技術(shù)培訓-鎖扣鋼管樁圍堰

施工技術(shù)培訓——淮河特大橋大型深水鎖扣鋼管樁圍堰中鐵十六局集團第一工程有限公司隨著我國經(jīng)濟突飛猛進，國內(nèi)跨越大江大河橋梁工程建設(shè)高速發(fā)展。水中橋梁施工難度大，施工工期長，特別是基礎(chǔ)圍堰施工投入大、安全風險高，是體現(xiàn)一個企業(yè)綜合能力的重難點工程。針對不同的地質(zhì)狀況、水文氣候條件、基礎(chǔ)埋置深度及結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)選擇不同的圍堰施工方法。國道G104五河淮河特大橋位于安徽省五河縣境內(nèi)，主橋采用（100+170+100）m連續(xù)剛構(gòu)，主墩及過渡墩均位于淮河150m寬Ⅲ級航道中。其中主墩采用雙幅19m×14m×5m承臺，承臺頂埋置深度在河床面以下1.4m~2.8m，10月至次年5月為枯水季節(jié)水深8m左右，水流最大流速0.68m/s，圍堰開挖深度18m左右，圍堰土體開挖方量1萬m3左右，承臺下軟弱地質(zhì)土層40m左右。工期緊，任務(wù)重，難度大，需要綜合比選出合理的圍堰施工方法。前言

一、圍堰施工方案比選目前國內(nèi)常用的圍堰有拉森鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰、雙壁鋼套箱圍堰。

其中拉森鋼板樁具有輕型、施工便捷、可循環(huán)利用的優(yōu)點。但剛度較小、施工時容易變形，長鋼板樁施工過程中較易于脫扣，對于本橋大深基坑安全隱患大，因此圍堰內(nèi)支撐要特別加強，圍堰開挖難度增加。根據(jù)以往插打施工經(jīng)驗，本土層鋼板樁打入困難，需150型振動錘，拉森鋼板樁由于柔性較大、振動錘擊振力過大也會造成鋼板樁變形。雙壁鋼套箱施工工藝較為復雜、工期較長。本橋基礎(chǔ)大且埋置深，套現(xiàn)制作加工、現(xiàn)場組拼、抽水下沉等工序工期較長，在此軟弱地基條件下，鋼套箱下沉過程中及下沉后容易產(chǎn)生不均勻沉降。在承臺施工完成后拆除困難且拆除不完整，需要潛水員配合水下切割鋼板，鋼材回收率低。內(nèi)容提要鎖扣鋼管樁適用于此類河床覆蓋層厚、軟弱下臥層地質(zhì)承臺圍堰。施工作業(yè)強度相對較小，人力及機械設(shè)備占用率低。該結(jié)構(gòu)利用大直徑鋼管市場資源量大，可直接在工廠購買成品，現(xiàn)場加工拼裝后即可使用，圍堰下沉質(zhì)量容易控制。圍堰施工危險源相對較少，單根管抗彎剛度大，圍檁及內(nèi)支撐相對較少，結(jié)構(gòu)性能安全可靠，安全風險低。有利于總體工期控制。插打鋼管樁方便快捷，可以邊加工邊插打鋼管樁，圍堰結(jié)構(gòu)防水好，施工進度快，圍堰拆除完整，不需要水下作業(yè)，簡單快捷。圍堰材料可反復周轉(zhuǎn)使用，低碳環(huán)保，而且拆除容易，不會在河床遺留廢棄物。綜上所述，本橋采用鎖扣鋼管樁圍堰方案進行施工。內(nèi)容提要一、圍堰總體施工流程利用市場上大直徑成品鋼管(一般采用Ф529mm、Ф630mm、Ф700mm、Ф800mm、Ф1000mm，鋼管壁厚8～12mm)做圍堰主管，主管之間采用焊接直徑Ф219mm鋼管和Ⅰ20工字鋼作為連接鎖扣，并采用膠泥、砂、止水土工布等防水措施，圍堰內(nèi)根據(jù)計算水壓力和土壓力設(shè)置多層型鋼支撐，形成穩(wěn)定、可靠的深水基礎(chǔ)施工的防護、防水結(jié)構(gòu)?？傮w施工順序：鋼管及工字鋼原材料采購→鋼管樁現(xiàn)場焊接成型→測量放線→設(shè)置導樁框架→插打定位鎖扣鋼管樁→按順序插打鎖扣鋼管樁→抽水、挖土、施工內(nèi)支撐→水下混凝土封底或干封→抽水、基底整平及測量→破樁頭、施工承臺→水位以下的墩身施工→拆除鎖扣鋼管樁圍堰。圍堰施工方案

