大桥锁口钢管桩围堰

大桥工程

锁口钢管桩围堰方案

1 前言

锁口管桩于上世纪五十年代中期在我国做过应用试验，并曾应用于水库大坝防渗墙基础中，达到了防渗要求。受制造工艺要求高和当时国家钢材缺乏等因素限制，此技术的推广受到一定制约。随着我国科学技术水平的进步以及经济的迅猛发展，该技术将得到广泛的应用和推广。

根据薄山湖水库施工现场水文、地质及周边环境，通过技术攻关确定引水洞施工采用锁口钢管桩围堰施工，解决深水施工的技术难题并形成工法。

2 工法特点

2.1施工速度快，制作、加工、安装下沉方便灵活，工艺简单，所需设备少。

2.2截面强度、刚度大，支撑简单方便，具有可靠的结构稳定性和作业方便性。

2.3 设备式投入，可重复利用，经济、实用。 3 适用范围

本工法适用于各种复杂地质、地层，比如水下地层有障碍、密集孤石、片石堆积等深水基础的施工。 4 工艺原理

锁口钢管桩围堰的主要结构是支护钢管桩、锁口、水平支撑和封底混凝土。围堰主要是靠精密加工的锁口和在锁口处填充石灰到止水效果。通过锁口钢管安装下沉、混凝土封底、抽水、承台施工四个阶段来实现大型桥梁深水桩基承台等作业的无水施工。 5 施工工艺

5.1锁口钢管桩围堰布置

1

5.2.1围堰结构平面布置要与钻孔桩护筒及管柱的布置相配合，使得围堰施工简单化为原则。

5.2.2围堰结构立面布置根据库区水位确定，围堰顶面标高应高出最高水位0.5m。

5.3 施工控制要点 5.3.1围堰拼装

钢管桩和锁口所用钢材必须满足设计要求，符合相关规定。锁口处构件必须严格按设计尺寸下料，焊接需满焊。 5.3.2围堰下沉

在钻孔灌注桩施工平台周边安装导向架。设上、下两层，严格控制钢管桩的倾斜度。在导向架上按理论尺寸放线定出各桩的位置，用D90震动锤下沉至设计标高。

5.3.3围堰外支撑

主桥R16#墩、R17#墩围堰水平设置1道外围囹，1道内围囹，均设置于桩顶下2米处，采用I40b工字钢作为围囹。围囹安装时应用牛腿支撑，并固定牢靠，防止围囹脱落。 5.3.4锁口封水

锁口内射水冲洗后充填石灰。防止碎石和硬土进入锁口，在管桩下插前于锁口槽口下端先焊挡板。施工过程中，严格控制石灰填缝的密实性，使围堰达到最佳止水效果。 5.3.5围堰内回填

围堰内采用泥沙回填至设计封底混凝土底面标高处。 5.3.6水下混凝土封底

2

混凝土封底时应根据封底面积和水下混凝土的流动坡度确定多点布设封底导管位。灌注混凝土时，必须协调统一，使混凝土在围堰内的增长高度要基本一致。封底混凝土的测量要及时准确，防止混凝土洗澡或局部未灌注到混凝土达不到止水效果。 5.3.7承台混凝土浇筑

待封底混凝土强度达到90%设计强度以上方可抽除围堰内积水，凿除桩头，检测合格后灌注承台钢筋混凝土。承台混凝土分两次浇注。 5.3.8钢管桩拔除

用震动打桩机震松锁口的浆体后，再将钢管桩拔出。 5.4 劳动组织

施工需要配备专门施工人员，并建立健全各工种的岗位责任制度，使各项工作在每个岗位上得到落实，以提高工作功效，保证施工质量和安全。劳动组织见表5.5-1:

劳动组织

序号 1 2 3 4 5 6 7

工 种 工长 装吊工 电焊工 电工 测工 普工 安全员

职 称 持 证 持 证 持 证 持 证 持 证 － 持 证

定员/人 1 6 15 1 3 2 1

工作内容

负责现场施工、指挥 负责钢管桩吊装 负责焊接 负责现场用电

负责测量标高、记录、检查

负责施工现场安全

6 机械设备

锁口钢管桩施工所需主要机械设备见下表。

主要机械设备

序号 1 2

名 称 汽车吊 履带吊

规 格 25t 50t

数 量 1 1

单 位 台 台

备 注

3

3 4 5 6 7 8 9

注浆机 振动锤 水泵 水泵 电焊机 等离子切割机 全站仪

6m3 D60型 8BA-12 4BA-6 500A TCR1201

2 1 3 2 6 4 1

台 台 台 台 台 台 台

7 质量控制 7.1质量检验标准

7.1.1《城镇道路桥梁施工规范》

7.1.2《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000) 7.1.3《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002） 7.1.4《建筑钢结构焊接规程》

