超大型承台锁口钢管桩围堰设计与施工

尚龙，何文宗，陈扶龙，李昊

（中交二航局第四工程有限公司，安徽芜湖240001）

超大型承台锁口钢管桩围堰设计与施工

尚龙，何文宗，陈扶龙，李昊

（中交二航局第四工程有限公司，安徽芜湖240001）

钢管桩围堰在国内应用起步早，但“CO”锁口钢管桩在国内应用起步较晚，特别是应用于深基坑超大型承台施工。结合池州长江公里大桥主桥Z4号墩承台围堰施工，从方案比选、“CO”锁口钢管桩围堰设计与复核、围堰施工等多方面进行论述和研究，总结一套切实可行并适合超大型承台施工的“CO”锁口钢管桩围堰设计理论和施工方法。结果表明，该理论和方法与实际吻合，能够更好地指导现场施工，过程中采取优化措施，能够进一步提高工效，解决插打困难的难题，对类似锁口钢围堰有一定借鉴作用。

深基坑；锁口钢管桩；围堰设计；施工

1 工程概述

池州长江公路大桥位于长江下游安庆—芜湖的贵池河段，长江主通航孔桥全长1 448 m，桥跨布置为（3×48+96+828+280+100）m，采用不对称混合梁斜拉桥。北主墩（Z4号墩）基础承台为圆端形，平面外轮廓尺寸为59.5 m×26.8 m，圆端半径15.72 m，下设36根φ2.5 m钻孔灌注桩。承台厚6.5 m，底标高+4.5 m，顶标高+11.0 m。承台顶设2 m高棱台型塔座，底轮廓尺寸44.5 m× 19.0 m，顶轮廓尺寸40.5 m×15.0 m[1]。

Z4号墩位于枞阳大堤压浸台上，中心距枞阳大堤约50 m，墩位处地势较为平坦，仅西南角处于大堤二级台阶迎水斜坡上。

2 围堰形式的选择

Z4号主墩承台深度范围内地层分布如表1。Z4号主墩在桩基施工时，采取了筑土填高并对桩位以外位置进行硬化形成施工平台的施工方法，硬化后平台顶标高为+14.0 m，而承台底标高为+4.5 m，且设计有0.5 m厚的封底混凝土以及超挖0.2 m设置碎石垫层，因而承台开挖深度超过10 m，且承台岸侧距长江大堤堤脚仅为14 m、江侧距长江仅为30 m，江侧一角围堰外露在压浸台以外，导致岸侧与江侧存在约2 m差的不平衡土压力，需合理设置内侧钢围囹支撑的位置和层数，必要时采取江侧堆载平衡。在此情况下，应该考虑一种止水效果好、整体刚度大、稳定性好的围堰体系。

表1 Z4号主墩承台深度范围内地层参数一览表Table 1The mainland layer parameters list in the depth range of No.Z4 main pier bearing platform

1）双壁钢围堰

双壁钢围堰整体的刚度和稳定性均较好，止水也易于控制，但需要大型起吊设备，适合水域施工，由于承台为陆域施工，大型起吊设备难以起吊到位，且拆除困难，不利于回收。

2）钢板桩围堰

施工之初，也考虑采用钢板桩围堰进行，但根据市场调研，目前市面上钢板桩最长长度一般为18 m，为刚度较大的拉森SP-IVw型，如在本工程中实施，钢板桩的长度约26 m，且需要设置多层内支撑及围囹结构，一方面，钢板桩接长对其施打和止水都较为不利；另一方面，承台开挖暴露时间长，基坑的安全性很难保证。

3）锁口钢管桩围堰

锁口钢管桩显著特点是自身刚度大，可现场制作加工，并可回收循环使用。此工程中，由于自身刚度加之内支撑体系，围堰的整体刚度和水平抗推强度显著增强，对基坑安全性有保障；而且结构体系简单，对土方开挖较为有利，减少基坑暴露时间，能有效缩短承台施工周期，节约成本[2]，因此本工程选择了“CO”型锁口钢围堰。

3 “CO”锁口钢围堰设计

3.1 围堰尺寸确定和结构类型选择

综合考虑承台几何尺寸和施工操作空间的需要，拟采用的基坑底面尺寸为：63.2 m×30.3 m（操作净宽1.5 m）。再结合主墩水位、地层和地形，以及国内同类型工程锁口钢管桩的应用情况，经比选，Z4号墩承台围堰拟采用刚度相对较大的φ820×10（主钢管）+φ152×8（阴锁口）+φ133×4.5（阳锁口）组成[3]，如图1（a）。

