浅谈锁口钢管桩围堰施工在桥梁工程的应用

摘　要：本文结合工程案例，首先介绍锁口钢管桩围堰工作原理，分析了围堰设计要求规范，详细介绍钢管桩围堰施工工艺及方法措施。
关键词：桥梁工程；钢管桩;围堰; 设计; 施工
1.工程概况
　　本大桥梁全长528. 16 m，主桥长280 m，为预应力混凝土连续钢构 －混凝土钢管拱组合桥，主桥跨径布置为75 +130 +75 m，其中5#、6#主墩为群桩基础分离式实体墩，承台尺寸为35. 0 m×13. 5 m×4. 0 m，承台底标高为106. 182 m，承台顶标高为110. 182 m。桥位处常水位为114. 4 m，水位变化为±2 m。
2.锁口钢管桩围堰工作原理
　　钢管桩围堰是将单片钢管桩逐片插打入土中，相邻桩间通过锁口拼接，形成能阻水和有一定强度的连续结构物。其工作原理为: 利用机械挖出及清除( 或抽砂方式) 围堰内泥砂，并在清除过程中根据结构的安全性要求设置必要的内支撑，达到设计标高后，根据围堰内基底透水情况，选用水下浇筑或直接干处方式完成封底混凝土施工，最后抽干围堰内积水，形成安全、无水的承台施工空间。基础或承台施工完成后，向围堰内回填砂土，达到内外平衡后即可用吊机配合振动锤将钢管桩拔出。
3.围堰设计
　　由于钢管桩围堰在施工期间要承受较大的外围主动土压力、静水压力、施工荷载等作用，因此应对整个围堰进行验算，并综合考虑施工偏差和承台施工的立模空间，最终确定竹洲大桥主墩承台锁口钢管桩围堰平面内尺寸为38. 0 m×15. 8 m，钢管桩顶标高为115. 5 m，打入软岩层深度≮1 m，钢管桩长12 m，截面尺寸为520 mm×8 mm，并采用100 mm×50mm × 6mm的 L 型钢两两组合成阴阳锁口。由于桩径较大，桩尖不封闭有利于桩下沉，故桩尖不采取桩靴封闭加强，而采用桩尖补强圈补强，即在桩尖钢管50cm处外焊10mm厚的钢板补强圈。为确保整个围堰的稳定性，在基坑地表以下50cm处利用400mm×10 mm的钢管设置一道内支撑。为利于承台及后续桥墩身的施工，内支撑设置成斜撑形式。锁口钢管桩构造如图1所示。

图1 锁口钢管桩构造示意图
4.锁口钢管桩围堰验算
4. 1 围堰钢结构强度
　　由于基坑开挖采用不排水开挖，钢管桩的不利工况如下: ( 1) 开挖至支撑处，支撑未安装; ( 2) 抽水至封底混凝土顶( 承台底) 。在基坑开挖过程及开挖完成后，钢管桩外侧承受静水压力、主动土压力、施工荷载等3 种荷载作用。采用 MIDAS 对其进行整体建模验算，验算结果见表1。
　　表1 锁口钢管桩围堰计算结果表
围堰部位 弯曲应力( MPa) 剪应力( MPa) 组合应力 变形( mm)
工况一 13. 2 22. 5 26. 8 1. 2
工况二 29. 3 65. 2 71. 5 3. 5
4. 2 封底混凝土抗浮验算
　　封底混凝土厚度 h =0. 5 m，长 a =38. 05 m，宽b = 15. 84 m，则:
　　　混凝土自重G =a×b×h×g =38. 05×15. 84×0. 5 × 25 = 7534 kN;
　　水浮力 G1= ρ gv = 38. 05 × 15. 84 × 8 × 10 =48216 kN;
　　　封底混凝土与钢管桩之间的摩擦力为:
　　　F1= s × τ = ( 38. 05 + 15. 84) × 0. 5 × 2 ×120 + 2× 3. 14 × 21 × 0. 5 = 6533 kN;
