安羅黃河特大橋組合鋼管樁圍堰設計與施工

陳泰旭，馮茂利，劉廷陽

（1.河南省黃河高速公路有限公司，河南 鄭州 451450；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

自從黨的十九大提出“建設美麗中國，為人民創造良好生產生活環境，為全球生態安全作出貢獻”以來[1]，交通運輸行業從材料生產到基礎建設、從規劃研究到項目落地運營，各個環節都要求落實“低碳環?！钡闹笜梭w系。2020年9月習近平主席在聯合國大會上提出我國的“雙碳”目標，也讓交通運輸行業建設領域的生態環保目標更加清晰明了，同時也更加堅定了在工程建設中推行環境保護和污染防治的決心。

近年來我國交通建設從技術到質量都得到了深入的發展，但在實際的施工過程中[2]，仍然會對施工現場及周邊的生態環境造成破壞，從而影響建筑工程項目的可持續發展。而生態環保理念下公路橋梁建筑施工技術的運用，進一步促進了我國公路橋梁施工建設的發展[3]。

1 工程概況

安陽至羅山高速公路原陽至鄭州段是河南省高速公路“13445工程”第一批切塊項目之一，起點位于新鄉市原陽境蘭原高速，跨越黃河濕地保護區，與連霍高速相交，順接安羅高速鄭州機場至周口西華段。項目全長約21.655公里，其中黃河特大橋15.223公里，用鋼量約23萬噸，斜拉橋主跨520米，是黃河上最長的公路橋梁，也是黃河上八車道最大跨徑斜拉橋以及內陸地區鋼結構用量最大的公路橋梁。

1.1 水文地質特征

項目黃河大橋位于黃河下游花園口～夾河灘河段，橋位距花園口斷面49.06 km，距夾河灘斷面41.92 km，該河段河流散亂，河道演變周期短，屬游蕩型河道，該地區水位特征如表1所示。橋位區地質條件：上部以第四系全新統沖積粉土、粉質黏土、細砂為主，局部夾粉砂，厚度約40～45 m；中部為第四系上更新統沖積細砂、粉土、粉質黏土層，厚度約30～35 m，局部夾中砂；下部為中更新統沖積細砂、粉質黏土和粉土層，局部夾中砂。項目水位特征情況如表1所示。

表1 水位特征情況Tab.1 Water level characteristics

1.2 存在問題

承臺施工是橋梁施工難點之一，常采用鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰等類型[4]。項目黃河特大橋施工過程中，存在地質條件較差、環保要求高、施工受限多等難點，相關圍堰類型選擇需要解決圍堰合龍困難、合龍準確度不足、后續承臺施工作業地下水滲漏等問題，并要保證在黃河汛期前完成圍堰及后續承臺的施工。

2 圍堰設計

2.1 圍堰尺寸及類型

主墩基礎：承臺為分離式八邊形承臺，單個承臺尺寸為35.6 m×32.1 m，兩承臺相距30.9 m，承臺厚6.0 m。封底混凝土采用C20。組合鋼管截面構造如圖1所示。

圖1 組合鋼管樁構造圖（單位：cm）Fig.1 Structural drawing of composite steel pipe pile （unit: cm）

本工程采用鋼管樁+鋼板樁組合圍堰對承臺范圍進行基坑支護，其中組合鋼管樁圍堰適合黃河砂質地層，較鋼板樁具有較好的結構強度，能夠有效解決地質條件復雜難題。合理布置內撐可有效解決后續承臺施工作業地下水滲漏問題，增強圍堰整體剛度和水平抗推強度，并且結構體系相對簡單，減少基坑暴露時間，能有效縮短承臺施工周期，節約成本[5]。圍堰鋼管樁采用φ820×14管樁，頂標高+81.50 m，底標高+56.5 m，長25.0 m，鋼板樁采用 SP-IVw型號，頂標高+81.50 m，底標高+57.5 m，長 24.0 m，圍堰設置三道支撐體系，標高分別為+79.50 m、+75.80 m、+72.60 m。首層圍檁使用2HN700×300型鋼，內支撐使用φ609×14鋼管。第二、三層圍檁采用3HN700×300 型鋼，內支撐采用φ800×16鋼管[6]，聯系撐采用φ426×6鋼管，封底混凝土厚度為0.5 m。

2.2 圍堰整體建模計算

采用MIDAS Civil有限元軟件建模，支護樁、圍檁、內支撐、聯系撐均用梁單元模擬，支護樁底部豎向約束[7]，被動土壓力以僅受壓土彈簧模擬，圍檁和鋼管樁間用僅受壓彈簧模擬，內支撐和圍檁間共節點[8]，內支撐和聯系撐之間采用鉸接模擬，在牛腿處約束豎向位移模擬對圍檁的支撐作用。圍堰整體計算模型如圖2所示。