图1Z4号墩锁口钢管桩围堰纵桥向立面和底层（+8.6）支撑系统Fig.1Vertical and horizontal bottom(+8.6)support system of No.Z4 steel pipe pile cofferdam

围堰内支撑系统共设置2层，第1层内支撑高程+11.6 m，围囹采用2HN700×300型钢，内支撑采用2HN700×300型钢及D720×10 mm钢管；第二层内支撑高程+8.6 m，围囹采用2HN900×300型钢，内支撑采用3HN700×300型钢及D820×10 mm钢管，如图1（b）。

3.2围堰结构分析计算

图2 整体计算模型Fig.2The overall calculation model

锁口钢管桩围堰计算的边界条件：钢管桩之间采用弹性连接，模拟钢管桩锁口作用；外荷载沿单元法向加载；围囹与钢管桩之间采用只受压弹簧模拟；钢管支撑与围囹之间采用固结，模拟焊接效果；岩土对钢管桩的被动作用依弹性地基梁理论等效为一般弹簧单元；管桩底部竖向约束。本工程先采用MIDIS软件进行了整体和分工况验算[4]，最后采用ANSYS有限元软件进行整体和分工况的复核。

图2为两种软件建立的整体计算模型，表2为计算结果。

表2 围堰各工况及构件计算结果Table 2Calculation results of the various working conditions and members of the cofferdam

根据前面的工序流程，计算按最不利原则主要考虑以下荷载工况：

工况1：安装顶层支撑体系后，打入钢管桩至设计标高。承台施工水位（+3.00 m）条件下开挖至底层支撑以下1 m（+7.50 m），保证围堰内干施工。

工况2：安装底层支撑体系及与上一道支撑的连接体系，承台施工水位（+3.00 m）条件下开挖基坑底部（+3.80 m），保证围堰内干施工。

工况3：第一、二层承台混凝土成型后，在承台四周区域回填砂并在顶层浇筑冠梁混凝土，拆除底层支撑体系与上一道支撑的连接体系。

从两种分析软件计算结果看，虽在某个工况或构件上计算有差异，但围堰各构件的强度及刚度均能满足设计规范要求。施工过程中，也分别在Z4号主墩钢围堰的围囹、长江大堤和现场作业龙门吊轨道位置设置了沉降和位移观测点[5]，从实测数据看，围囹最大位移为26 mm，龙门吊轨道累计位移为20 mm，与ANSYS计算软件分析结果基本吻合，均在施工可控范围内。

施工前，针对锁口钢围堰所处的特殊位置，进行基底抗隆起稳定性验算，稳定性系数计算结果：Fs=3.275＞1.6（安全等级二级），满足要求；边坡稳定性采用Slide边坡稳定性分析软件计算，钢管桩围堰临边边坡最危险滑移面稳定系数Fs= 1.958＞Fst=1.2；天然边坡最危险滑移面稳定系数为Fs=1.932＞Fst=1.3，场地内外天然与临时边坡稳定性均满足规范要求[6]。

4 锁口钢管桩围堰施工

4.1 围堰施工的整体思路

为确保锁口钢管桩的平面位置和倾斜度，需提前设置导向装置进行引导，采用“履带吊+振动锤”的方法按序插打。但由于本工程锁口钢管桩长度长，围堰合龙时需要采取屏风式插打方法，以提高锁口钢管桩分块之间的嵌锁效果和整体倾斜度。

锁口钢管桩内支撑钢围囹根据设计需要，在垫层混凝土浇注前设置2层。为避免基底暴露时间过长，先期开挖到位的部分基坑，先进行围囹和内支撑安装，重复两个循环，快速完成内支撑系统安装和土方开挖。

4.2 锁口钢管桩插打

1）振动锤选型

钢管桩入土深度按23 m计，侧摩阻按粉质黏土层③3-1层最大40 kPa计，动摩阻系数平均取0.20，则单块钢管桩沉设到位需要的激振力为：F=（0.82×3.14）×23×40×0.20=473 kN，考虑阴阳锁口之间的摩擦力，采用EP200和APE200振动锤，激振力分别为1 040 kN和1 500 kN，满足要求。

