尚龍，何文宗，陳扶龍，李昊

（中交二航局第四工程有限公司，安徽蕪湖240001）

超大型承臺鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計與施工

尚龍，何文宗，陳扶龍，李昊

（中交二航局第四工程有限公司，安徽蕪湖240001）

鋼管樁圍堰在國內(nèi)應(yīng)用起步早，但“CO”鎖口鋼管樁在國內(nèi)應(yīng)用起步較晚，特別是應(yīng)用于深基坑超大型承臺施工。結(jié)合池州長江公里大橋主橋Z4號墩承臺圍堰施工，從方案比選、“CO”鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計與復(fù)核、圍堰施工等多方面進行論述和研究，總結(jié)一套切實可行并適合超大型承臺施工的“CO”鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計理論和施工方法。結(jié)果表明，該理論和方法與實際吻合，能夠更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，過程中采取優(yōu)化措施，能夠進一步提高工效，解決插打困難的難題，對類似鎖口鋼圍堰有一定借鑒作用。

深基坑；鎖口鋼管樁；圍堰設(shè)計；施工

1 工程概述

池州長江公路大橋位于長江下游安慶—蕪湖的貴池河段，長江主通航孔橋全長1 448 m，橋跨布置為（3×48+96+828+280+100）m，采用不對稱混合梁斜拉橋。北主墩（Z4號墩）基礎(chǔ)承臺為圓端形，平面外輪廓尺寸為59.5 m×26.8 m，圓端半徑15.72 m，下設(shè)36根φ2.5 m鉆孔灌注樁。承臺厚6.5 m，底標(biāo)高+4.5 m，頂標(biāo)高+11.0 m。承臺頂設(shè)2 m高棱臺型塔座，底輪廓尺寸44.5 m× 19.0 m，頂輪廓尺寸40.5 m×15.0 m[1]。

Z4號墩位于樅陽大堤壓浸臺上，中心距樅陽大堤約50 m，墩位處地勢較為平坦，僅西南角處于大堤二級臺階迎水斜坡上。

2 圍堰形式的選擇

Z4號主墩承臺深度范圍內(nèi)地層分布如表1。Z4號主墩在樁基施工時，采取了筑土填高并對樁位以外位置進行硬化形成施工平臺的施工方法，硬化后平臺頂標(biāo)高為+14.0 m，而承臺底標(biāo)高為+4.5 m，且設(shè)計有0.5 m厚的封底混凝土以及超挖0.2 m設(shè)置碎石墊層，因而承臺開挖深度超過10 m，且承臺岸側(cè)距長江大堤堤腳僅為14 m、江側(cè)距長江僅為30 m，江側(cè)一角圍堰外露在壓浸臺以外，導(dǎo)致岸側(cè)與江側(cè)存在約2 m差的不平衡土壓力，需合理設(shè)置內(nèi)側(cè)鋼圍囹支撐的位置和層數(shù)，必要時采取江側(cè)堆載平衡。在此情況下，應(yīng)該考慮一種止水效果好、整體剛度大、穩(wěn)定性好的圍堰體系。

表1 Z4號主墩承臺深度范圍內(nèi)地層參數(shù)一覽表Table 1The mainland layer parameters list in the depth range of No.Z4 main pier bearing platform

1）雙壁鋼圍堰

雙壁鋼圍堰整體的剛度和穩(wěn)定性均較好，止水也易于控制，但需要大型起吊設(shè)備，適合水域施工，由于承臺為陸域施工，大型起吊設(shè)備難以起吊到位，且拆除困難，不利于回收。

2）鋼板樁圍堰

施工之初，也考慮采用鋼板樁圍堰進行，但根據(jù)市場調(diào)研，目前市面上鋼板樁最長長度一般為18 m，為剛度較大的拉森SP-IVw型，如在本工程中實施，鋼板樁的長度約26 m，且需要設(shè)置多層內(nèi)支撐及圍囹結(jié)構(gòu)，一方面，鋼板樁接長對其施打和止水都較為不利；另一方面，承臺開挖暴露時間長，基坑的安全性很難保證。

3）鎖口鋼管樁圍堰

鎖口鋼管樁顯著特點是自身剛度大，可現(xiàn)場制作加工，并可回收循環(huán)使用。此工程中，由于自身剛度加之內(nèi)支撐體系，圍堰的整體剛度和水平抗推強度顯著增強，對基坑安全性有保障；而且結(jié)構(gòu)體系簡單，對土方開挖較為有利，減少基坑暴露時間，能有效縮短承臺施工周期，節(jié)約成本[2]，因此本工程選擇了“CO”型鎖口鋼圍堰。

