陳泰旭，馮茂利，劉廷陽(yáng)

（1.河南省黃河高速公路有限公司，河南 鄭州 451450；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

自從黨的十九大提出“建設(shè)美麗中國(guó)，為人民創(chuàng)造良好生產(chǎn)生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻(xiàn)”以來(lái)[1]，交通運(yùn)輸行業(yè)從材料生產(chǎn)到基礎(chǔ)建設(shè)、從規(guī)劃研究到項(xiàng)目落地運(yùn)營(yíng)，各個(gè)環(huán)節(jié)都要求落實(shí)“低碳環(huán)保”的指標(biāo)體系。2020年9月習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出我國(guó)的“雙碳”目標(biāo)，也讓交通運(yùn)輸行業(yè)建設(shè)領(lǐng)域的生態(tài)環(huán)保目標(biāo)更加清晰明了，同時(shí)也更加堅(jiān)定了在工程建設(shè)中推行環(huán)境保護(hù)和污染防治的決心。

近年來(lái)我國(guó)交通建設(shè)從技術(shù)到質(zhì)量都得到了深入的發(fā)展，但在實(shí)際的施工過(guò)程中[2]，仍然會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)及周邊的生態(tài)環(huán)境造成破壞，從而影響建筑工程項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展。而生態(tài)環(huán)保理念下公路橋梁建筑施工技術(shù)的運(yùn)用，進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)公路橋梁施工建設(shè)的發(fā)展[3]。

1 工程概況

安陽(yáng)至羅山高速公路原陽(yáng)至鄭州段是河南省高速公路“13445工程”第一批切塊項(xiàng)目之一，起點(diǎn)位于新鄉(xiāng)市原陽(yáng)境蘭原高速，跨越黃河濕地保護(hù)區(qū)，與連霍高速相交，順接安羅高速鄭州機(jī)場(chǎng)至周口西華段。項(xiàng)目全長(zhǎng)約21.655公里，其中黃河特大橋15.223公里，用鋼量約23萬(wàn)噸，斜拉橋主跨520米，是黃河上最長(zhǎng)的公路橋梁，也是黃河上八車道最大跨徑斜拉橋以及內(nèi)陸地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)用量最大的公路橋梁。

1.1 水文地質(zhì)特征

項(xiàng)目黃河大橋位于黃河下游花園口～夾河灘河段，橋位距花園口斷面49.06 km，距夾河灘斷面41.92 km，該河段河流散亂，河道演變周期短，屬游蕩型河道，該地區(qū)水位特征如表1所示。橋位區(qū)地質(zhì)條件：上部以第四系全新統(tǒng)沖積粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂為主，局部夾粉砂，厚度約40～45 m；中部為第四系上更新統(tǒng)沖積細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土層，厚度約30～35 m，局部夾中砂；下部為中更新統(tǒng)沖積細(xì)砂、粉質(zhì)黏土和粉土層，局部夾中砂。項(xiàng)目水位特征情況如表1所示。

表1 水位特征情況Tab.1 Water level characteristics

1.2 存在問(wèn)題

承臺(tái)施工是橋梁施工難點(diǎn)之一，常采用鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰等類型[4]。項(xiàng)目黃河特大橋施工過(guò)程中，存在地質(zhì)條件較差、環(huán)保要求高、施工受限多等難點(diǎn)，相關(guān)圍堰類型選擇需要解決圍堰合龍困難、合龍準(zhǔn)確度不足、后續(xù)承臺(tái)施工作業(yè)地下水滲漏等問(wèn)題，并要保證在黃河汛期前完成圍堰及后續(xù)承臺(tái)的施工。

2 圍堰設(shè)計(jì)

2.1 圍堰尺寸及類型

主墩基礎(chǔ)：承臺(tái)為分離式八邊形承臺(tái)，單個(gè)承臺(tái)尺寸為35.6 m×32.1 m，兩承臺(tái)相距30.9 m，承臺(tái)厚6.0 m。封底混凝土采用C20。組合鋼管截面構(gòu)造如圖1所示。

圖1 組合鋼管樁構(gòu)造圖（單位：cm）Fig.1 Structural drawing of composite steel pipe pile （unit: cm）