查路桥计算施工手册，τ 取120 kN/m2。
　　封底混凝土以上钢管桩与土体的摩阻力按1/3极限摩阻力计算，得:
　　F2= ( a + b) × 2 × h1× τ = ( 38. 05 + 15. 84) × 2×11. 69 × 40 = 50398 kN;
　　式中:h1———钢管桩底至围堰顶高度;
　　　　τ ———土体极限摩阻力，按细砂土40 kN / m2计算。
　　则抗浮力 F = G + F1+ F2= 7 534 + 6 533 +50 398 = 64 465 kN;
　　安全系数 k = F/G1= 64 465 /48 216 = 1. 33 ＞1. 05。
综上所述，该基坑验算合格，满足施工要求。
5.钢管桩围堰施工
5. 1 打桩机械选择
　　根据现场地质调查情况，打桩机械选择60 T振动打桩机，该打桩机能够满足长钢管桩的插打和拔除要求。
5. 2 导向框的设置
　　为了精确控制钢管桩打入后的平面位置，需设置导向框，导向框由导框桩与导框组成，均为 I40工字钢。导框桩水平间距为5m，桩长6m，其中有1m桩体高出土围堰平台顶面，5m打入土围堰下。
　　为使钢管桩能顺利插入导向框，两导框比520mm的钢管桩大20mm，即每边各放大10mm，为540 mm。导框桩与导框连接采用焊接连接，焊缝高度≮4 mm。
5. 3 钢管桩打设
　　钢管桩的插打一般是从离钢管桩加工场地较远一侧的角点开始，逐步向两侧打入。插打可沿围堰边线分两个方向同时进行，也可一个方向进行。钢管桩开始插打时，第一、二根钢管桩的位置和方向应精确，以便起到样管导向作用，在打桩过程中，为保证头两根钢管桩的垂直度，用两台经纬仪在无导向框限位两个方向加以控制。每打入1m应测量一次，打至预定深度后，可用钢筋与导向框焊接固定。
5. 4 内支撑安装
　　钢管桩围堰的内支撑是确保结构稳定安全的主要受力构件，应对整个围堰施工过程进行综合考虑和验算后，确定内支撑的用材、形式以及布置方式。内支撑一般由型钢围檩和钢管支撑杆组成。内支撑的设计除了满足受力要求外，应尽可能考虑围堰内结构物施工的方便性，避免支撑与桥墩身钢筋发生冲突。由于钢管桩围堰多用于岸上基坑开挖，所以内支撑的安装需与基坑出土配合进行。一般采取边开挖边支护，从上至下分层开挖，分层支护。
5. 5 围堰开挖及封底
　　基坑开挖方式应根据现场地质情况、结构强度要求进行选择。在基坑开挖时，需配合内支撑的焊接安装，在首层支护未完成时，开挖的速度不宜过快，应根据支护情况分层开挖。防止开挖速度过快，支护跟不上而发生钢管桩围堰倾斜变形。在开挖过程中，必须严格按照设计要求在适当的位置安装内支撑，确保内支撑安装好后再进行后续的开挖。
　　封底混凝土的具体厚度应根据验算确定，但最小应≮0.5m。封底混凝土达到要求的强度后便可开始清淤，清淤过程中应严格检查支撑是否达到设计要求，最后可拆除临时支撑。
　　在开挖过程中可随时观察钢管桩围堰的变化情况，当锁口不紧密漏水时，用棉絮、止水橡胶等在内侧嵌塞; 如渗水不能完全封堵，应在基坑开挖过程中时刻保持一个最低点集水，通过抽水机排水。在基坑开挖到指定标高，浇筑封底混凝土时，需设置集水坑，做好渗水的引导，以确保排水的及时性，为承台施工提供良好作业环境。
5. 6 承台施工
　　在封底混凝土达到设计要求强度后，即可进行承台施工。
　　
　　图2 锁口钢管桩围堰现场施工图