3 “CO”鎖口鋼圍堰設(shè)計

3.1 圍堰尺寸確定和結(jié)構(gòu)類型選擇

綜合考慮承臺幾何尺寸和施工操作空間的需要，擬采用的基坑底面尺寸為：63.2 m×30.3 m（操作凈寬1.5 m）。再結(jié)合主墩水位、地層和地形，以及國內(nèi)同類型工程鎖口鋼管樁的應(yīng)用情況，經(jīng)比選，Z4號墩承臺圍堰擬采用剛度相對較大的φ820×10（主鋼管）+φ152×8（陰鎖口）+φ133×4.5（陽鎖口）組成[3]，如圖1（a）。

圖1Z4號墩鎖口鋼管樁圍堰縱橋向立面和底層（+8.6）支撐系統(tǒng)Fig.1Vertical and horizontal bottom(+8.6)support system of No.Z4 steel pipe pile cofferdam

圍堰內(nèi)支撐系統(tǒng)共設(shè)置2層，第1層內(nèi)支撐高程+11.6 m，圍囹采用2HN700×300型鋼，內(nèi)支撐采用2HN700×300型鋼及D720×10 mm鋼管；第二層內(nèi)支撐高程+8.6 m，圍囹采用2HN900×300型鋼，內(nèi)支撐采用3HN700×300型鋼及D820×10 mm鋼管，如圖1（b）。

3.2圍堰結(jié)構(gòu)分析計算

圖2 整體計算模型Fig.2The overall calculation model

鎖口鋼管樁圍堰計算的邊界條件：鋼管樁之間采用彈性連接，模擬鋼管樁鎖口作用；外荷載沿單元法向加載；圍囹與鋼管樁之間采用只受壓彈簧模擬；鋼管支撐與圍囹之間采用固結(jié)，模擬焊接效果；巖土對鋼管樁的被動作用依彈性地基梁理論等效為一般彈簧單元；管樁底部豎向約束。本工程先采用MIDIS軟件進行了整體和分工況驗算[4]，最后采用ANSYS有限元軟件進行整體和分工況的復(fù)核。

圖2為兩種軟件建立的整體計算模型，表2為計算結(jié)果。

表2 圍堰各工況及構(gòu)件計算結(jié)果Table 2Calculation results of the various working conditions and members of the cofferdam

根據(jù)前面的工序流程，計算按最不利原則主要考慮以下荷載工況：

工況1：安裝頂層支撐體系后，打入鋼管樁至設(shè)計標(biāo)高。承臺施工水位（+3.00 m）條件下開挖至底層支撐以下1 m（+7.50 m），保證圍堰內(nèi)干施工。

工況2：安裝底層支撐體系及與上一道支撐的連接體系，承臺施工水位（+3.00 m）條件下開挖基坑底部（+3.80 m），保證圍堰內(nèi)干施工。

工況3：第一、二層承臺混凝土成型后，在承臺四周區(qū)域回填砂并在頂層澆筑冠梁混凝土，拆除底層支撐體系與上一道支撐的連接體系。

從兩種分析軟件計算結(jié)果看，雖在某個工況或構(gòu)件上計算有差異，但圍堰各構(gòu)件的強度及剛度均能滿足設(shè)計規(guī)范要求。施工過程中，也分別在Z4號主墩鋼圍堰的圍囹、長江大堤和現(xiàn)場作業(yè)龍門吊軌道位置設(shè)置了沉降和位移觀測點[5]，從實測數(shù)據(jù)看，圍囹最大位移為26 mm，龍門吊軌道累計位移為20 mm，與ANSYS計算軟件分析結(jié)果基本吻合，均在施工可控范圍內(nèi)。

施工前，針對鎖口鋼圍堰所處的特殊位置，進行基底抗隆起穩(wěn)定性驗算，穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果：Fs=3.275＞1.6（安全等級二級），滿足要求；邊坡穩(wěn)定性采用Slide邊坡穩(wěn)定性分析軟件計算，鋼管樁圍堰臨邊邊坡最危險滑移面穩(wěn)定系數(shù)Fs= 1.958＞Fst=1.2；天然邊坡最危險滑移面穩(wěn)定系數(shù)為Fs=1.932＞Fst=1.3，場地內(nèi)外天然與臨時邊坡穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求[6]。

