通長(zhǎng)焊接。圍堰的圍檁及支撐在高度方向共布置2 道，第一道設(shè)在圍堰頂以下3.5m處，圍檁采用雙拼I56b 工字鋼；第二道設(shè)在圍堰頂以下10m 處，圍檁采用H800mm×300mm 雙拼型鋼。支撐均采用?630mm×10mm的螺旋管，為確保內(nèi)撐作用力有效傳遞，與圍檁相接觸的鋼管四周采用肋板加焊（圖1）。

圖1 圍堰平面布置圖

3 圍堰施工工藝

圍堰內(nèi)支撐施工與圍堰內(nèi)抽水按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行[5]。具體施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→鋼管樁樁位引孔、開(kāi)槽、填砂→安裝鋼管樁導(dǎo)向架→插打鋼管樁→鎖口灌筑止水漿液→圍堰成形→抽水→安裝第一道內(nèi)支撐→排水下挖→安裝第二道內(nèi)支撐→繼續(xù)下挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高→承臺(tái)施工→拆除第二層內(nèi)支撐→拆除第一層內(nèi)支撐→拔出鋼管樁。

因基礎(chǔ)底部位于中風(fēng)化粉砂巖中，使用普通工藝，鋼管樁直接插打不能打入預(yù)定深度，圍堰不能滿足抗洪水沖擊和水、土側(cè)壓力的要求[6]，故采用鉆機(jī)引孔開(kāi)槽工藝（圖2）。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)實(shí)際工藝試驗(yàn)比選后，決定采用旋挖鉆與沖擊鉆配合，圓形孔位疊加的方式形成槽口，具體施工方法如下。

圖2 引孔開(kāi)槽施工順序示意圖

1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，測(cè)量放樣鎖扣鋼管樁圍堰中心線。

2）在鉆孔孔位處設(shè)置導(dǎo)向架。

3）12 個(gè)孔位為一組，隔孔下放引孔護(hù)筒，相互重疊區(qū)域0.2m。

4）利用旋挖鉆機(jī)間隔引孔，先鉆進(jìn)一序孔（奇數(shù)號(hào)孔位）。

5）拔出引孔鋼護(hù)筒。

6）采用大型空壓機(jī)和抽泥漿泵將一序孔內(nèi)回流的鉆渣清除。

7）利用沖擊鉆機(jī)施工二序孔（偶數(shù)號(hào)孔位）。

8）采用大型空壓機(jī)和抽泥漿泵將二序孔內(nèi)回流的鉆渣清除。

9）單邊成槽后，用混合料（碎石∶細(xì)沙∶黏土=3∶1∶1）回填至槽口下1～1.5m，并用旋挖鉆機(jī)擠壓密實(shí)。

10）滿足鋼管樁施工條件后，即可施打鋼管樁。

11）單邊鋼管柱插打完成且位置矯正后，采用C30 水下混凝土將槽口封堵密實(shí)。

4 圍堰計(jì)算

4.1 模型建立

在保證最終計(jì)算結(jié)果正確的前提下，建模過(guò)程中會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。而鎖扣鋼管樁圍堰含復(fù)雜細(xì)部構(gòu)造，單純運(yùn)用有限元軟件MIDAS無(wú)法完全模擬，故在有限元模型中，鎖口鋼管樁、圍檁及內(nèi)支撐系統(tǒng)桿件采用梁?jiǎn)卧雎枣i口鋼管樁之間的鎖口力作用。鎖扣鋼管樁與圍檁、圍檁與內(nèi)支撐之間為剛性連接，鋼管樁入巖部分按照“m”法建立節(jié)點(diǎn)彈性支撐[7]。

4.2 工況選擇

按照鎖口鋼管樁圍堰施工安裝順序，圍堰的計(jì)算分為以下6 種工況。

1）工況I：抽水至圍堰頂以下3.5m 處（設(shè)計(jì)標(biāo)高37.5m），安裝第一道內(nèi)支撐，若枯水期水位低于第一道內(nèi)支撐標(biāo)高，則無(wú)須抽水。

2）工況Ⅱ：抽水至圍堰頂以下10m 處（設(shè)計(jì)標(biāo)高31m），安裝第二道內(nèi)支撐。

3）工況Ⅲ：抽水至圍堰內(nèi)河床標(biāo)高。

4）工況Ⅳ：基坑開(kāi)挖完畢，即承臺(tái)底部以下5.1m 處。

5）工況Ⅴ：承臺(tái)施工完成后，圍堰內(nèi)支撐轉(zhuǎn)換，恢復(fù)水位至圍堰頂以下10m 處，拆除第二道內(nèi)支撐。

6）工況Ⅵ：V 形墩出水后，圍堰內(nèi)支撐轉(zhuǎn)換，恢復(fù)水位至圍堰頂以下3.5m 處（枯水期則至常水位），拆除第一道內(nèi)支撐。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)水深是鋼管樁圍堰受力的最主要影響因素[8]，即基坑開(kāi)挖完畢時(shí)（工況Ⅳ），作用在圍堰上的荷載組合最大，因此對(duì)工況Ⅳ下的圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算分析。

4.3 荷載計(jì)算

工況Ⅳ下的圍堰結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示，主要荷載有自重G、靜水壓力P、流水壓力Pw及土壓力Pa。