圖2 圍堰整體計算模型Fig.2 Integral calculation model of cofferdam

圍堰各施工階段構件應力位移計算結果如表2所示。

表2 圍堰應力及位移計算結果Tab.2 Calculation results of cofferdam stress and displacement

支護樁的強度：

σmax=249 MPa＜f=305 MPa

圍檁的強度：

σmax=288 MPa＜f=295 MPa

τmax=85 MPa＜f=175 MPa

內支撐的強度：

σmax=153 MPa＜f=305 MPa

聯系撐的強度：

σmax=136 MPa＜f=215 MPa

聯系撐的強度：

σmax=136 MPa＜f=215 MPa

鋼管樁剛度：

δmax=72 mm＜min（0.01 h，80）=80 mm

通過計算，滿足規范要求。

2.3 內支撐計算

《鋼結構設計標準》規定，雙向壓彎圓管的整體穩定按下述公式計算：

式中：N為軸心壓力設計值；φ為軸心受壓構件的整體穩定系數；A為截面面積；β為計算雙向壓彎整體穩定時采用的等效彎矩系數；M為計算雙向壓彎圓管構件整體穩定時采用的彎矩值；分別為構件A端關于x軸、y軸的彎矩和構件B端關于x軸、y軸的彎矩；γm為圓形構件的截面塑性發展系數，滿足 S3 要求時取1.15，不滿足時取1.0，W為截面模量；N'EX為參數，

（1）φ609×14內支撐穩定性計算：

φ609×14內支撐最不利內力：

軸力N=1 696 kN 彎矩M=270 kN，

φ609×14內支撐穩定性計算如下：

A=26 170 mm2，W=3 805 326 mm3，

計算長度l0=μl=19.407m，λ=l0/i=92.3

穩定系數=0.610

故φ609×14內支撐穩定性均滿足要求。

（2）φ800×16內支撐穩定性計算：

φ800×16內支撐最不利內力：

軸力N=5 178 kN 彎矩M=327 kN，

φ800×16內支撐穩定性計算如下：

A=39 408 mm2，W=7 572 667 mm3，

計算長度l0=μl=19.407m，λ=l0/i=70

穩定系數 =0.751

故φ800×16內支撐穩定性均滿足要求。

3 鋼管樁+鋼板樁組合圍堰施工方法

3.1 施工整體思路

采取兩個承臺獨立施工。人材機等通過主棧橋進入施工現場進行施工作業。鋼筋由北岸鋼筋加工廠制作并配送至作業面綁扎，承臺內部預埋冷卻水管。95#主墩上下游承臺采用鋼管、板樁組合圍堰支護施工，基坑開挖采用挖機配合料斗施工，自卸車外運，井點降水采用無砂混凝土管，模板采用定型鋼?，F場組拼，混凝土運輸車運輸混凝土，采用天泵進行混凝土澆筑，使用振搗棒搗固密實，承臺進行分層澆筑，每次澆筑2 m，共6 m。承臺外部用土工布灑水養生，內部采取循環水進行溫度控制，養生期不低于兩周。為保證鎖口鋼管樁平面位置和傾斜度，提前設導向裝置進行定位、引導，采用“履帶吊 + 振動錘”的方法按序插打[9]。主要工藝流程為：施工準備→拆除鉆孔平臺→組合樁插打→分層開挖→分層安裝圍檁→墊層施工→第一、二層承臺澆筑→支墩施工→T1節段吊裝→第三層承臺澆筑。

3.2 施工準備

搭建施工測量控制網，計算承臺軸線點、角點和特征點三維坐標。針對大體積混凝土進行專項溫控設計，布置33個測溫點，測溫線沿角鋼布置，選取承臺混凝土垂直中位面的1/4塊布置測點，建立具備數據收集分析、智能預警、遠程監控等功能的一體化智能溫控系統，大幅降低混凝土開裂風險。

3.3 鋼圍堰加工

3.3.1 鋼管（板）樁加工

組合鋼管樁圍堰主要分為四個部分：鋼管（板）樁、圍檁、內支撐及聯系撐。本項目圍堰鋼管樁材質用Q345B，由后場加工完成，工程鋼管樁長25 m。鋼板樁采用SY295材質，長24 m。鋼板樁選用15 m +9 m的組合形式，鋼管樁選用15 m+10 m組合形式。由后場制作構件后，使用運輸車輛運到作業面，在平臺上進行對接。鋼管樁采用熱軋C9型鎖扣沿管樁軸線進行焊接，C9型鎖扣與鋼管樁焊接時[10]，為避免鎖扣焊接過程中發生變形和旁彎，采用點焊方式將鎖扣進行定位，并先后采用間斷焊及對向焊接工藝沿軸線將鎖扣焊接固定。焊件對接前將接縫處和內、外面30 mm內雜物進行清理，鋼管對接組對時內壁應平順，避免錯臺（內壁錯邊量≤管壁厚的10%且≤2 mm），對接前先打設坡口，采用焊接限位鋼板來實現鋼管對接的精確度[11]。在對接完成后分段滿焊固定，數量≥3條，長度應＞15 mm。樁接長前，須復核法線，保證其法線一致，方能焊接作業。鋼管樁鎖扣制作示意圖見3。