2）锁口钢管桩加工

锁口钢管桩组装在施工现场硬化场地上设置专用胎架，胎架采用I25垫梁和I36的纵梁，纵梁对接口位置断开并预留1 m，方便钢管桩的对接和阴阳口的对接，纵梁间距设置80 cm。焊接时，阴阳口与主管之间焊接均采用连续双面贴角焊缝，焊缝高度8 mm。

3）锁口钢管桩插打

根据主墩承台土层开挖的深度，预先在施打位置设置4根820×10的钢管桩（承台短边），钢管桩上放置HN700×300的型钢做为钢管桩施打的单侧导向装置，进行锁口钢管桩施打。

在插打前锁口阴阳头，对阴阳锁口采用钢丝刷进行清理，并均涂以黄油以减少插打时的摩阻力，并加强防渗性能。用履带吊吊振动锤将钢管桩打入，如图3所示，第1根桩打入时，打入至距离设计高程上2 m时停止插打，打入第2根钢管桩至设计高程上2 m，同样插打第3根钢管桩。在3根钢管桩打完后，3根钢管桩交错插打到设计高程[7]。

图3 锁口钢管桩现场沉放Fig.3Site sinking of lock steel pipe piles

4）围堰内土方开挖与支撑系统安装

土方开挖时，沿承台由下游向上游方向推进，并逐层开挖，下游开挖至设计标高后，安装上游顶层支撑系统，挖机移至上游开挖，以此循环。当挖至设计标高，挖机移动受阻，拟采用80 t龙门吊起吊移动挖机至指定区域进行开挖作业。如果取土困难，采用长臂挖机进行。

每一层土方开挖至围檩中心标高向下50 cm后，放出标高，根据安装标高定出钢围檩的上下轮廓线和承托位置。将钢板制作的承托焊接在钢管桩内壁上，待承托全部安装到位后，将预先组拼好的H型钢，利用龙门吊起吊安装至管桩围堰内壁一周，并做固定。在间隙过大围檩和钢管之间，夹塞弧形板过渡。内支撑安装按先短边对撑后长边对撑进行，见图4。

图4 围堰支撑系统安装Fig.4Installation of the cofferdam support system

5）围堰施工过程中方案优化

围堰施工过程中，也分析和研究了其他类型锁口钢围堰施工，针对个别钢管桩沉桩困难或施打不到设计标高，对打桩位置土样进行分析，部分位置钢管桩底口已进入致密的粉细砂层，因而进行了重新复核验算，并采取了更换大功率振动锤和高压射水辅助钢管桩沉桩，同时为保证锁口钢管桩施工工效，将围堰合龙位置设为两处，采用2台80 t履带吊带2台振动锤进行沉桩施工。所有措施的实施，使得锁口钢管桩施打进度和精度得到显著提高。

5 结语

池州长江公路大桥北主桥Z4号主墩钢围堰实施过程中，通过前期调研和分析，选择了更适合本工程的“CO”型锁口钢管桩围堰；设计时，多方研讨和分析，并针对工程的特殊性，进行两种软件互相验证计算分析和特殊性工况计算，给围堰施工提供了可靠的技术保障；施工时，多方案比选优化调整，使得围堰施工工效提高，施工难度降低。一整套的技术分析和施工措施保障，使得锁口钢围堰从钢管桩插打（共176根）、围囹内支撑安装和土方开挖，40 d全部完成，为承台在汛期到来之前出水创造了有利条件，也为类似工程实施提供了一套完整的设计和施工方法。

[1]杨灿文，张强，石建华.池州长江公路大桥主通航桥设计[J].桥梁建设，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，孙飞.复杂地质条件下锁扣钢管桩深水围堰施工[J].铁道建筑技术，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]兰晴朋，何小村，王思龙，等.新型C-O型锁口钢管桩在围堰施工中的应用[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.深基坑锁口钢管桩围堰设计与施工[J].国防交通工程与技术，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.锁口钢管桩围堰在复杂地质条件下桥梁深基坑支护中的应用[J].交通标准化，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，建筑边坡工程技术规范[S]. GB 50330—2013,Technical code for building slope engineering [S].

[7]季英俊，孙仕辉，王宜钰.跨海大桥超厚淤泥层中深基坑CO锁口钢管桩围堰施工工艺[J].中国水运，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

尚龙（1985—），男，陕西咸阳人，工程师，土木工程专业。E-mail：shanglong62755546@126.com