7.1.5《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205-2001 ） 7.1.6《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2002） 7.2质量保证措施

7.2.1建立质量责任制度，将质量与效益挂钩，健全质量管理机构和质量保证体系。加强专业技能培训，人员必须经考核合格后持证上岗。

7.2.2构件钢料、焊条、焊丝、焊剂等主要材料必须符合设计文件和现行标准要求并有出厂合格证，必要时应作力学、化学及可焊性试验。围堰钢构件的焊接要求、焊缝检查必须满足规范要求，焊缝处应做水密检查。不合格应复焊，直至合格后方可使用。

7.2.3为保证插桩顺利合拢，要求桩身垂直，并且围堰周边的桩数要均分。为保证桩身垂直，于第一组桩设固定于围堰支撑上的导向架，顺导向架下插，使第一组桩桩身垂直。在施工中加强测量工作，发现倾斜，及时调整，使每组桩在顺围堰周边方向及其垂直方向的倾斜度均不大于5‰。

4

7.2.4在使用拼接接长的钢管桩时，钢管桩的拼接接头不能在围堰的同一断面上，相邻桩的接头上下错开至少2m。在组拼钢管桩时要预先配桩，在运输、存放时，按插桩顺利堆码，插桩时按规定的顺序吊插。

7.2.5对围堰内回填要全过程监控支护结构的变形，变形超限时停止回填，待查明原因并处理后方可继续回填。

7.2.6承台施工前要与当地气象部门密切联系，及时了解天气情况。封底必须按作业指导书和安全操作规程施工，做到围堰安装准确，封底砼质量有保证。

8 安全措施 8.1执行标准

8.1.1《建筑施工安全检查标准》（JGJ59-99） 8.1.2《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2001） 8.1.3《建筑安装工人安全技术操作规程》

8.1.4《建筑现场临时用电安全技术规程》（JGJ46-2005） 8.2安全控制措施

8.2.1所有进入施工现场的人员，必须佩戴安全帽，禁止非施工人员进入施工现场。

8.2.2水上作业操作人员必须穿救生衣、系安全带，采取重罚措施杜绝出现违归操作，确保施工安全。

8.2.3围堰施工前，应制定详细的施工方案和安全操作细则,并向全体施工人员进行安全技术交底。

8.2.4设专人负责日常检查和养护工作，在施工过程中设专人指挥，避免人多时乱指挥，出现安全事故。

5

8.2.5项目安质部相关负责人员在围堰施工过程中要与技术部门紧密配合，必须做到24h监控。

8.2.6拔桩时要先震动1～2min，再慢慢启动振动桩锤拔桩。在有松动后再边震边拔，防止蛮干。

9 环保措施

9.1严格遵守国家和地方政府部门颁发的环境管理法律、法规和有关规定，对产生噪音的设备采取合理布局，加强设备润滑和维护保养工作，并严格执行相应作业指导书和设备检点规程，以减轻噪音对周围生活环境的影响，同时尽可能避免夜间施工。

9.2整个施工过程中，全面运行ISO14001环境保护体系标准，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段。

9.3将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。

9.4固体废弃物按不同性质和类别分开存放，主要分为危险、不可回收利用固体废弃物、可回收利用固体废弃物、生活和办公垃圾等。

9.5施工所产生的钻渣和废弃泥浆送到指定的位置，防止对周围环境进行破坏和污染。水泥、膨润土等掺和料，应安全堆放，妥善遮盖，不得掉入江中。砼水上拌和站的废水，采取集中装运至岸上基地，经净化处理后进行排放。

