锁扣钢管桩围堰设计与施工技术

龙源期刊网锁扣钢管桩围堰设计与施工技术作者：刘俊杰来源：《中国科技博览》2016年第04期[摘要]本文结合G104国道五河淮河特大桥24#主墩承台锁扣钢管桩围堰的施工，就锁口钢管桩围堰的设计及施工技术进行了论述总结，对类似条件下深水桥基础施工具有一定的借鉴意义。[关键词]锁扣钢管桩围堰设计施工技术中图分类号：TB482.2文献标识码：A文章编号：1009-914X（2016）04-0113-041工程概况G104国道三标段五河淮河特大桥为双线桥，单幅桥面宽16米，全长1930米，跨淮河主桥采用（100+170+100）m连续刚构桥方案，24#主墩设两个19×14m矩形钢筋混凝土承台，高5m，每个承台各设12根φ250cm的钻孔灌注桩。桥位处2005年～2014年之间历年枯水季节（10月至次年5月）最高水位为12.737m，最高水位时水流速度最快为0.68m/s，主墩河床水深5～8m，常水位11.9m。24#主墩处河床覆盖层约46m，主要为粉土、细砂，下伏全风化、强风化、中风化片麻岩。承台底位于河床以下约6.1米。2围堰方案的选择根据河床地质情况，可选方案有钢板桩围堰、双壁钢围堰及锁扣钢管桩围堰等方案。2.1围堰特点及适用范围锁口钢管桩围堰适用于深水基础和各种复杂地质、地层，有施工速度快，制作、加工、安装下沉方便灵活，工艺简单，截面强度、刚度大，支撑方便，设备投入少，可重复利用的特点。钢板桩围堰适用于深水或深基坑、水深4米以上、覆盖层较厚，流速较大的砂类土、黏性土、碎石土及风化岩等坚硬河床。防水性能好，整体刚度较强。双壁钢围堰适用于大型河流的深水基础，覆盖层较薄、平坦的岩石河床。2.2河床地质分析及施工方案选择龙源期刊网根据主墩地质状况，桥位处河床面下23m范围内地质依次为粉土、粉质粘土、粉土，同时在桩基施工过程中钻孔取样这几层土质发现：粉土、粉质粘土在硬塑状态下很坚硬，在流塑状态下非常粘，如同胶泥，经常粘住冲击钻锤头，该地质状况有利于采用锁扣钢管桩围堰施工。由于承台截面尺寸较大，锁扣钢管桩的刚度比钢板桩大，对内支撑的要求比钢板桩低，所以最终决定采用锁扣钢管桩围堰方案。3锁扣钢管桩围堰施工方案3.1施工顺序先从淮河两侧搭设钢栈桥至水中各墩位处，在各墩位搭设水上施工平台，施工桩基础。桩基施工完再拆除承台位置平台插打锁扣钢管桩，采用有水状态下用C25水下混凝土封底，再排水施工围檩及内支撑，然后施工承台墩身。3.2劳动组织及机械设备组织根据施工特点及现场条件，岸边就近选择施工场地，按方案设计要求将锁扣桩加工成半成品，然后由吊车起吊，平板车或运输船运送到各墩位，振动打桩机逐根振沉锁扣钢管桩，清淤、抽水、随抽水随安装围堰内支撑，浇注水下封底混凝土。3.3锁扣钢管桩围堰设计方案3.3.1围堰总体设计锁扣钢管桩围堰由钢管桩、阴阳头、内支撑、分配梁和封底混凝土组成。钢管桩采用φ630mm、壁厚为10mm的焊接钢管，钢材采用Q345C材质，标准钢管桩顺桥向间距为0.940m，横桥向为0.940m。围堰平面尺寸为32.3m×21.9m，围堰高度为27m。围堰顶面标高以施工期最高水位以上2m控制，设计围堰钢管桩顶面高程为14.737m。钢管桩底面高程经计算确定为-12.263m。-8.763m。详见图1、图2、图3。3.3.2锁扣设计（详见图4钢管桩锁扣细部结构样式图）锁扣阳头采用20b工字钢，；阴头采用φ219mm、壁厚为10mm的焊接钢管连接，如图4所示。锁扣堵漏材料采用现场基坑开挖出来的沙粘土及棉絮，人工将棉絮和沙粘土混合物塞进锁扣内，在填充锁扣时尽量一层棉絮一层黏土，棉花与黏土的体积比为1：1，一次性填充锁扣约4～5m，然后用振动锤压实锁扣。