锁口钢套箱围堰运用于深水基础的可行性研究与探讨
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【摘要】在目前深水基础施工当中，绝大多数技术方案采用单/双壁钢套箱或钢吊箱围堰。单/双壁钢围堰确实有技术成熟、可靠性高等优点，却也有着一定的限制，围堰浮运拼装对河流的通航和净高均有一定要求。本文对组合式截面围堰-锁口钢套箱围堰在深水基础施工中应用性进行探讨研究。
【关键词】深水基础 锁口钢套箱 组合截面 围堰插打
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
一、工程概况
武汉鹦鹉洲长江大桥2#墩为悬索桥的中主塔墩，其下部结构基础为39根φ2.8m钻孔灌注桩，承台截面为圆端矩形，顺桥向尺寸34.0m，横桥向尺寸70.0m，主墩布置见“图1-12＃墩基础布置图”
图1-1 2#墩基础布置图
图1-2 2#中塔地质断面图
墩位处覆盖层厚16.2～19.8m，上部为①2层新近沉积松散状粉细中砂（厚度6.7～10.0m），下部为②3层稍密～中密状粉砂（厚度6.2～12.4 m）。
下伏基岩为二叠系下统孤峰组（P1g）生物碎屑灰岩，岩面高程-10.1～-12.8m。岩体较完整，岩质硬，强弱风化带不发育。该岩层天然抗压强度为54.60mpa～115.3mpa。
二、钢围堰结构布置
锁口钢套箱围堰由钢管主体、侧板、加劲板、阴阳锁口和止水口等部分组成，锁口式钢套箱围堰与传统钢套箱围堰所不同的是：现场安装时侧板的连接是通过锁口，而不是通过螺栓连接。
锁口钢套箱围堰总体布置见：图2-1 锁口钢套箱围堰平面图。
图2-1 锁口钢套箱围堰平面图
钢套箱围堰单片由Φ150cm钢管桩外侧贴厚度为1cm钢板组成，从而形成四方形，钢管桩与外侧板设加劲肋，沿钢管桩高度方向每40cm布置一层。四方形围堰体两侧均安装锁口。
锁口式套箱围堰设计的关键部位是侧板的锁口。锁口的刚度、强度、止水功能及施工便捷程度是成功与否的关键。锁口钢套箱围堰采用双子母扣锁口结构，锁口选用Φ300mm 、Φ36mm两种型号的无缝钢管，子母扣结构见 图2-2 子母扣结构平面图；图2-3 子母扣连接示意图。为了便于锁口钢套箱围堰的插打施工，锁口子母扣之间间隙设置为2cm，因此锁口的封水能力不高，设计上也未要求两单片锁口钢套箱围堰侧板紧密连接。围堰的封水依靠图中阴影部分的封水填充区 ,采用导管法灌筑水下絮凝砂浆。施工中,通过锁口可以对侧板的垂直度、 平面位置进行调整。
图2-2 子母扣结构平面图
图2-3 子母扣连接示意图
为保证在施工中锁口钢套箱围堰底部稳定，对围堰底部进行加强，拟定在锁口钢套箱Φ150cm钢管桩内进行钻孔灌注桩施工，桩径采用120cm，桩长布置为15m，其中10m桩长嵌入弱风化岩层中。
钻孔桩间隔布置，即每隔一片锁口钢套箱布置一根钻孔桩。围堰共需78片锁口钢套箱，39根管桩内钻孔桩。
三、设计计算分析
设计计算标准：
设计施工最高水位：+24.0m；
设计流速：2.0m/s；
1.主要计算工况的选定
锁口钢套箱围堰施工的主要计算工况选择。
(1)锁口钢套箱插打阶段，受水流冲击力等影响，单片锁口钢套箱围堰的稳定。
(2)锁口钢套箱围堰插打完成后，围堰内清淤阶段，围堰内清淤降低围堰内土压力，形成围堰内外较大土压力差，检验此阶段围堰，特别的底部的稳定性。