4 鎖口鋼管樁圍堰施工

4.1 圍堰施工的整體思路

為確保鎖口鋼管樁的平面位置和傾斜度，需提前設(shè)置導(dǎo)向裝置進行引導(dǎo)，采用“履帶吊+振動錘”的方法按序插打。但由于本工程鎖口鋼管樁長度長，圍堰合龍時需要采取屏風(fēng)式插打方法，以提高鎖口鋼管樁分塊之間的嵌鎖效果和整體傾斜度。

鎖口鋼管樁內(nèi)支撐鋼圍囹根據(jù)設(shè)計需要，在墊層混凝土澆注前設(shè)置2層。為避免基底暴露時間過長，先期開挖到位的部分基坑，先進行圍囹和內(nèi)支撐安裝，重復(fù)兩個循環(huán)，快速完成內(nèi)支撐系統(tǒng)安裝和土方開挖。

4.2 鎖口鋼管樁插打

1）振動錘選型

鋼管樁入土深度按23 m計，側(cè)摩阻按粉質(zhì)黏土層③3-1層最大40 kPa計，動摩阻系數(shù)平均取0.20，則單塊鋼管樁沉設(shè)到位需要的激振力為：F=（0.82×3.14）×23×40×0.20=473 kN，考慮陰陽鎖口之間的摩擦力，采用EP200和APE200振動錘，激振力分別為1 040 kN和1 500 kN，滿足要求。

2）鎖口鋼管樁加工

鎖口鋼管樁組裝在施工現(xiàn)場硬化場地上設(shè)置專用胎架，胎架采用I25墊梁和I36的縱梁，縱梁對接口位置斷開并預(yù)留1 m，方便鋼管樁的對接和陰陽口的對接，縱梁間距設(shè)置80 cm。焊接時，陰陽口與主管之間焊接均采用連續(xù)雙面貼角焊縫，焊縫高度8 mm。

3）鎖口鋼管樁插打

根據(jù)主墩承臺土層開挖的深度，預(yù)先在施打位置設(shè)置4根820×10的鋼管樁（承臺短邊），鋼管樁上放置HN700×300的型鋼做為鋼管樁施打的單側(cè)導(dǎo)向裝置，進行鎖口鋼管樁施打。

在插打前鎖口陰陽頭，對陰陽鎖口采用鋼絲刷進行清理，并均涂以黃油以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。用履帶吊吊振動錘將鋼管樁打入，如圖3所示，第1根樁打入時，打入至距離設(shè)計高程上2 m時停止插打，打入第2根鋼管樁至設(shè)計高程上2 m，同樣插打第3根鋼管樁。在3根鋼管樁打完后，3根鋼管樁交錯插打到設(shè)計高程[7]。

圖3 鎖口鋼管樁現(xiàn)場沉放Fig.3Site sinking of lock steel pipe piles

4）圍堰內(nèi)土方開挖與支撐系統(tǒng)安裝

土方開挖時，沿承臺由下游向上游方向推進，并逐層開挖，下游開挖至設(shè)計標(biāo)高后，安裝上游頂層支撐系統(tǒng)，挖機移至上游開挖，以此循環(huán)。當(dāng)挖至設(shè)計標(biāo)高，挖機移動受阻，擬采用80 t龍門吊起吊移動挖機至指定區(qū)域進行開挖作業(yè)。如果取土困難，采用長臂挖機進行。

每一層土方開挖至圍檁中心標(biāo)高向下50 cm后，放出標(biāo)高，根據(jù)安裝標(biāo)高定出鋼圍檁的上下輪廓線和承托位置。將鋼板制作的承托焊接在鋼管樁內(nèi)壁上，待承托全部安裝到位后，將預(yù)先組拼好的H型鋼，利用龍門吊起吊安裝至管樁圍堰內(nèi)壁一周，并做固定。在間隙過大圍檁和鋼管之間，夾塞弧形板過渡。內(nèi)支撐安裝按先短邊對撐后長邊對撐進行，見圖4。

圖4 圍堰支撐系統(tǒng)安裝Fig.4Installation of the cofferdam support system

5）圍堰施工過程中方案優(yōu)化

圍堰施工過程中，也分析和研究了其他類型鎖口鋼圍堰施工，針對個別鋼管樁沉樁困難或施打不到設(shè)計標(biāo)高，對打樁位置土樣進行分析，部分位置鋼管樁底口已進入致密的粉細砂層，因而進行了重新復(fù)核驗算，并采取了更換大功率振動錘和高壓射水輔助鋼管樁沉樁，同時為保證鎖口鋼管樁施工工效，將圍堰合龍位置設(shè)為兩處，采用2臺80 t履帶吊帶2臺振動錘進行沉樁施工。所有措施的實施，使得鎖口鋼管樁施打進度和精度得到顯著提高。