3.3.3内支撑设计龙源期刊网、δ=10mm钢管，采用双肢I56b工字钢作为分配梁（围檩）支撑锁扣钢管；第二～第四道内支撑采用Ф630、δ=12mm钢管，采用三拼I63b工字钢作为分配梁（围檩）支撑锁扣钢管；钢管桩与内支撑之间满焊连接固定，内支撑与焊接在钢管桩上的牛腿满焊固定，使围堰形成结构稳固的整体。由于振动锤激振力较大，当下沉困难导致桩底或桩顶应力集中损坏时，采取在桩顶或桩底外侧加焊30～50cm高的δ=10mm钢板圈加固。3.3.4围堰结构验算3.3.4.1计算工况根据围堰设计图纸，主墩围堰采用有水开挖方式，围堰开挖主要流程为：1）工况1：先安装第一层围檩及内支撑，保持围堰内外水头高度，直接清淤至封底混凝土底，此工况作为钢管桩入土深度计算时的工况；2）工况2：封底混凝土达到强度后，抽水至第二层围檩处，第二层围檩及内支撑未安装；3）工况3：安装第二层围檩及内支撑，抽水至第三层围檩处，第三层围檩及内支撑未安装；4）工况4：安装第三层围檩及内支撑，抽水至第四层围檩处，第四层围檩及内支撑未安装；5）工况5：安装第四层围檩及内支撑，抽水至封底混凝土顶面；6）工况6：第一层承台施工完毕，砼强度达到设计要求，在承台与钢管桩之间填砂，在顶部浇筑混凝土圈梁，圈梁混凝土强度达到设计强度后，拆除第四层围檩及内支撑。3.3.4.2封底混凝土厚度计算水下封底混凝土承受的荷载应按施工中最不利情况考虑，即在围堰封底以后，围堰内水被排干，封底素混凝土将受到可能产生的向上最大水压力作用。经计算，封底混凝土厚度可取2m，考虑主墩水深较深，封底砼施工质量较差，故封底混凝土厚度最终按3.0m选取，封底混凝土底面标高为-3.80。3.3.4.3钢管桩入土深度计算龙源期刊网计算钢管桩的入土深度时，考虑在第一层围檩安装完成后进行水下开挖至封底混凝土底面时钢管桩围堰稳定所需的最小入土深度，采用等值梁法进行计算。经计算，实际钢管桩的入土深度在基坑开挖面以下t处，t=8.376m，钢管桩的底标高为-3.8-8.376=-12.176m，钢管桩的顶标高为14.737m，由此求得钢管桩的总长度为14.737+12.176=26.913m，实际施工中钢管桩长度取27.0m，满足要求。3.3.4.4基坑底抗管涌验算钢管桩围堰内抽水至封底砼顶面时，保证封底砼底面土层不会出现管涌的钢管桩入土深度为：经计算，封底砼底面土层不会出现管涌的钢管桩入土深度为6.323m3.3.4.5基坑底部的隆起验算在软土中开挖较深的基坑或深基础承台施工时，当桩背后的土柱重量和外荷载之和超过基坑底面以下地基土的承载力时，地基的平衡状态受到破坏，常会发生坑壁土流动，坑顶下陷，坑底隆起的现象，为避免在水下开挖基坑时出现基坑底部隆起，施工前，需对地基进行稳定性验算。经计算抗隆起安全系数即地基稳定力矩与转动力矩之比k=1.81.2，故基底不会产生隆起。3.3.4.6抗浮稳定性验算在封底混凝土达到设计强度后对钢管桩内进行抽水，设置其他围檩时，为保证封底混凝土及钢管桩围堰的整体抗浮稳定性满足要求，根据以上计算的封底砼厚度以及钢管桩的入土深度，选取抽水至封底混凝土顶面时的最不利工况对封底砼进行整体的抗浮稳定性验算。主墩双幅承台下共有24根直径2.5m钻孔灌注桩，取桩基与封底混凝土之间的摩阻力？=120Kpa，围堰基底净面积为554.23m2。经计算抗浮安全系数k=1.721.05，封底砼厚度3m能满足抗浮稳定性要求。3.3.4.7围堰整体稳定性验算围堰在在流水压力作用下有可能发生倾斜，如果围堰发生整体倾斜其转动轴背水面的围堰脚趾处，稳定力矩是由桩基与封底混凝土的摩阻力G1、混凝土自重G2、钢管桩抗拔力G3的合力与水浮力P的差值。经计算稳定系数k=M0/Mr=1124.2，安全系数足够大，24号主墩围堰整体稳定性验算满足要求。3.3.4.8围堰钢管桩结构计算龙源期刊网的计算结果，将钢管桩各支撑处工况支反力结果汇总如下。