锁口钢管桩围堰综合了钢板桩围堰和双壁钢围堰挡水、围护特性, 截面强度及刚度大、支撑简单方便、施工速度快。该种围堰制作、加工、安装、下沉方便灵活, 工艺简单, 无需大型机具设备, 同时简化了结构。在特殊地质条件下施工方便、造价低、安装过程中不易变形。

以新建武汉—十堰铁路 (简称汉十铁路) 浪河特大桥15号主墩基础施工为例, 结合现场情况, 详细介绍经工艺改进后的锁口钢管桩围堰设计及施工技术。

汉十铁路浪河特大桥位于丹江口市丁家营镇二道河村, 桥梁设计全长1 744.06m, 共46个墩台, 其中23个桥墩位于丹江口水库浪河水域, 线路方向与浪河河流夹角为143°、与浪河堤坝夹角为153°。由于浪河属丹江口水库库区, 受蓄水影响, 常年水位保持在150.000～160.000m, 蓄水期最大水深23m、枯水期最大水深10.2m。

桥梁在13～17号墩设计为1联 (75+135+135+75) m预应力混凝土连续箱梁, 其中第1孔135m主跨跨越既有汉十高速公路, 第2孔135m主跨跨越浪河航道, 为浪河通航孔。采用锁口钢管桩围堰施工的15号主墩位于浪河主河槽中, 墩身为圆端形实体墩, 坡度45∶1, 墩高40.5m;承台为矩形, 尺寸为23.2m×16.8m×4.5m (长×宽×高) , 承台底标高142.093m、顶标高146.593m;桩基为122.5m灌注桩, 采用2.8m钢护筒施工, 桩间距6.4m, 桩长14.5m。河床面标高为148.300～150.900m, 局部有狭窄凹槽, 最低处河床面标高为143.600m。15号墩位置处地层从河床往下依次为粉土、粗圆砾土、强风化云母石英片岩和弱风化云母石英片岩。

15号墩基础经过方案比选采用双壁钢套箱围堰施工, 考虑该墩承台边与福银高速公路8号墩立柱净距6.6m、15号墩承台底距8号墩桩基础底部5.543m的实际情况, 若采用双壁钢套箱围堰, 则铣槽坑边缘与8号墩立柱净距4.5m, 铣槽坑底比8号墩桩基础底部低0.457m, 围堰基底开挖深约12.2m, 围堰进入云母石英片岩深约4m, 采用旋挖钻机对承台周围河床进行大面积、大方量铣槽清基时, 可能引起既有公路桥梁桩基周围土层滑坡、坍塌, 对旧桥干扰较大, 可能造成严重后果。若在低水位期采用锁口钢管桩围堰施工, 围堰受力满足施工要求, 且钢管桩外缘与8号墩立柱净距5.1m, 水下清基深约10m。针对钢管桩难以入岩的难题, 通过采取钢管桩内施作钢筋混凝土钻孔桩的方式将管桩锚固于岩石中, 提高围堰整体稳定性, 且旋挖钻机成孔对土层扰动较小 (见图1～3) 。综上分析可知, 采用锁口钢管桩+钻孔桩的形式, 既能增大施工区域与既有高速公路桥桩基础间距, 又能减小对旧桥桩基础周围地层扰动的影响, 大大提高旧桥运营安全。水下清除土石方量少, 同时锁口钢管桩围堰施工工序简单, 无大面积焊接、拼装, 可大大加快施工速度、提高施工效率、降低施工成本。

锁口钢管桩围堰施工常规工艺流程为:钢管桩围堰设计→钢管桩、锁口加工及拼装→下沉钢管桩 (在施工平台周边安装导向架, 控制钢管桩倾斜度, 在导向架上按理论尺寸放线定出钢管桩位置, 用振动打桩机将其插打到位) →水下浇筑封底混凝土→安装水平支撑→浇筑混凝土承台及部分墩身→拔除钢管桩。由于15号墩承台位于河床面以下, 水下清基深约10m, 其中粗圆砾土与岩层清理深约6m, 极大增加水下土石方开挖难度, 需另设1套清基平台, 工期严重滞后, 故需改进工艺。