圖3 鋼管樁圍堰模型（工況Ⅳ）

圍堰自重G由軟件自動(dòng)錄入。

靜水壓力P作用于圍堰外表面，隨水深呈線性分布，考慮到圍堰施工可能遭遇洪水，根據(jù)水文地質(zhì)資料，水深h取10.99m，根據(jù)P=ρgh計(jì)算得P=109.9kN/m2。

流水壓力Pw作用于鋼管樁上游迎水面，流速隨水深呈曲線變化，河床底流速近于0。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將流水壓力分布看作倒三角，將流水壓力視為節(jié)點(diǎn)荷載，其等效著力點(diǎn)位置在設(shè)計(jì)水位下1/3 水深處[9]。

式中K——流水阻力系數(shù)，取K=1.30；

A——圍堰外壁上迎水面的面積；

V——為設(shè)計(jì)水流速，查詢水文地質(zhì)資料及相關(guān)文獻(xiàn)，取V=2.75m/s。

經(jīng)計(jì)算，Pw=5.016kN/m2。

在抽水過(guò)程中，圍堰錨固槽內(nèi)的混合料在流水壓力作用下向圍堰內(nèi)移動(dòng)。因此，鋼管樁承受圍堰外土體的主動(dòng)土壓力和內(nèi)部土體的被動(dòng)土壓力[9]。在地下水位以下的混合料的容重采用浮容重γ′代替，鋼管樁打入基巖8m。

式中γ′——混合料浮容重，取8kN/m3；

H——鋼管樁下埋尺寸；

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tg2(45-φ/2)。

經(jīng)計(jì)算，Pa=4kN/m2。

采用容許應(yīng)力法，驗(yàn)算圍堰結(jié)構(gòu)時(shí)，其荷載組合為：1.2G+1.0P+1.0Pw+1.0Pa。

4.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)工況Ⅳ下的鎖口鋼管樁圍堰進(jìn)行有限元分析，得到鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)最大水平位移為19.2mm,最大應(yīng)力為132.2MPa，位于鋼管樁第二層內(nèi)支撐處。圍檁最大應(yīng)力122.8MPa，內(nèi)支撐體系最大應(yīng)力為156.2MPa，位于第二層內(nèi)支撐處。結(jié)果表明：圍堰各構(gòu)件的最大應(yīng)力均小于190MPa[10]，整個(gè)鋼圍堰在工況Ⅳ下處于安全狀態(tài)，但在施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)檢查該處的連接強(qiáng)度，規(guī)避圍堰可能產(chǎn)生的破壞[11]。

5 施工監(jiān)測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

為保證基坑和施工人員的安全，及早發(fā)現(xiàn)、跟蹤和掌握可能出現(xiàn)的不利狀況，合理安排各工序，現(xiàn)場(chǎng)采用的施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及手段主要有：利用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)鋼管樁深層水平位移；安裝軸力計(jì)監(jiān)測(cè)支撐軸力[12]；利用水位標(biāo)尺線定期量測(cè)圍堰內(nèi)外水位高度，水位計(jì)定期量測(cè)圍堰內(nèi)地下水位高度。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采用陣列式自動(dòng)測(cè)斜儀、GNSS測(cè)斜數(shù)據(jù)接收機(jī)等儀器實(shí)現(xiàn)。

5.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在圍堰直角邊（上游小里程）的2 個(gè)鋼管柱內(nèi)部，鋼管柱施工深度為21.0m，由頂部至底部每3m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)16 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在圍堰上游的中心鋼管樁、圍檁、斜撐和對(duì)撐上，上下兩層布置，每層的內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置8 個(gè)，上下兩層的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在豎向上保持一致。水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在基坑拐角處，每個(gè)基坑設(shè)置1 個(gè)。具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4 圍堰監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

12#主墩鋼管樁圍堰于2020 年7 月1 日基坑開(kāi)挖完畢，之后遇超過(guò)1/20 洪水，圍堰外水位最高漲至+19.6m，直至2020 年7 月28 日，圍堰外水位回落至+17.15m 時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行抽水作業(yè)，在抽水全過(guò)程進(jìn)行變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5、圖6 所示。

由圖5、圖6 可知，圍堰內(nèi)水全部抽去后，2020 年8 月2 日CX-01 自動(dòng)測(cè)斜孔在深度21m處位移最 大值為11.16mm，2020 年9 月5 日YB-01-04 監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)力最大值為49.98MPa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的最大位移及應(yīng)力值與有限元分析結(jié)果相比較明顯偏小，圍堰整體結(jié)構(gòu)安全。

圖5 YB-01-01—YB-01-08支撐內(nèi)力圖

圖6 CX-01自動(dòng)測(cè)斜孔位移曲線圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在鋼管樁樁位引孔、開(kāi)槽、換填及封閉，實(shí)現(xiàn)了鋼管樁的錨固生根。利用MIDAS 軟件建立有限元模型對(duì)工況Ⅳ下的圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明圍堰處于安全狀態(tài)。象山大橋主墩成功實(shí)施了深水基礎(chǔ)圍堰后，現(xiàn)場(chǎng)采用多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及手段，為橋梁下部結(jié)構(gòu)施工提供了安全的作業(yè)環(huán)境。經(jīng)過(guò)兩次汛期，2020 年9 月30 日完成了全部深水圍堰及墩柱水下部分施工任務(wù)，未發(fā)生任何質(zhì)量安全事故，為后續(xù)主梁上部結(jié)構(gòu)施工奠定了基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，鎖口鋼管樁圍堰在深水裸巖條件下施工是成功的，為以后的鎖扣鋼管樁圍堰的施工提供了參考。