本工程采用鋼管樁+鋼板樁組合圍堰對(duì)承臺(tái)范圍進(jìn)行基坑支護(hù)，其中組合鋼管樁圍堰適合黃河砂質(zhì)地層，較鋼板樁具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠有效解決地質(zhì)條件復(fù)雜難題。合理布置內(nèi)撐可有效解決后續(xù)承臺(tái)施工作業(yè)地下水滲漏問(wèn)題，增強(qiáng)圍堰整體剛度和水平抗推強(qiáng)度，并且結(jié)構(gòu)體系相對(duì)簡(jiǎn)單，減少基坑暴露時(shí)間，能有效縮短承臺(tái)施工周期，節(jié)約成本[5]。圍堰鋼管樁采用φ820×14管樁，頂標(biāo)高+81.50 m，底標(biāo)高+56.5 m，長(zhǎng)25.0 m，鋼板樁采用 SP-IVw型號(hào)，頂標(biāo)高+81.50 m，底標(biāo)高+57.5 m，長(zhǎng) 24.0 m，圍堰設(shè)置三道支撐體系，標(biāo)高分別為+79.50 m、+75.80 m、+72.60 m。首層圍檁使用2HN700×300型鋼，內(nèi)支撐使用φ609×14鋼管。第二、三層圍檁采用3HN700×300 型鋼，內(nèi)支撐采用φ800×16鋼管[6]，聯(lián)系撐采用φ426×6鋼管，封底混凝土厚度為0.5 m。

2.2 圍堰整體建模計(jì)算

采用MIDAS Civil有限元軟件建模，支護(hù)樁、圍檁、內(nèi)支撐、聯(lián)系撐均用梁?jiǎn)卧M，支護(hù)樁底部豎向約束[7]，被動(dòng)土壓力以僅受壓土彈簧模擬，圍檁和鋼管樁間用僅受壓彈簧模擬，內(nèi)支撐和圍檁間共節(jié)點(diǎn)[8]，內(nèi)支撐和聯(lián)系撐之間采用鉸接模擬，在牛腿處約束豎向位移模擬對(duì)圍檁的支撐作用。圍堰整體計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 圍堰整體計(jì)算模型Fig.2 Integral calculation model of cofferdam

圍堰各施工階段構(gòu)件應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 圍堰應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of cofferdam stress and displacement

支護(hù)樁的強(qiáng)度：

σmax=249 MPa＜f=305 MPa

圍檁的強(qiáng)度：

σmax=288 MPa＜f=295 MPa

τmax=85 MPa＜f=175 MPa

內(nèi)支撐的強(qiáng)度：

σmax=153 MPa＜f=305 MPa

聯(lián)系撐的強(qiáng)度：

σmax=136 MPa＜f=215 MPa

聯(lián)系撐的強(qiáng)度：

σmax=136 MPa＜f=215 MPa

鋼管樁剛度：

δmax=72 mm＜min（0.01 h，80）=80 mm

通過(guò)計(jì)算，滿足規(guī)范要求。

2.3 內(nèi)支撐計(jì)算

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，雙向壓彎圓管的整體穩(wěn)定按下述公式計(jì)算：

式中：N為軸心壓力設(shè)計(jì)值；φ為軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)；A為截面面積；β為計(jì)算雙向壓彎整體穩(wěn)定時(shí)采用的等效彎矩系數(shù)；M為計(jì)算雙向壓彎圓管構(gòu)件整體穩(wěn)定時(shí)采用的彎矩值；分別為構(gòu)件A端關(guān)于x軸、y軸的彎矩和構(gòu)件B端關(guān)于x軸、y軸的彎矩；γm為圓形構(gòu)件的截面塑性發(fā)展系數(shù)，滿足 S3 要求時(shí)取1.15，不滿足時(shí)取1.0，W為截面模量；N'EX為參數(shù)，