考虑强风化云母石英片岩虽裂隙发育, 但强度高、不易破碎, 可通过施作钻孔桩时获取的岩层渗透系数确定透水性能, 将部分工艺流程优化为:先排水, 安装内支撑, 后在无水环境中开挖基坑, 且不浇筑封底混凝土。

通过现场铣孔, 将3根钢管桩插打至岩层顶面, 清除管桩内土体后, 套钻1m深钻孔桩, 然后抽水静置24h, 渗流水体在管桩内平均高约40mm, 故工艺改进是可行的。

15号墩围堰中心线轮廓尺寸为25.2m×18.81m×26.8m (长×宽×高) , 主钢管采用1 000mm×12mm、横桥向间距1.26m、顺桥向间距1.254m, 材质为Q345B;阳口采用I20b, 阴口采用194mm×8mm钢管, 材质均为Q235B;管桩底部为长10m的800mm钢筋混凝土桩, 嵌于钢管桩内部。钢管桩顶标高159.093m、底标高141.593m, 钢筋混凝土桩底标高135.093m, 钢管桩内混凝土顶标高145.093m, 钢管内混凝土高3.5m (见图4) 。

内支撑共3层, 低水位期施工时, 根据水位下降情况可调整为2层。第1, 2层圈梁均采用2HN700mm×300mm热轧型钢, 内支撑均采用630mm×10mm钢管;第3层圈梁均采用3HN700mm×300mm热轧型钢, 内支撑均采用820mm×12mm钢管, 材质均为Q235B。

浪河低水位期为11月至次年6月, 15号墩围堰于2017年11月开始排水开挖, 故抽水时的设防水位按153.000m考虑, 垫层及承台施工时的设防水位按≤151.500m考虑。

利用MIDAS计算软件建立围堰整体模型, 钻孔桩根部采用固结约束, 圈梁与钢管桩采用弹性连接中的刚接约束;垫层与承台按实体模拟, 钢管桩与钻孔桩采用梁单元模拟 (见图5) 。

1) 工况1锁口钢管桩插打至设计位置后, 在管桩内引孔施工钻孔桩, 安装第1层内支撑。

2) 工况2围堰内抽水至水位151.400m, 准备安装第2层内支撑, 此时围堰外水位为153.000m。

3) 工况3安装第2层内支撑后, 围堰内抽水至河床面, 采用挖掘机开挖基坑至标高141.600m, 准备施工0.5m厚垫层, 此时围堰外水位151.400m (由于水位持续下降, 故基坑开挖过程中无需安装第3层内支撑) 。

4) 工况4养护完承台及第1节墩身, 回灌水至水位151.400m (与管桩外水位平齐) , 拆除第2层内支撑。

根据实际情况, 在MIDAS软件中采用施工阶段模拟计算, 后一工况考虑前一工况变形对钢管桩及内支撑受力的影响。

1) 钢管桩、圈梁及内支撑计算结果如表1所示。

2) 锚固桩计算结果根据TB10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定, 桩下端锚固在岩石内时, 可假定弯矩由锚固侧壁岩石承担, 锚固深度可不考虑水平剪力的影响, 并按下式计算:

式中:h₁为自桩下端锚固点算起的锚固深度 (m) ;M为桩下端锚固点处弯矩 (k N·m) ;K为根据岩层构造在水平方向的岩石容许压力换算系数, 取0.5～1.0;d为钻孔直径 (m) ;R为桩尖土极限承载力 (kPa) 。

通过整体模型计算, 锚固深度范围内桩最大弯矩为7 180kN·m, 取K=0.5, d=0.8m, R=9 000kPa, 代入式 (1) 得锚固深度为5.5m, 考虑桩底浮渣等情况, 设计中锚固深度取8.2m, 满足要求。