5 結(jié)語

池州長江公路大橋北主橋Z4號主墩鋼圍堰實施過程中，通過前期調(diào)研和分析，選擇了更適合本工程的“CO”型鎖口鋼管樁圍堰；設(shè)計時，多方研討和分析，并針對工程的特殊性，進行兩種軟件互相驗證計算分析和特殊性工況計算，給圍堰施工提供了可靠的技術(shù)保障；施工時，多方案比選優(yōu)化調(diào)整，使得圍堰施工工效提高，施工難度降低。一整套的技術(shù)分析和施工措施保障，使得鎖口鋼圍堰從鋼管樁插打（共176根）、圍囹內(nèi)支撐安裝和土方開挖，40 d全部完成，為承臺在汛期到來之前出水創(chuàng)造了有利條件，也為類似工程實施提供了一套完整的設(shè)計和施工方法。

[1]楊燦文，張強，石建華.池州長江公路大橋主通航橋設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2016，46（4）：92-96. YANG Can-wen,ZHANG Qiang,SHI Jian-hua.Design of main navigable span bridge of Chizhou Changjiang River High Bridge[J]. Bridge Construction,2016,46(4):92-96.

[2]周述芳，孫飛.復(fù)雜地質(zhì)條件下鎖扣鋼管樁深水圍堰施工[J].鐵道建筑技術(shù)，2012（10）：66-69. ZHOU Shu-fang,SUN Fei.Locking steel pipe pile of deep-water cofferdam under complicatedgeological conditions[J].Railway Construction Technology,2012(10):66-69.

[3]蘭晴朋，何小村，王思龍，等.新型C-O型鎖口鋼管樁在圍堰施工中的應(yīng)用[J].建筑施工，2014，36（6）：661-663. LAN Qing-peng,HE Xiao-cun,WANG Si-long,et al.Application of new C-O type buckled steel pipe pile to cofferdam construction [J].Building Construction,2014,36(6):661-663.

[4]元守臣.深基坑鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計與施工[J].國防交通工程與技術(shù)，2015（S1）：24-25. YUAN Shou-chen.Design and construction of steel pipe pile cofferdam for deep foundation pit[J].Traffic Engineering and Technology for National Defense,2015(S1):24-25.

[5]郭文杰，方召欣.鎖口鋼管樁圍堰在復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁深基坑支護中的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2014，42（7）：76-78. GUO Wen-jie,FANG Zhao-xin.Application of locking steel pipe pile cofferdam in retaining and protection for deep bridge excavations under complex geological conditions[J].Transportation Standardization,2014,42(7):76-78.

[6]GB 50330—2013，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S]. GB 50330—2013,Technical code for building slope engineering [S].

[7]季英俊，孫仕輝，王宜鈺.跨海大橋超厚淤泥層中深基坑CO鎖口鋼管樁圍堰施工工藝[J].中國水運，2014，14（8）：245-247. JI Ying-jun,SUN Shi-hui,WANG Yi-yu.CO locking steel pile cofferdam construction technology of deep foundation pit in super thick silt layer of cross sea bridge[J].China Water Transport,2014, 14(8):245-247.

Design and construction of lock steel pipe pile cofferdam for super large cap

SHANG Long,HE Wen-zong,CHEN Fu-long,LI Hao
（No.4 Engineering Company Ltd.of CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,Wuhu,Anhui 240001,China）

The domestic application of steel pipe pile cofferdam started early,but the application of"CO"lock steel pipe pile in the domestic started late,especially in the construction of super large pile foundation.Based on the Chizhou Yangtze River Highway Bridge No.Z4 pier cofferdam construction,we discussed and studied the scheme selection,design and review of"CO" lock steel pile cofferdam,cofferdam construction,etc.,and summarized a set of design theory and construction method of"CO" lock steel pipe pile cofferdam which is practical and suitable for construction of super large bearing platform.The results show that the theory and method in accordance with the actual,can better guide the construction,in the process of optimization measures,to further improve the work efficiency,cope with the problem of plug play hard,which has the certain reference value for similar lock steel pipe pile cofferdams.

deep foundation pit;lock steel pipe pile;cofferdam design;construction

U655.541

A

2095-7874（2017）07-0012-05

10.7640/zggwjs201707003

2016-11-22

2017-01-17

尚龍（1985—），男，陜西咸陽人，工程師，土木工程專業(yè)。E-mail：shanglong62755546@126.com