鎖扣大樣圖

相鄰鋼管樁連接示意圖

圍堰平面布置圖

圍堰內(nèi)支撐平面布置圖

圍堰橫斷面圖

圍堰鋼管樁插打順序圖二、圍堰場地規(guī)劃24#主墩、25#主墩均位于淮河中，利用既有鋼筋加工場地存放圍堰鋼構(gòu)件原材料，利用平板車倒運至鋼平臺上進行構(gòu)件焊接拼裝，考慮到場地條件有限，拼裝好的鋼管樁可臨時存放一部分在圍堰內(nèi)鋼護筒上。

施工要點：

①根據(jù)工期及場地條件合理安排人力及機械設(shè)備，特別是焊工的配置。合理安排鋼管等原材料進場時間。

②根據(jù)場地因地制宜，保障流水作業(yè)進度，場地應(yīng)不干擾下一道工序安排。

③因鋼管樁插打時間快，可以先加工一部分成品后存放，再安排插打人員及振動錘設(shè)備。

鋼管場地堆碼

鋼平臺上鋼管布設(shè)加工后成品堆放

邊加工邊插打三、鋼管樁與圍檁焊接加工豎向大鋼管樁宜采用螺旋管或直縫管，小鋼管宜采用無縫鋼管（可采用現(xiàn)場開槽，或工廠開槽），27m長鋼管樁焊接需要焊工工時約6工日，配置電焊機5臺。

施工要點：

①鋼管樁過長需要兩根焊接接長時，相鄰鋼管樁同一段面宜錯開3m以上，且可以根據(jù)圍檁位置來配置鋼管樁接頭位置（圍檁與鋼管樁橫向焊縫對齊有利于結(jié)構(gòu)安全）。每根鋼管樁大小鋼管、工字鋼的接頭宜錯開1m以上。

②小鋼管宜采用現(xiàn)場開槽，每根鋼管樁焊接成型后，現(xiàn)場開槽可防止焊接過程中槽口的變形，對圍堰止水有利

③鋼管樁橫向接頭位置，宜增加1cm以上厚度綴板進行補強。構(gòu)件焊接成型后，可以采用超聲波或磁粉探測檢驗焊接質(zhì)量。

④鋼管樁線型、焊縫應(yīng)順直，大小鋼管、工字鋼中心線在同一軸線上，焊接宜采用E50焊條進行幫條焊。

鋼管樁與工字鋼焊接鋼管樁與無縫鋼管焊接接縫綴板補強圍檁加工拼裝四、鋼管樁插打與合龍鋼管樁采用履帶吊配合振動錘插打，根據(jù)土體摩阻力選擇合適振動錘。插打前設(shè)置導向框，先打放樣設(shè)定位樁，再從靠航道側(cè)上游角點開始插打，下游中間合龍。

