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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
Abstract: combining with engineering case, first introduces lock mouth steel pipe pile cofferdam working principle, this paper analyzes the design requirements specification cofferdam, detailed introduction steel pipe piles construction technology and method cofferdam measures.
Keywords: bridge engineering; Steel pipe pile; Cofferdam; Design; construction
中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：
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，應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
5. 7 钢管桩拔除
待围堰内结构物施工完毕后，回填围堰基坑，接着拔除钢管桩围堰。钢管桩拔除办法为: 先用振动锤夹住钢管桩头部振动1～2 min，使钢管桩周围的土松动，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。拔桩时注意吊车的负荷情况，供振动锤使用的电源应为振动锤本身电动机额定功率的 1. 2～2. 0 倍; 对于引拔阻力较大的钢管桩，应采用间歇振动的方法，每次振动15min，振动锤连续工作时间≯1.5 h。发现上拔困难或拔不上来时，应停止拔桩，可往下施打少许，再往上拔，如此反复可将桩拔出。
6 结语
本大桥5#、6#主墩承台施工中，采用锁口钢管桩围堰技术取得了良好的社会效益及经济效益。锁口钢管桩围堰施工采用现成的钢管、型钢，材料用量省，现场加工量小，施工成本低。钢管桩自身有较强的强度，因此围堰结构设计简单，受力明确，便于进行受力分析和施工管理。施工工序明了，有利于施工质量和安全控制。
参考文献
［1］GB 50017 －2003，钢结构设计规范［S］．
［2］周水兴，何兆益，等． 路桥施工计算手册［M］． 北京: 人民交通出版社，2010．
［3］交通部第一公路工程总公司． 桥涵［M］． 北京: 人民交通出版社，2000．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 桥梁工程；钢管桩;围堰; 设计; 施工
Abstract: combining with engineering case, first introduces lock mouth steel pipe pile cofferdam working principle, this paper analyzes the design requirements specification cofferdam, detailed introduction steel pipe piles construction technology and method cofferdam measures.
Keywords: bridge engineering; Steel pipe pile; Cofferdam; Design; construction
中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：
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，應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
5. 7 钢管桩拔除
待围堰内结构物施工完毕后，回填围堰基坑，接着拔除钢管桩围堰。钢管桩拔除办法为: 先用振动锤夹住钢管桩头部振动1～2 min，使钢管桩周围的土松动，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。拔桩时注意吊车的负荷情况，供振动锤使用的电源应为振动锤本身电动机额定功率的 1. 2～2. 0 倍; 对于引拔阻力较大的钢管桩，应采用间歇振动的方法，每次振动15min，振动锤连续工作时间≯1.5 h。发现上拔困难或拔不上来时，应停止拔桩，可往下施打少许，再往上拔，如此反复可将桩拔出。
6 结语
本大桥5#、6#主墩承台施工中，采用锁口钢管桩围堰技术取得了良好的社会效益及经济效益。锁口钢管桩围堰施工采用现成的钢管、型钢，材料用量省，现场加工量小，施工成本低。钢管桩自身有较强的强度，因此围堰结构设计简单，受力明确，便于进行受力分析和施工管理。施工工序明了，有利于施工质量和安全控制。
参考文献
［1］GB 50017 －2003，钢结构设计规范［S］．
［2］周水兴，何兆益，等． 路桥施工计算手册［M］． 北京: 人民交通出版社，2010．
［3］交通部第一公路工程总公司． 桥涵［M］． 北京: 人民交通出版社，2000．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。