1) 搭设围堰铣槽平台钻孔桩施工完毕后, 将原栈桥及钻孔平台拆除, 搭设围堰铣槽平台。平台标高160.000m, 采用主体钻孔桩钢护筒作支撑, 钢护筒顶部开凹槽并使用3块竖向加劲钢板加强钢护筒局部。在凹槽内横桥向布置3I56b, 其顶部与钢护筒平齐, 在其上顺桥向摆放3I56b, 然后布置横桥向贝雷片, 间距45cm。平台顶顺桥向布置I16, 间距20cm, 面板采用8mm厚钢板。

2) 锁口钢管桩栽桩施工铣槽平台搭设完成后, 在平台顶面画出锁口钢管桩平面坐标, 采用XR360, YTR300型旋挖钻机钻1.2m孔, 将粗圆砾土层清除至承台底以下0.5m。在钢护筒上安装导向架, 采用振动锤插打锁口钢管桩至孔底高程, 从线路右侧逆时针逐根插打, 最后在线路左侧合龙。

3) 钢管桩内锚固桩施工锁口钢管桩插打完成后, 在管内采用0.8m钻头引孔, 引孔标高低于钢管桩底标高6.500m。管内引孔结束后下放钢筋笼, 采用0.3m导管水下灌注C30混凝土, 混凝土顶面标高高于钢管桩底标高3.500m。待所有钢管桩引孔锚固结束后, 在围堰外侧采用吸泥机清理基坑与管桩间隙渣土, 灌注C30水下混凝土, 锁口间填塞黏土进行封堵, 避免围堰底部及锁口间漏水。

4) 围堰内支撑安装锁口钢管桩内外侧混凝土施工完成后进行围堰内抽水, 基坑抽水至第1道腰梁底部1m处, 焊接临时支架, 安装第1道腰梁。腰梁每条边及每根内支撑在工厂按设计图加工完成后运至现场安装。第1道腰梁安装完成, 抽水至第2道腰梁下方1m, 安装第2道内支撑, 依次循环, 完成整个围堰内支撑安装, 每2道腰梁间安装竖向支撑。严格依据技术交底要求进行抽水, 采用4台100m³/h水泵同时进行。

5) 基坑内土体清理围堰内支撑安装完成后, 抽排围堰内侧水, 抽排过程中对部分锁口漏水处采用沥青麻丝填塞。待水位抽排至河床底部, 开始切割钢护筒。钢护筒拆除完毕后, 利用80t履带式起重机将挖掘机吊入基坑, 开始清理基坑, 对岩层部分利用破碎锤进行破碎清理。清理后的弃土运至弃土场。

6) 围堰垫层施工围堰内基坑清理至垫层底部, 并在基坑四周设置排水沟, 将积水引排至集水井, 利用抽水机抽排至围堰外侧。基坑积水清理干净后开始浇筑围堰内垫层混凝土, 混凝土强度等级为C30, 垫层厚50cm, 采用37m混凝土泵车浇筑。

7) 承台及墩身施工垫层施工完成后, 检查垫层混凝土高程及平整度。对基底及承台高度范围内钢管桩进行表面清理。

放样测量承台平面位置, 绑扎钢筋, 承台模板为木模板, 模板安装完成后检查其平面位置及高程, 预埋墩身钢筋, 浇筑承台混凝土。

承台混凝土养护3d后, 围堰内灌水至承台顶以下0.5m, 拆除第2道腰梁, 施工第1节墩身。第1节墩身施工完成后, 围堰内灌水至第2道腰梁以下0.5m, 拆除第1道支撑, 施工第2节墩身。墩身出水后进行翻模施工, 每次施工高度为6～8m。

8) 围堰拆除墩身施工出水后, 潜水员进行水下作业, 将钢管桩沿管内混凝土顶面切割, 切割完毕后利用DZ-90型振动锤拆除钢管桩, 完成围堰拆除工作。

1) 采取对地层振动影响较小的旋挖钻孔桩锚固基础, 形成锁口钢管桩内施作钢筋混凝土钻孔桩的结构形式, 一方面增加施工区域与既有高速公路桥梁桩基础的安全间距, 另一方面提高围堰整体稳定性。

2) 通过测试裂隙发育明显的云母石英片岩渗透系数, 制定无封底混凝土排水、开挖施工工艺, 减小施工难度、节省材料、提高施工效率。