深水大跨橋梁水中墩鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)研究

張雙洋

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610031)

1 引言

鋼圍堰作為一種臨時(shí)止水結(jié)構(gòu)使得水中墩施工成為可能，目前較常用的鋼圍堰形式主要有拉森鋼板樁圍堰、單壁鋼套箱圍堰、雙壁鋼圍堰[1]、CT型鎖口鋼管樁圍堰[2－6]和CO型鎖口鋼管樁圍堰。

黃修平等以五峰山長江大橋3＃主墩為工程背景，對常用的深水基礎(chǔ)施工圍堰形式進(jìn)行了對比分析，結(jié)合橋墩處抽水水頭大、不平衡土壓力大和不均勻地質(zhì)情況，采用了工藝成熟的啞鈴型雙壁鋼圍堰方案，并采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)措施，解決了鋼圍堰在不均勻地質(zhì)環(huán)境中下沉難的問題。

郭飛等[4]針對巖溶地質(zhì)條件下的鋼圍堰施工方案進(jìn)行比選，最終采用方便止水材料填筑的CT型鎖口鋼管樁圍堰，并建立了MIDAS有限元模型，計(jì)算分析基坑開挖至上層支撐、基坑開挖至下層支撐、基坑開挖至封底混凝土和封底混凝土澆筑完成4種施工工況下的鋼圍堰受力及變形狀態(tài)，并將圍堰實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

王澤升[5]對深水基礎(chǔ)淺埋覆蓋層地質(zhì)中的CT型鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并針對深水環(huán)境中鎖口鋼管樁圍堰止水困難、硬質(zhì)巖層中旋挖鉆機(jī)進(jìn)尺小等技術(shù)難題進(jìn)行了創(chuàng)新。

彭亮英等[6]在已有學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，開展了深水環(huán)境漂卵石地質(zhì)條件下的CT型鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)、孔內(nèi)換填技術(shù)、插打鋼管樁和鎖口止水材料等方面的研究，并在實(shí)際工程案例得到成功運(yùn)用。

蔡曉男等[7－8]對溶洞地質(zhì)發(fā)育帶且水陸交界處的鉆孔灌注樁施工技術(shù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)論述了此種地質(zhì)條件下鎖口鋼管樁圍堰施工平臺搭設(shè)方法、設(shè)計(jì)參數(shù)以及旋挖鉆和沖擊鉆組合成孔技術(shù)，保證了工期和施工安全。

尚龍、蘇從輝等[9－10]根據(jù)池州長江公路大橋Z4號墩施工環(huán)境，對比分析了雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰和鎖口鋼管樁圍堰三種結(jié)構(gòu)的適用性，選擇整體剛度大、穩(wěn)定性好的鎖口鋼管樁圍堰作為最終方案，并利用棄土砌筑反壓平臺的方法緩解不平衡土壓力的問題。

王寅峰、張晶等[11－12]對武漢青山長江公路大橋南主塔啞鈴型承臺鎖口鋼管樁圍堰的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討，計(jì)算分析了不同工況下圍堰的應(yīng)力及變形情況，計(jì)算結(jié)果表明圍堰變形及應(yīng)力、圍堰抗浮、鋼管樁入土深度均滿足規(guī)范要求，文中所述鋼管樁和內(nèi)支撐同步施工法節(jié)約了大量工期。

通過已有學(xué)者的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，水中結(jié)構(gòu)鋼圍堰施工基本圍繞圍堰方案對比、圍堰設(shè)計(jì)、施工技術(shù)以及有限元模擬幾方面展開，并且圍堰所處水中環(huán)境為靜水狀態(tài)，對急流作用下的圍堰受力狀態(tài)研究較少。

本文背景工程橋址處距上游亭子口水電站僅1.45 km，汛期水深、流速大，在已有學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，擬采用整體力學(xué)性能好、止水效果好、回收利用率高、工期可控的CO型鎖口鋼管樁圍堰作為樁基、基坑開挖、承臺及墩柱施工的臨時(shí)止水結(jié)構(gòu)。本文對圍堰設(shè)計(jì)、施工及有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，研究成果可為同類結(jié)構(gòu)的施工提供技術(shù)參考。

2 工程概況

嘉陵江特大橋橋址處為深水急流環(huán)境，左右幅主跨均采用105 m＋200 m＋105 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋型式，其中左幅7＃(主墩)、8＃(主墩)、9＃(過渡墩)，右幅 5＃(主墩)、6＃(主墩)、7＃(過渡墩)為水中墩。為滿足嘉陵江特大橋主墩的施工需求，在嘉陵江特大橋兩岸均設(shè)置棧橋至主橋橋墩位置處。

3 鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)