（1）φ609×14內(nèi)支撐穩(wěn)定性計(jì)算：

φ609×14內(nèi)支撐最不利內(nèi)力：

軸力N=1 696 kN 彎矩M=270 kN，

φ609×14內(nèi)支撐穩(wěn)定性計(jì)算如下：

A=26 170 mm2，W=3 805 326 mm3，

計(jì)算長(zhǎng)度l0=μl=19.407m，λ=l0/i=92.3

穩(wěn)定系數(shù)=0.610

故φ609×14內(nèi)支撐穩(wěn)定性均滿足要求。

（2）φ800×16內(nèi)支撐穩(wěn)定性計(jì)算：

φ800×16內(nèi)支撐最不利內(nèi)力：

軸力N=5 178 kN 彎矩M=327 kN，

φ800×16內(nèi)支撐穩(wěn)定性計(jì)算如下：

A=39 408 mm2，W=7 572 667 mm3，

計(jì)算長(zhǎng)度l0=μl=19.407m，λ=l0/i=70

穩(wěn)定系數(shù) =0.751

故φ800×16內(nèi)支撐穩(wěn)定性均滿足要求。

3 鋼管樁+鋼板樁組合圍堰施工方法

3.1 施工整體思路

采取兩個(gè)承臺(tái)獨(dú)立施工。人材機(jī)等通過(guò)主棧橋進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工作業(yè)。鋼筋由北岸鋼筋加工廠制作并配送至作業(yè)面綁扎，承臺(tái)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管。95#主墩上下游承臺(tái)采用鋼管、板樁組合圍堰支護(hù)施工，基坑開挖采用挖機(jī)配合料斗施工，自卸車外運(yùn)，井點(diǎn)降水采用無(wú)砂混凝土管，模板采用定型鋼?，F(xiàn)場(chǎng)組拼，混凝土運(yùn)輸車運(yùn)輸混凝土，采用天泵進(jìn)行混凝土澆筑，使用振搗棒搗固密實(shí)，承臺(tái)進(jìn)行分層澆筑，每次澆筑2 m，共6 m。承臺(tái)外部用土工布灑水養(yǎng)生，內(nèi)部采取循環(huán)水進(jìn)行溫度控制，養(yǎng)生期不低于兩周。為保證鎖口鋼管樁平面位置和傾斜度，提前設(shè)導(dǎo)向裝置進(jìn)行定位、引導(dǎo)，采用“履帶吊 + 振動(dòng)錘”的方法按序插打[9]。主要工藝流程為：施工準(zhǔn)備→拆除鉆孔平臺(tái)→組合樁插打→分層開挖→分層安裝圍檁→墊層施工→第一、二層承臺(tái)澆筑→支墩施工→T1節(jié)段吊裝→第三層承臺(tái)澆筑。

3.2 施工準(zhǔn)備

搭建施工測(cè)量控制網(wǎng)，計(jì)算承臺(tái)軸線點(diǎn)、角點(diǎn)和特征點(diǎn)三維坐標(biāo)。針對(duì)大體積混凝土進(jìn)行專項(xiàng)溫控設(shè)計(jì)，布置33個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫線沿角鋼布置，選取承臺(tái)混凝土垂直中位面的1/4塊布置測(cè)點(diǎn)，建立具備數(shù)據(jù)收集分析、智能預(yù)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能的一體化智能溫控系統(tǒng)，大幅降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 鋼圍堰加工

3.3.1 鋼管（板）樁加工

組合鋼管樁圍堰主要分為四個(gè)部分：鋼管（板）樁、圍檁、內(nèi)支撐及聯(lián)系撐。本項(xiàng)目圍堰鋼管樁材質(zhì)用Q345B，由后場(chǎng)加工完成，工程鋼管樁長(zhǎng)25 m。鋼板樁采用SY295材質(zhì)，長(zhǎng)24 m。鋼板樁選用15 m +9 m的組合形式，鋼管樁選用15 m+10 m組合形式。由后場(chǎng)制作構(gòu)件后，使用運(yùn)輸車輛運(yùn)到作業(yè)面，在平臺(tái)上進(jìn)行對(duì)接。鋼管樁采用熱軋C9型鎖扣沿管樁軸線進(jìn)行焊接，C9型鎖扣與鋼管樁焊接時(shí)[10]，為避免鎖扣焊接過(guò)程中發(fā)生變形和旁彎，采用點(diǎn)焊方式將鎖扣進(jìn)行定位，并先后采用間斷焊及對(duì)向焊接工藝沿軸線將鎖扣焊接固定。焊件對(duì)接前將接縫處和內(nèi)、外面30 mm內(nèi)雜物進(jìn)行清理，鋼管對(duì)接組對(duì)時(shí)內(nèi)壁應(yīng)平順，避免錯(cuò)臺(tái)（內(nèi)壁錯(cuò)邊量≤管壁厚的10%且≤2 mm），對(duì)接前先打設(shè)坡口，采用焊接限位鋼板來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼管對(duì)接的精確度[11]。在對(duì)接完成后分段滿焊固定，數(shù)量≥3條，長(zhǎng)度應(yīng)＞15 mm。樁接長(zhǎng)前，須復(fù)核法線，保證其法線一致，方能焊接作業(yè)。鋼管樁鎖扣制作示意圖見(jiàn)3。

圖3 鋼管樁鎖扣制作示意Fig.3 Fabrication diagram of steel pipe pile lock catch

3.3.2 圍檁、內(nèi)支撐、聯(lián)系撐加工

圍檁長(zhǎng)度為37.2 m及35.1 m，為便于施工，對(duì)其進(jìn)行分段。根據(jù)分段進(jìn)行圍檁加工，并注意加勁板及連接板的焊接，同時(shí)錯(cuò)開接頭。

內(nèi)支撐及聯(lián)系撐采用鋼管進(jìn)行加工，內(nèi)支撐規(guī)格為Φ609×14及Φ800×16，聯(lián)系撐規(guī)格為Φ426×6。內(nèi)支撐及聯(lián)系梁具體尺寸待圍檁安裝完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)尺寸，在后場(chǎng)進(jìn)行加工，并標(biāo)明位置，加工過(guò)程中，注意相貫線的切割。