圖3 鋼管樁鎖扣制作示意Fig.3 Fabrication diagram of steel pipe pile lock catch

3.3.2 圍檁、內支撐、聯系撐加工

圍檁長度為37.2 m及35.1 m，為便于施工，對其進行分段。根據分段進行圍檁加工，并注意加勁板及連接板的焊接，同時錯開接頭。

內支撐及聯系撐采用鋼管進行加工，內支撐規格為Φ609×14及Φ800×16，聯系撐規格為Φ426×6。內支撐及聯系梁具體尺寸待圍檁安裝完成后，根據現場量測尺寸，在后場進行加工，并標明位置，加工過程中，注意相貫線的切割。

3.3.3 吊裝及運輸

選用兩點吊裝法，兩個起吊點設在距鋼板樁兩端1/4處，單次吊裝控制在3根內。吊運使用成捆和單根起吊，成捆起吊使用鋼絲繩或吊帶捆扎，單根起吊使用專業吊具。在鋼管樁對接后，每根對接鋼管樁上各預先焊接1個吊裝環，作吊裝使用。鋼板樁、鋼管樁及圍檁在后場進行加工后，通過平板車運輸。

3.4 組合樁插打

3.4.1 導向架安裝

導向架分為兩種，第一種為導向樁及導梁形式，通過插打導向樁定位導梁，從而起到導向作用，第二種為托架加導梁形式，采用在鋼管樁上焊接托梁，在托架上固定導梁，從而起到導向作用。

導向樁導向架：導向裝置采用H488型鋼作為導向樁及導梁，導向樁水平間距6 m（具體根據現場可適當調整），樁長11.2 m，打入地層深度6 m。導梁共設兩層，第一層導梁與地面平齊，另一層導梁位于地面以上4 m處。鋼管樁插打起始階段（起始12 m），采用雙側導向架，為方便鋼管樁能順利插入導向框架，兩側導向架間凈間距較鋼管樁直徑820 mm大20 mm，即840 mm；后續階段則使用單側導向架進行施工。導向樁上設置安全繩孔，施工時安裝安全繩。

托梁導向裝置：在作業平臺鋼管樁及臨時護筒上焊接牛腿作為導向裝置支撐定位點，牛腿材料為H488。通過牛腿精確測位，焊接固定鋼板樁導向架。

3.4.2 施打方法

使用135 t履帶吊和EP200型振動錘施打，鋼管樁及鋼板樁交錯插打。采用履帶吊機主鉤起吊鋼管樁或者拉森鋼板樁，隨后主鉤持續升至鋼管樁或者拉森鋼板樁垂直，將鋼管樁或拉森鋼板樁先臨時豎向擱置在樁基護筒中。待鋼管（板）樁插打時，履帶吊再吊起振動錘依次在附近樁基護筒中夾起臨時放置的鋼管（板）樁，依靠導向架緩慢放下，待樁入土自穩后，再檢查一次樁身垂直度及平面位置，達到標準后開始施打。

首根樁選擇鎖扣鋼管樁，打至距標高上6 m時暫停施打，打入第二根鋼板樁距標高上6 m，依次類推，鎖扣鋼管樁與鋼板樁交替進行施打。在單根導向梁范圍內樁施工完成后，將鎖扣鋼管樁與鋼板樁插打至設計標高。嚴控首根樁施工質量，隨后每15～20根需檢查一次，保證樁體豎直度控制在 1%L內。圍堰合龍前，最后5根樁，要注意對缺口寬度進行量測，配置尺寸吻合的鋼管樁及鋼板樁材料，以順利合龍。

4 結語

組合鋼管樁圍堰鋼管、鋼板樁加工方便，相對純鋼管樁，組合鋼板重量輕，截面剛度大，抗彎性、抗滲性好，施工作業快，對施工機械要求低，鎖扣止水效果好，拆除容易，適用于黃河流域地質條件下的承臺施工，可最大限度加快施工進度，為黃河汛期前完成圍堰及后續承臺施工提供了有利條件，也為今后相似工程條件下的圍堰設計與施工提供了借鑒經驗。