9.6交通船舶、施工机械产生的废油料及润滑油等，必须集中收集运至岸上业主指定的弃土场深埋，生产用油料必须严格保管，防止泄漏，污染河水。

附件：锁口钢管桩设计

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1 设计依据及主要参考资料

（1）设计图纸及相关设计参数；

（2）《钢结构设计规范》 GB 50017-2003； （3）《钢结构设计手册》第三版；

（4）《公路桥涵地基基础设计规范》JTG D63-2007； （5）《路桥施工计算手册》； （6）《简明施工计算手册》。

2 检算内容

2.1 锁口钢管桩围堰结构检算

各施工工况下，锁口钢管桩围堰结构的验算。 2.2 围堰整体稳定性检算

围堰内抽水至承台底时，对围堰整体进行抗浮验算。

3施工顺序

3.1插打锁口钢管桩。

3.2围堰内水位保持与围堰外水位一致，回填砂砾石至标高-0.5m（封底砼底面标高）。

3.3水下浇注封底混凝土，其顶标高控制在0.5m处。

3.4封底混凝土达到规定强度后，抽净围堰内的水，清理补平封底混凝土顶面。

3.5凿除桩头预留混凝土，分2层进行承台施工。

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3.6完成全部承台混凝土施工，拆内、外支撑，拔除钢管桩。

4锁口钢管桩设计参数

根据《龙海市龙江大桥工程地质勘察报告》，15#墩承台上游侧(勘探孔编号：ZK7)河床面标高-7.17m,河床面以下为淤泥层，厚3.80m，下伏中砂层顶面标高-10.97m，中砂层厚3.3m；承台中央(勘探孔编号：BZK4)河床面标高-6.64m，河床面以下为淤泥层，厚2.5m，下伏中砂层顶面标高-9.14m，中砂层厚度14.0m；承台下游侧（勘探孔编号：ZK6)河床面标高-7.21m，河床面以下为淤泥层，厚4.8m，下伏中砂层顶面标高-12.01m，中砂层厚9.8m。钢管桩顶面与钢平台顶面标高基本一致，顶面标高为6.0m。钢管桩围堰内侧距离承台边沿1.5m。 16#墩承台上游侧(勘探孔编号：CZK6)河床面标高-4.02m,河床面以下为淤泥层，厚2.90m，下伏中砂层顶面标高-6.92m；承台中央(勘探孔编号：ZK8)河床面标高-2.83m,河床面以下为抛石，厚1.20m，下伏中砂层顶面标高-4.03m；承台下游侧（勘探孔编号：CZK5)河床面标高-6.00m,河床面以下为淤泥层，厚5.55m，下伏中砂层顶面标高-11.55m，钢管桩顶面与钢平台顶面标高基本一致，顶面标高为6.0m。钢管桩围堰内侧距离承台边沿1.5m。

围堰采用锁口钢管桩形式，钢管桩为φ530mm×8mm钢管和φ160mm×8mm焊接组合、φ530mm×8mm钢管和I14工字钢焊接组合形成锁口。围堰尺寸定36.93m×21.56m，围堰内外各设置2道围囹，围囹为工字钢I45b双拼，钢管桩共130根。围堰施工时，设计水位为4.77m，设计水流速度2.0m/s。围堰拼装完成后，围堰内回填砂砾至高程-2.0m，并进行水下混凝土封底。

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锁口钢管桩围堰平面图

锁口钢管桩围堰剖面图

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围堰平面细部布置图

5单根钢管桩入土深度

根据 大桥R16#墩、R17#墩河床面高程，河床面以下地质情况，初步拟定南岸R16#墩锁口钢管桩入土深度5m，其中粗中砂层5m；R17#墩入土5m，其中粗中砂层5m。初步拟定钢管桩入土深度后，进行锁扣钢管桩内外土压力验算，通过试算，最后确定锁口钢管桩的最终入土深度。

6 计算工况

通过对以上施工阶段的分析，确定阶段3施工时，水位处于最低水位3.0m；阶段4施工时，水位处于最高水位5.0m，分别构成2个最不利工况进行验算。 6.1 工况一

工况一：钢管桩在第3个施工阶段，钢管桩已按设计插打到位，并回填砂砾石至封底混凝土底面标高位置，然后开始浇筑封底混凝土，浇筑封底混凝土

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时，围堰内水位与围堰外水位保持一致，验算时，水位处于最低水位3.0m标高处。

6.1.1 R16#墩钢管桩入土深度计算

单根桩上端为简支，下端为固定支撑，钢管桩入土深度的计算采用等值梁法，即将土压力为零的深度处近似视为钢管桩地下部分的反弯点（正负弯矩转折点位置）,该点以上部分钢管桩内力与该点作为固定支撑,各支撑点简化多跨连续梁的内力是等值的。钢管桩受力如下图所示，假定钢管桩上反弯点位于河床面以下y处，则有：