鎖口鋼管樁圍堰適用于水深20 m以內(nèi)、流速較大的水環(huán)境，河床為砂類土、黏性土、碎(卵)石類土和風(fēng)化巖等地層條件下的基坑開挖。

本文鎖口鋼管樁圍堰鋼管樁設(shè)計(jì)采用CO型?820×16 mm螺旋管，鎖口鋼管樁底標(biāo)高為363 m，鎖口鋼管樁頂標(biāo)高為376.59 m。

4 鎖口鋼管樁圍堰施工技術(shù)

嘉陵江特大橋左幅8＃、右幅6＃水中墩施工均采用相同的鎖口鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)，主要分為7個(gè)施工步驟。

(1)步驟一

①在支棧橋內(nèi)側(cè)導(dǎo)管架上設(shè)置導(dǎo)向框，從上游側(cè)開始插打安裝鎖口鋼管樁。

②將平臺大梁位置處鎖口鋼管樁與導(dǎo)向框焊接固定，施工鉆孔平臺每組大梁下方兩根鎖口鋼管樁的錨桿。

③利用吊機(jī)吊運(yùn)咬合鋼管樁至沉樁位置，使其鎖口與已沉入咬合鋼管樁的鎖口陰陽咬合，并從定位架中緩慢下放至自穩(wěn)為止并焊接拼裝牛腿。

(2)步驟二

①將加工好的圈梁運(yùn)至現(xiàn)場，在拼裝牛腿上拼裝焊接，先施工底層圈梁。

②焊接圈梁內(nèi)支撐及下放梁。

(3)步驟三

①利用穿心式千斤頂將頂層圈梁下放到設(shè)計(jì)位置。

②在低水位期間，迅速將第一層圈梁與鎖口鋼管樁多點(diǎn)焊接，形成鎖定結(jié)構(gòu)。

③利用穿心式千斤頂將二層圈梁下放到設(shè)計(jì)位置(二層和底層圈梁疊放在一起，設(shè)置導(dǎo)向下放)；在第二層圈梁與鎖口鋼管樁在橫橋向縫隙中依次打入硬木楔塊。

④分別在上游側(cè)和下游側(cè)設(shè)置導(dǎo)向，利用履帶吊由小里程側(cè)向大里程側(cè)插打縱橋向側(cè)邊的鎖口鋼管樁。

⑤在第二層圈梁與鎖口鋼管樁在順橋向縫隙中依次打入硬木楔塊；靜水或流速較小狀態(tài)下，下放底層圈梁至設(shè)計(jì)位置(設(shè)置導(dǎo)向下放)。

(4)步驟四

①低水位或適當(dāng)抽水至頂層圈梁位置以下0.5 m，在圈梁與鎖口鋼管樁之間填筑縫隙混凝土。

②安裝樁頂分配梁，拼裝貝雷梁及橋面板。

③依次下放鋼護(hù)筒，并將護(hù)筒與內(nèi)支撐之間用聯(lián)結(jié)系固定，護(hù)筒底口焊接剪力環(huán)。

(5)步驟五

①水下封底，進(jìn)行第一次壓漿。

②視平臺的穩(wěn)定情況，將部分未鉆孔護(hù)筒與平臺大梁固定，然后按照設(shè)計(jì)順序進(jìn)行清水鉆孔。

③進(jìn)行第二次壓漿，并抽水至二層圈梁以下0.5 m，在二層圈梁與鎖口鋼管樁之間填筑縫隙混凝土，并焊接支承鋼楔塊。

(6)步驟六

①抽水至封底C30混凝土頂，并將護(hù)筒與底層圈梁之間局部位置的封底鑿開，施工鋼樁。

②將底層圈梁與鋼樁進(jìn)行焊接，完成體系轉(zhuǎn)換。

(7)步驟七

①人工大面積開挖承臺范圍內(nèi)封底混凝土、巖層，至設(shè)計(jì)承臺底面。

②施工承臺、墩身。

5 有限元計(jì)算分析

采用Midas Civil 2019軟件建立鋼管樁圍堰有限元計(jì)算模型，圍堰尺寸為20.18 m×17.18 m。鋼管樁橫截面尺寸為?820×16 mm，長13.59 m。三道圈梁的材料參數(shù)分別為:頂層圈梁采用2HM588×300 mm型鋼，內(nèi)支撐采用2 45和?630×8 mm鋼管焊接成“＃”字型；第二道圈梁采用4HM900×300 mm型鋼，內(nèi)支撐采用2 63和?630×8 mm鋼管焊接成“＃”字型；底層圈梁采用2HM588×300 mm型鋼，做反力樁支撐底層圈梁。

5.1 材料選擇

鋼管樁采用?820×16 mm，材質(zhì)Q235B；第一道圈梁采用2HM588×300 mm，材質(zhì)Q235B；第二道圈梁采用4HM588×300 mm，材質(zhì)Q235B；第三道圍檁采用2HM588×300 mm，材質(zhì)Q235B；第一道內(nèi)支撐采用?630×8 mm鋼管和2 45型鋼，材質(zhì)Q235B；第二道內(nèi)支撐采用?630×8 mm鋼管和2 63a型鋼，材質(zhì)Q235B。