3.3.3 吊裝及運(yùn)輸

選用兩點(diǎn)吊裝法，兩個(gè)起吊點(diǎn)設(shè)在距鋼板樁兩端1/4處，單次吊裝控制在3根內(nèi)。吊運(yùn)使用成捆和單根起吊，成捆起吊使用鋼絲繩或吊帶捆扎，單根起吊使用專業(yè)吊具。在鋼管樁對(duì)接后，每根對(duì)接鋼管樁上各預(yù)先焊接1個(gè)吊裝環(huán)，作吊裝使用。鋼板樁、鋼管樁及圍檁在后場(chǎng)進(jìn)行加工后，通過(guò)平板車運(yùn)輸。

3.4 組合樁插打

3.4.1 導(dǎo)向架安裝

導(dǎo)向架分為兩種，第一種為導(dǎo)向樁及導(dǎo)梁形式，通過(guò)插打?qū)驑抖ㄎ粚?dǎo)梁，從而起到導(dǎo)向作用，第二種為托架加導(dǎo)梁形式，采用在鋼管樁上焊接托梁，在托架上固定導(dǎo)梁，從而起到導(dǎo)向作用。

導(dǎo)向樁導(dǎo)向架：導(dǎo)向裝置采用H488型鋼作為導(dǎo)向樁及導(dǎo)梁，導(dǎo)向樁水平間距6 m（具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可適當(dāng)調(diào)整），樁長(zhǎng)11.2 m，打入地層深度6 m。導(dǎo)梁共設(shè)兩層，第一層導(dǎo)梁與地面平齊，另一層導(dǎo)梁位于地面以上4 m處。鋼管樁插打起始階段（起始12 m），采用雙側(cè)導(dǎo)向架，為方便鋼管樁能順利插入導(dǎo)向框架，兩側(cè)導(dǎo)向架間凈間距較鋼管樁直徑820 mm大20 mm，即840 mm；后續(xù)階段則使用單側(cè)導(dǎo)向架進(jìn)行施工。導(dǎo)向樁上設(shè)置安全繩孔，施工時(shí)安裝安全繩。

托梁導(dǎo)向裝置：在作業(yè)平臺(tái)鋼管樁及臨時(shí)護(hù)筒上焊接牛腿作為導(dǎo)向裝置支撐定位點(diǎn)，牛腿材料為H488。通過(guò)牛腿精確測(cè)位，焊接固定鋼板樁導(dǎo)向架。

3.4.2 施打方法

使用135 t履帶吊和EP200型振動(dòng)錘施打，鋼管樁及鋼板樁交錯(cuò)插打。采用履帶吊機(jī)主鉤起吊鋼管樁或者拉森鋼板樁，隨后主鉤持續(xù)升至鋼管樁或者拉森鋼板樁垂直，將鋼管樁或拉森鋼板樁先臨時(shí)豎向擱置在樁基護(hù)筒中。待鋼管（板）樁插打時(shí)，履帶吊再吊起振動(dòng)錘依次在附近樁基護(hù)筒中夾起臨時(shí)放置的鋼管（板）樁，依靠導(dǎo)向架緩慢放下，待樁入土自穩(wěn)后，再檢查一次樁身垂直度及平面位置，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后開始施打。

首根樁選擇鎖扣鋼管樁，打至距標(biāo)高上6 m時(shí)暫停施打，打入第二根鋼板樁距標(biāo)高上6 m，依次類推，鎖扣鋼管樁與鋼板樁交替進(jìn)行施打。在單根導(dǎo)向梁范圍內(nèi)樁施工完成后，將鎖扣鋼管樁與鋼板樁插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。嚴(yán)控首根樁施工質(zhì)量，隨后每15～20根需檢查一次，保證樁體豎直度控制在 1%L內(nèi)。圍堰合龍前，最后5根樁，要注意對(duì)缺口寬度進(jìn)行量測(cè)，配置尺寸吻合的鋼管樁及鋼板樁材料，以順利合龍。

4 結(jié)語(yǔ)

組合鋼管樁圍堰鋼管、鋼板樁加工方便，相對(duì)純鋼管樁，組合鋼板重量輕，截面剛度大，抗彎性、抗?jié)B性好，施工作業(yè)快，對(duì)施工機(jī)械要求低，鎖扣止水效果好，拆除容易，適用于黃河流域地質(zhì)條件下的承臺(tái)施工，可最大限度加快施工進(jìn)度，為黃河汛期前完成圍堰及后續(xù)承臺(tái)施工提供了有利條件，也為今后相似工程條件下的圍堰設(shè)計(jì)與施工提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。