2KaH190.3333.05y==0.38m 1Kpi2Ka=193.0190.333式中：γ1，γ2------坑内外土粗重砂层容重，取19KN/m3

H------------基坑开挖深度，在本项目中为基坑回填后与河床面

高差，其中封底混凝土浇筑厚度1.0m，折算为回填砂厚度1.32m，回填砂厚度1.73m，合计3.05m。

Ka------------主动土压力系数，Ka=tg(450-φ/2),φ取300； Kp-----------被动土压力系数，Kp=tg(450+φ/2)，φ取300；

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等值梁法计算简图

等值梁法计算弯矩图

等值梁法计算剪力图

由剪力图可得QB=8.83KN，则： x=

68.836QB==1.02m 193.0190.3331Kpi2Ka 12

钢管桩最小入土深度t=y+x=1.2×（0.38+1.02）=1.68m（取2.0m); 6.1.3 支撑系统计算 6.1.3.1围檩

本工程为单层围檩，围檩所受荷载q=1.08KN，即单根钢管桩对外围檩荷载为1.08KN。

6.1.4单根锁口钢管桩稳定性判断

Mp=0.5γKpt2(7.73+t)=0.5×19×3.0×22×(7.73+2)=1109KN.m; Ma=0.5γKaH2(6+H)=0.5×19×0.333×3.052×(6.0+3.05)=266KN.m; KQ=

MMpa=

1109266=4.2〉1.2；

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）第4.1.1点，可判断单根钢管桩处于稳定状态，钢管桩入土深度可满足要求。

6.1.2.5锁口钢管桩围堰基底抗隆起稳定性分析及抗管涌验算

由于锁口钢管桩围堰内需回填砂砾，围堰内基底比河床面高，封底混凝土采用水下混凝土浇筑，所以围堰基底抗隆起及抗管涌可不必另作验算。 6.2工况二

封底混凝土达到规定强度后，抽净围堰内的水，清理补平封底混凝土顶面。此时，围堰外水位标高5.0m，围堰内封底混凝土顶面标高0.5m。 6.2.1迎水面水压力计算 6.2.1.1 静水压力计算

P静=γh=10×（5.0-0.5）=45.0KPa；

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静水压力合力作用在封底混凝土顶面以上1.5m位置，单根钢管合力F= P

静

×h÷2=45.0×（5.0-0.5）×0.53÷2=53.7KN。

6.2.1.2 流水压力计算

kAV2 P动

2g其中：P-为流水压力

——为水的容重，10KN/m3; V——为流速,v＝2.33m/s;

g——为自由落体加速度g＝10m/s2； k——为阻水形状系数，取K＝0.73。 流水压力作用在封底混凝土顶面1.5m位置

20.734.50.53102.334.73KN水流力：P 动2106.2.2钢管应力及变形计算

单根钢管桩截面特性：A=3.14×0.63×0.63/4-3.14×0.47×0.47/4=0.138m2； W=3.14×（0.3154-0.2354）/4=0.01694m3； I=I=

3.143.14×(D4-d4)=×(0.634-0.014)=0.007728796m4； 6464迎水面水压力P= P静+ P动=53.7+4.73=58.43KN； 迎水面水压力弯矩=53.7×1.5+4.73×1.5=87.6KN.m σ=M/W=87.6/0.01694=5.17MPa＜170MPa，满足要求； τ=P/A=58.43/0.138=0.42MPa＜170MPa，满足要求；

7、围堰整体稳定性检算

围堰内抽水至承台底时，对围堰进行抗浮验算。 7.1 R16#墩围堰抗浮，按工况三检算

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计算项目 浮力计算水头差h 围堰总计算浮力F总＝A*h=246*h 围堰封底砼重量G1 围堰钢管桩桩侧摩阻力τ 围堰重量G2 护筒外壁与封底混凝土粘结力G3＝桩数量未知 护筒内壁与桩身粘结力G4＝桩数量未知 抗浮总稳定荷载∑G1 抗浮总稳定荷载∑G2 钢护筒与封底混凝土抗浮稳定系数K＝∑G1/F总 钢护筒与桩的抗浮稳定系数K＝∑G2/F总

检算水位+5.0m 5.5m 1353t 615t 2562t 107t t t t t ，满足 ，满足 15