5.2 材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

(1)Q235B鋼材抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為f＝215 MPa(δ≤16)、f＝205 MPa(16<δ≤40)、fv＝125 MPa(δ≤16)和fv＝120 MPa(16<δ≤40)。

(2)PSB930精軋螺紋鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpyk＝930 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fpy＝770 MPa。

5.3 鋼管樁計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)?建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程?(JGJ 120—2012)3.1.6條之規(guī)定，荷載標(biāo)準(zhǔn)組合(1.1×水壓＋1.1×水流力)作用下的鋼管樁水平反力及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和荷載基本組合(1.1×1.25×水壓＋1.1×1.25×水流力)作用下的鋼管樁組合應(yīng)力結(jié)果為:頂層圈梁反力F1＝87 kN；二層圈梁反力F2＝396 kN；底層圈梁反力F3＝214 kN。鋼管樁組合應(yīng)力f＝51 MPa<215 MPa；最大剪應(yīng)力τ＝17.5 MPa<120 MPa。

5.4 圈梁計(jì)算結(jié)果及分析

限于篇幅，本文不再對每一層圈梁的受力狀態(tài)進(jìn)行介紹，以受力狀態(tài)最不利的第二層圈梁為例，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，將反力加載到第二層圈梁上，有限元模型加載情況如圖1所示，圈梁組合應(yīng)力及剪應(yīng)力分布情況如圖2和圖3所示，圈梁變形情況如圖4所示。

圖1 第二層圈梁加載模型

圖2 組合應(yīng)力(單位:MPa)

圖3 圈梁剪應(yīng)力(單位:MPa)

圖4 圈梁變形(單位:mm)

計(jì)算結(jié)果表明，圈梁組合應(yīng)力f＝168.4 MPa<205 MPa，剪應(yīng)力τ＝80.4 MPa<120 MPa；圈梁變形Δ＝14.3 mm<8 200/400＝20.5 mm。

5.5 內(nèi)支撐穩(wěn)定性計(jì)算

同樣以第二層圈梁為例，在基本組合作用下，型鋼軸力及彎矩分布情況分別如圖5和圖6所示。

圖5 型鋼內(nèi)支撐軸力(單位:kN)

圖6 型鋼內(nèi)支撐彎矩(單位:kN·m)

由計(jì)算結(jié)果可知，型鋼最大軸力F＝3 487.4 kN，最大彎矩M＝115.3 kN·m。型鋼截面特性:面積A＝30 597 mm2，i＝246 mm，則λ＝4 922/246 ＝20.0，查表得φ＝0.97。

鋼管有限元模型計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示，由計(jì)算結(jié)果可知鋼管最大軸力F＝2 459.6 kN，最大彎矩M＝46.4 kN·m。鋼管截面特性:面積A＝15 632 mm2，i＝200 mm，則λ＝8 200/200＝41，查表得φ＝0.894 7。

圖7 鋼管內(nèi)支撐軸力(單位:kN)

圖8 鋼管內(nèi)支撐彎矩(單位:kN·m)

6 結(jié)論

本文介紹目前水中墩施工較常用的鋼圍堰結(jié)構(gòu)形式，鎖口鋼管樁圍堰以其較好的整體受力性能使其在深水高流速環(huán)境中具有較強(qiáng)的競爭力，通過對鎖口鋼管樁圍堰施工過程的研究及有限元模擬分析，得出以下主要結(jié)論:

(1)鎖口鋼管樁圍堰在深水高流速環(huán)境中的應(yīng)用可行，可為后期大面積承臺開挖提供一個(gè)安全封閉的施工環(huán)境。導(dǎo)向框的設(shè)置可保證鋼管樁的幾何中心位于同一軸線上，從而提高鋼管樁插打效率；圈梁及內(nèi)支撐可提高圍堰結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，防止鋼管樁發(fā)生面外失穩(wěn)；封底混凝土和注漿可有效提高圍堰的密封效果。

(2)鋼管樁在荷載基本組合作用下應(yīng)力為51 MPa，最大剪應(yīng)力為17.5 MPa，均小于設(shè)計(jì)荷載允許值；第二層圈梁在組合應(yīng)力狀態(tài)下的最大拉應(yīng)力為168.4 MPa，剪應(yīng)力為80.4 MPa，圈梁跨中變形為14.3 mm，均小于設(shè)計(jì)允許值。

(3)圈梁和內(nèi)支撐構(gòu)件的應(yīng)力及位移峰值均出現(xiàn)在構(gòu)件跨中位置，在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該部位的應(yīng)力及變形情況，防止發(fā)生局部屈曲，影響結(jié)構(gòu)整體安全。