施工要點：

①先放樣設(shè)置導向框定位柱，利用手拉葫蘆設(shè)置導向框，宜利用圍檁作為導向框，并設(shè)置兩層。

②鋼管樁吊裝應(yīng)安排專人指揮，打設(shè)時可采用吊錘保證鋼管樁垂直度，為了保障打設(shè)精度，應(yīng)設(shè)置限位措施。

③鋼管樁振沉時，先慢后快，邊打邊測。

④鋼管樁合龍時如果合龍尺寸與原設(shè)計不符，可以設(shè)置異型樁進行合龍（可以改變鋼管或工字鋼大小）。

⑤鋼管樁合龍后，進行圍堰止水，可采用膠泥、砂、水袋、土工布等原材料填塞，空壓機設(shè)備疏通密實。如漏水較大，可采用潛水員在圍堰外進行止水。

導向框設(shè)置鋼管樁起吊鋼管樁對位垂直度控制鋼管樁限位鋼管樁振沉鋼管樁合龍鋼管樁止水五、圍堰開挖及內(nèi)支撐設(shè)置圍堰開挖前根據(jù)工期及現(xiàn)場需要配置長臂挖機、自卸車、吊車、大功率水泵等設(shè)備，在平臺上加工拼接圍檁及內(nèi)支撐構(gòu)件。邊開挖邊止水，同時割除圍堰內(nèi)樁基鋼護筒，到了設(shè)計標高時及時安裝圍檁及內(nèi)支撐。在圍堰對角點設(shè)置人員上下通道。

施工要點：

①根據(jù)圍堰開挖深度選擇合適長臂挖機，如長臂挖機不能滿足時，可利用履帶吊將小型挖機吊放至圍堰下部進行開挖，利用吊斗將土方吊裝至自卸車。

②及時對圍堰進行止水，嚴禁超挖圍堰內(nèi)土體。開挖至圍堰底部時控制開挖標高，將人工配合將土體整平。

③開挖過程中采用全站儀對圍堰進行變形觀測，可以采用應(yīng)力傳感器對圍堰受力進行監(jiān)控。變形過大時應(yīng)及時停止施工，采取加固及其他措施。

④鋼管樁與圍檁之間應(yīng)采用鋼板等材料逐個填塞緊密，每層內(nèi)支撐完成后才能繼續(xù)開挖。

圍堰土體開挖圍堰土體外運樁基鋼護筒切割小型挖機開挖作業(yè)圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測人員上下通道鋼管樁與圍檁塞縫圍檁及內(nèi)支撐六、圍堰混凝土封底圍堰封底可根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取干封或水下封底。不透水土體且圍堰結(jié)構(gòu)滿足要求時可用采用干封，采用泵送混凝土一次澆筑成型。

施工要點：

①混凝土封底前在圍堰內(nèi)設(shè)置好排水明溝或暗溝，于開挖最低點設(shè)置集水井2處，配置大功率水泵抽水。暗溝采用人工開挖，槽鋼和鋼板現(xiàn)場拼裝加工成型。

②封底混凝土澆筑時，宜在基底設(shè)置混凝土緩沖鋼板，防止混凝土中夾雜泥漿。

③混凝土與鋼管樁之間采取鋼板隔離，便于后期鋼管樁拆除，水可沿鋼管樁間凹縫流至暗溝內(nèi)。

④現(xiàn)場嚴格控制封底混凝土標高，可以適當降低混凝土標高5cm以內(nèi)，混凝土澆筑后可人工找平，嚴禁超高。

暗溝與擋板集水井設(shè)置封底混凝土澆筑暗溝示意圖根據(jù)以往施工經(jīng)驗及圍堰的地質(zhì)水文條件，結(jié)合承臺尺寸及埋深深度，選擇合理的圍檁結(jié)構(gòu)材料及圍堰尺寸。圍堰設(shè)計既要考慮結(jié)構(gòu)的安全、實用性、可操作性，又要考慮經(jīng)濟性（可回收及重復利用）及施工進度。要充分考慮在施工過程中及圍堰拆除過程中的各項工況，細化最不利工況下施工措施。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時首先根據(jù)地質(zhì)及承臺大小情況合理選擇鋼管樁及圍堰的尺寸，其次根據(jù)開挖深度、水文情況計算鋼管樁的錨固深度及長度，再根據(jù)圍堰開挖過程工況計算確定圍檁及內(nèi)支撐的材料類型、材料型號。

在結(jié)構(gòu)選型確定以后，采用Midas軟件對各施工工況進行驗算，在最不利工況下驗算合格后才能進行實施。

圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1、圍堰材料的選擇根據(jù)以往施工經(jīng)驗，鎖扣鋼管樁圍堰由鋼管樁、陰陽頭、圍檁及內(nèi)支撐、排水設(shè)施和封底混凝土組成。鋼管樁采用φ630mm、壁厚為10mm的直縫焊接，鋼材采用Q345C材質(zhì)，標準鋼管樁順橋向間距為0.940m，橫橋向為0.940m；小鋼管采用219mm無縫鋼管，工廠開槽；工字鋼采用I20b工字鋼。

