锁口钢管桩围堰在郑济黄河特大桥深水基坑中的应用

锁口钢管桩围堰在郑济黄河特 大桥深水基坑中的应用

李贤超

重庆中交渝武高速公路有限公司 重庆 401329

摘要：围堰既可防水、围水，又可支撑基坑的坑壁，在桥梁基础施工过程中具有重要作用。文章以郑济黄河大桥深基坑水下施工围堰设计为依托工程，以385#墩为例，对钢板桩围堰、锁口钢管桩围堰、双壁钢套箱围堰进行方案比选，确定采用锁口钢管桩围堰进行深水基坑施工；采用有限元数值计算软件建立空间有限元模型对围堰进行整体和局部受力分析，工程验证表明该围堰强度、刚度、稳定性等各方面均满足要求。

关键词：黄河特大桥；深水基坑；围堰；锁口钢管桩；方案比选；数值模拟

1. 引言

近年来，随着我国工程的建设与发展，桥梁工程深水基础种类越来越多，在相应涉水工程中，围堰既可防水、围水，又可支撑基坑的坑壁，对于保证桥梁基础安全、快速施工具有重要作用。

2. 工程概况

如图1所示，郑济铁路黄河特大桥为郑济铁路、规划中的郑新市域铁路及郑新快速公路共用的“三合一”特大公铁两用桥梁，是郑济铁路（郑州至濮阳段）站前工程的关键性工程。该桥为上下分层、公铁两用桥，上层为郑新快速公路，下层为四线铁路，两线为郑济高速铁路，两线为郑新市域铁路。

图1 郑济黄河大桥桥型布置（单位：m）

郑济铁路黄河特大桥设计情况：主桥为（120+6×168+120）m钢桁架桥，其中385#主墩采用32根φ2.0m直径钻孔桩基础，承台平面尺寸40.3×19.1m，385#主墩河床面高程+79.7m，承台顶高程+76.878m，底高程+71.878m，承台厚度5.0m，埋置深度7.8m，设防水位+87.5m，施工水位+86.0m，385#墩地质情况（见表1）：

表1： 地质情况参数统计表

3. 围堰总体设计

3.1围堰方案比选

黄河上施工常见围堰结构形式有双壁钢套箱围堰、钢板桩围堰、锁口钢管桩围堰。

1. 双壁钢套箱围堰结构稳定，能打入土质较硬的土层，对于大型或超大型承台施工较适用。但双壁钢套箱围堰加工精度要求高，围堰厚度较宽导致围堰整体下沉难度大，特殊情况还需要采用爆破的方式进行辅助施工，施工难度大且施工安全难以保证；另外围堰拆除需进行水下切割，围堰整体施工成本较高，本项目不宜采用。

2. 钢板桩围堰施工成本较低，新的钢板桩围堰结构整体性能好、刚度强，围堰拼装形式多样，可打入较硬土层，施工简便，可用于碎石土、风化的坚硬河床、砂类土等土层施工。但385#基坑埋深较深，对钢板桩的长度和抗弯性能要求较高，过长的钢板桩运输不便且超过一定长度的钢板桩需要现场接长，施工难度较大，本项目不宜采用。

3. 锁口钢管桩围堰结构稳定性强，加工速度快，385#基坑主要为砂类土层，钢管桩施工插打方便，使用小型吊装设施即可在桩基施工的同时插打钢管桩，且钢管桩能打入较大的深度，满足承台埋深较大的要求。与其他围堰结构形式相比，锁口钢管桩围堰更适用于385#墩基坑施工。

3.2 围堰结构设计

钢管桩围堰顶部高程+89.0m,设防水位为+87.5m，平面尺寸44.52×23.32m，采用矩形结构（见图2、图3）。

图2 385#墩立面布置图（高程m，其余mm）

图3 385#墩平面布置图（单位：mm）

1. 采用T—C型锁口钢管桩。以Q235B直径820mm、厚度12mm钢管为主管。阳接头为工20b工字钢，阴接头为直径219mm、厚度8mm钢管，锁口钢管桩长28.0m,承台距离钢管边缘预留距离1.7m。