按各位置最不利工况考虑，计算结果汇总如下：从上述计算中可以得出以下结论：钢管桩围堰在各种工况荷载作用下是安全的，满足主桥主墩基础在计算工况条件下施工的要求。3.4锁扣钢管桩围堰施工方案由于封底混凝土以下土层为粉土和粉质粘土，粉质粘土自然状态下呈硬塑状态，不透水性较好，根据计算报告，施工时采用有水开挖。3.4.1施工工艺流程测量放线→清理锁扣钢管桩→设置导向框架→插打定位锁扣钢管桩→插打锁扣钢管桩至合龙→安装第一层围檩及内支撑→吸泥、挖土→C25水下混凝土封底→分层抽水、分层加支撑→破桩头、施工承台第一层砼→承台与钢管桩之间填砂、圈梁施工→施工承台第二层砼→水位以下的墩身施工→拆除锁扣钢管桩。3.4.2锁扣钢管桩加工与运输购置成品钢管，施工现场设置加工场进行大、小钢管及配件拼接组装，进行工厂化集中加工制造。根据现场实际情况进行节段长度调整，接桩在现场进行，采用焊接，接桩时避免接头处于局部冲刷线附近。构件利用拖挂车运至施工现场，装卸锁扣钢管桩采用两点吊，吊运方式采用单根起吊，并注意保护锁扣阴阳头，以防止锁扣变形。管桩堆放在平坦加固的场地上，堆放前对场地进行压实处理。堆放的顺序、位置、方向、和平面布置等应考虑到以后的施工方便，锁扣钢管桩要按型号、规格、长度、施工部分分别堆放。3.4.3导向框的设置龙源期刊网在钢管桩施工中，为保证沉桩轴线位置的正确，设置定位架进行限位。在已搭建好的钢栈桥和钢平台管桩上，每隔几米临时焊接一条牛腿，在牛腿上面安装[18槽钢定位架，钢管桩沿槽钢外边缘一直往前插打。3.4.4钢管桩施工3.4.4.1钢管桩插打打桩机械选择履带吊配合90型振动锤施工，该设备能够满足长度大的钢管桩的插打和拔除。插桩时锁扣要对准，在打桩过程中，为保证钢管桩的垂直度，用全站仪跟踪控制。开始打设的第一根钢管桩的位置和方向确保精确，以便起到样管导向作用，及时测量纠偏，打至预定深度后应立即用钢筋与导向框焊接固定。根据现场实际情况和钢管桩的设计，选择单桩打入法，以一根钢管桩为一组，逐根插打，直至钢管桩插打完毕。3.4.4.2沉桩施工要点及注意事项a、沉桩开始时，可以靠桩的自重下沉，然后吊装90型振动锤和夹具与桩顶连接牢固，开动振动锤使桩下沉至稳定，当达到设计桩底标高时，即认为合格。b、每根桩的下沉一气呵成，不可中途间歇时间过长。每次振动持续时间过短，则土的结构未被破坏，过长则振动锤部件易遭破坏。振动的持续时间长短应根据不同机械和不同土质通过试验确定，一般持续振动不易超过60min～75min。c、振动锤与桩头必须用液压钳夹紧，无间隙或松动，否则振动力不能充分向下传递，影响钢管桩下沉，接头也易振坏，在振动锤振动过程中，如发现桩顶有局部变形或损坏，要及时修复。d、测量人员现场指挥精确定位，在钢管桩打设过程中要不断的检测桩位和桩的垂直度，并控制好桩顶标高。下沉时如钢管桩倾斜，应及时牵引校正，每振1～2min要暂停一下，并校正钢管桩一次。设备全部准备好后振桩锤方可插打钢管桩。e、钢管桩之间的接头必须满焊，各加长加劲板也需满焊并符合设计的焊缝厚度要求，经现场技术员检查钢管桩接头焊接质量合格后方可打设钢管桩。3.4.5围堰挖土、抽水、加内支撑3.4.5.1吸泥、挖土龙源期刊网清淤采用泥浆泵配合高压射水清除围堰内的淤泥，淤泥抽到泥浆船或者平台上泥浆车中运至指定地点。遇到坚实地层，泥浆泵无法清理时改用抓斗出土，该机械由斗体和主机两部分组成，主机为一台汽车吊，抓斗容积为1.0m3，抓斗采用带掘齿的抓斗，抓出的土用汽车运输弃至岸上指定地点。清淤时要随时测量坑底标高，达到设计底标高以上2m，及时停止高压射水，防止扰动持力层。开挖时，挖土机械不得碰撞或损害钢管桩、内支撑及其连接件等构件。当开挖揭露的实际土层性状或地下水情况与设计依据的勘察资料明显不符，或出现异常现象、不明物体时，应停止开挖，在采取相应处理措施后方可继