第一層圍檁采用雙拼56b工字鋼，第二至第四層圍檁采用三拼63b工字鋼，橫橋向內(nèi)支撐及斜支撐采用壁厚12mmφ630螺旋管，順橋向內(nèi)支撐采用63b工字鋼。每層圍檁間采用φ630壁厚10mm螺旋管三根進行支撐。

圍檁牛腿采用I20b工字鋼，爬梯采用50mm鋼管及16#槽鋼焊接成型，每道圍檁上采用Φ20鋼筋焊接防護圍欄。一、圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計流程1.2、圍堰結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)承臺設(shè)計尺寸及鋼棧橋施工方案，以及現(xiàn)場水文、地形等相關(guān)資料，考慮工作面，鋼管樁距離承臺混凝土面以1m左右為宜。確定各圍堰的尺寸：24#墩、25#墩單個墩鎖扣鋼管樁圍堰尺寸為32.3m×21.9m，根據(jù)計算，圍堰鋼管樁排水開挖最少錨固深度6m以上為宜。圍堰頂面標高以施工期最高水位以上2m控制，施工期安排于枯水期（10月至次年5月）根據(jù)設(shè)計圖紙及調(diào)查的水文資料，橋位處近10年歷年枯水期最高水位為12.737m，常水位11.9m，設(shè)計圍堰鋼管樁頂面高程為14.737m。每層圍檁間距宜在4m以內(nèi)，共設(shè)置圍檁及內(nèi)支撐4道。于圍堰對角線設(shè)置爬梯2道，圍堰鋼管樁與鋼平臺應(yīng)分離，防止平臺振動對圍堰的影響。于鋼管樁頂面設(shè)置測量平臺兩處，方便施工測量。1.3、設(shè)計依據(jù)（1）設(shè)計圖紙及地質(zhì)、水文資料，淮河河道信息資料；（2）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）；（3）《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》（JTGD60-2004）；（4）《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）；（5）《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF50-2011）；（6）《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG/TF50-2011）1.4、設(shè)計主要參數(shù)（1）計算水位：12.737（枯水期最高水位）；（2）水流速度：最大水流流速0.68m/s；（3）圍堰頂面高程：14.737m（計算水位以上2m）；（4）鋼管樁底面高程，24#、25#墩為-8,763m；（5）一般沖刷線：24#墩為5.319m,25#墩為6.802m；（6）各墩位地質(zhì)資料，土層物理力學指標及土壓力系數(shù)；（7）基本風壓：因鋼管樁露出水面小，風壓可不計；

（8）臨時結(jié)構(gòu)鋼材基本容許應(yīng)力：Q235鋼材（軸向應(yīng)力[σ]182MPa，彎曲應(yīng)力[σ]188.5MPa，剪應(yīng)力[σ]110.5MPa）；Q345鋼材（軸向應(yīng)力[σ]260MPa，彎曲

應(yīng)力[σ]273MPa，剪應(yīng)力[σ]156MPa）。1.5、圍堰結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面特性1.6、圍堰結(jié)構(gòu)受力驗算1.6.1、工況分析1.6.2、封底混凝土厚度計算1.6.3、鋼管樁入土深度計算1.6.4、基坑底抗管涌計算1.6.5、基坑底隆起驗算1.6.6、抗浮穩(wěn)定性驗算1.6.7、主墩圍堰整體穩(wěn)定性驗算1.6.8、圍堰鋼管樁結(jié)構(gòu)驗算

對每種工況條件下進行鋼管樁結(jié)構(gòu)驗算，分析出最不利工況，下面主要對最不利工況（工況3）結(jié)構(gòu)進行驗算分析。根據(jù)計算，最不利工況下鋼管樁受力滿足要求1.6.9、圍堰圍檁及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)驗算

對每種工況條件下進行圍檁結(jié)構(gòu)驗算，分析出最不利工況，下面主要選擇對第三層圍檁及內(nèi)支撐