2. 围檩及内支撑。为保证围堰的整体稳定性，在钢管桩内侧不同高度设置围檩及内支撑。385#墩围堰竖向设置3道檩及内支撑，标高分别为+86.2m、+80.2m、+77.7m，上两层做成桁架结构。

3. 封底混凝土，385#墩河床含水层较深，在围堰整体插打完成且上面两层内支撑已安装到位后进行水下封底混凝土灌注，采用C30水下封底混凝土,厚度为3.5m。

4. 围堰结构计算

采用MIDAS/civil2015对围堰进行数值模拟，包括钢管桩数值模拟、围檩及内支撑数值模拟、封底混凝土的数值模拟三部分。

4.1计算工况及荷载

385#墩的施工荷载主要为土压力、水压力、水流冲击力等共同作用，计算工况汇总表如下：

表2： 围堰计算工况汇总表

4.2计算结果分析

4.2.1锁口钢管桩入土深度计算

工况一为钢管桩入土深度最不利工况，依据JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》，钢管桩嵌固深度应满足抗倾覆要求，抗倾覆计算为主动土压力（M1）和被动土压力(M2)分别对第二层内支撑（+80.2m）处支点取矩得到：

另外，钢管桩嵌固深度尚需满足规范构造要求，即钢管桩嵌固深度不小于0.2h（h为基坑深度）。本围堰钢管桩嵌固深度为：

钢管桩抗倾覆及构造均满足规范要求。

4.2.2基坑隆起计算

工况一为基坑抗隆起最不利工况，结合地勘资料，385#墩处地质主要为细砂，土质重度为 ，内摩擦角为 ，粘聚力为 ，基坑外侧土层浮重度： ，内侧土层浮重度： ，基坑底面至挡土构件底面的土层厚度：D=7.078m，基坑深度：h=20.922m，承载力系数：

(3)

(4)

抗隆起系数：

(5)

满足规范要求。

4.2.3钢管桩受力计算

通过模型计算，各个工况计算结果见下表：

表3：各工况内支撑反力计算结果统计

在工况二条件下钢管桩受力最大。经过计算，钢管桩的弯曲应力:

钢管桩最大变形:

(7)

满足规范要求。

4.2.4围檩及内支撑计算

作用在第一层、第二层、第三层围檩上的最大反力为118.5kN/m、566.0kN/m、370.8kN/m，以第二层内支撑为例进行计算

经过弯、剪组合计算得到结果见下表：

表4： 围檩及内支撑计算结果表

围檩及内支撑应力均满足规范要求。

4.2.5封底混凝土计算

工况三基坑内外水头差17.622m，封底混凝土采用C30水下混凝土，设计厚度为3.5m，在水浮力及自重作用下,经计算封底混凝土的拉应力为0.73MPa（见图4），满足规范要求。

图4 封底混凝土计算结果（单位：MPa）

封底混凝土与钢护筒粘结力计算，钢护筒外径φ=2.3m，计算求得封底混凝土传递给钢护筒的最大上拔力335.5t，则封底混凝土与钢护筒之间的粘结力:

(8)

满足相关要求。

5. 结语

郑济黄河大桥385#主墩承台采用锁口钢管桩围堰方法施工，经分析计算，各个工况下结构的位移、内力、稳定性均满足规范要求。锁口钢管桩围堰在385#墩得到成功应用，极大地提高了施工功效，保证了施工安全，有效降低了施工成本投入、避免了高风险安全问题、保证了施工进度、节约了工期，对类似深水基础施工具有很大的借鉴作用。

参考文献

[1]夏凌.深水基础锁口钢管桩围堰施工工艺的应用分析 [J].黑龙江交通科技，2018，41（05）：115-117.

[2]王寅峰，吴杰良.武汉青山长江公路大桥南主墩锁口钢管桩围堰设计[Ｊ].桥梁建设，2017，47（1）:99-103.

[3]方诗圣，丁仕洪.钢围堰封底混凝土与桩基钢护筒间的粘结力研究[N].合肥工业大学学报(自然科学版).2009-2..

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