(3)完成围堰插打和钢护筒内钻孔后，围堰内抽水，围堰内外最大水头差阶段，检验围堰的整体稳定。
主要计算工况的划分和设计条件见 图3-1 3-2 3-3锁口钢套箱围堰计算工况。
图3-1锁口钢套箱围堰计算工况一
图3-2锁口钢套箱围堰计算工况二
图3-3锁口钢套箱围堰计算工况三
2.进行模型建立
依据计算，最大弯矩及应力出现在第二工况阶段，第二工况结算计算如下：
(2)工况二：围堰内清土至基底后单桩稳定
进行围堰内清理基底开挖后，管桩受到主动土压力、动水压力，被动土压力还是按土弹簧模拟，
此时土层还有一层，m=12.88。在清理前先进行围堰顶内撑施工。
模型计算如下
桩底最大支反力为F=7995 KN参照桩底剪力对管桩内钻孔桩进行配筋。
底最大弯矩为M=1943 KNm 参照此弯矩进行桩底配筋及计算入岩深度。
最大变形为21.3mm 对于临时围护是可以接受的变形。
最大弯矩M=1943 KNm 位置为桩底，参照此弯矩对基底嵌固桩配筋计算及入岩深度计算。
最大应力位于基底 71 MPa
3.围堰抗浮力计算
钢围堰面积约2836平方米，按设防水位+24.0m，基底面高程-5.5m计，围堰最大浮力为8.366万吨。钢围堰自重4842t；封底混凝土14558.4m3，重3.49万吨。
钢护筒与封底混凝土接触面粘结力：
2#墩桩基采用Φ300cm钢护筒，单根钢护筒与封底混凝土接触面为61.26m2,2#墩共39根桩基，接触面共2389.2m2,粘结力取值15t/m2，即全部钢护筒与封底混凝土粘结力为3.583万吨。
钢管桩内钻孔桩摩阻力：钢管桩内采用Φ120cm直径钻孔桩，桩长设计为15m，嵌入岩层10m，桩基础与岩层摩阻力取值25t/ m2，管桩内钻孔桩产生摩阻力3.67万吨。
锁口钢套箱钢管桩内注水，注水重量为4066.2t
围堰的抗浮力为：钢围堰自重0.483万吨+封底混凝土自重3.49万吨+封底混凝土与钢护筒粘结力3.583万吨+钢管桩内钻孔桩产生摩阻力3.67万吨+管桩内填充水0.406万吨=11.632万吨。围堰抗浮力大于围堰排水量8.366万吨，抗浮力系数达1.39。围堰不会上浮。
四、施工方案
1.施工方案简述
完成钻孔桩的施工后，拆除施工作业平台上部分辅助设置，搭设锁口钢套箱围堰插打施工作业平台，插打导向定位桩，第一道支撑的内围囹首先布置好，内围囹由截面为50cm×100cm的钢箱梁构成，沿着内围囹逐片插打锁口钢套箱围堰。插打的顺序先从上游至下游，在下游处合拢。
锁口钢套箱插打深度由进入弱风化生物碎屑岩为准，插打的位置、倾斜度均应符合设计要求。
完成全部78片锁口钢套箱围堰插打后，布置完成第一道围堰内撑，安排冲击钻机在锁口钢套箱围堰的Φ150cm钢管桩中进行钻孔，钻孔桩的深度为岩层以上5m至嵌入弱风化岩层10m，钻孔桩有效桩长约为15m，完成钻孔后，按照钻孔桩的要求，下放钢筋笼，采用垂直导管法进行水下混凝土灌注。
全部锁口钢套箱的钢管桩不采用逐桩钻孔，而是每两片锁口钢套箱设置一个钻孔桩，间隔一片，均匀布置。
五、锁口钢套箱围堰初步研究结论
与常规的单/双壁钢套箱、钢吊箱围堰相比较。
优点 缺点
1.避开了双壁钢围堰浮运方案中围堰浮运施工，避免了围堰定位锚锭系统的工序；不需要大面积占用航道；不受2#墩河底防护的影响。 1. 锁口钢套箱围堰制作钢材用量较大，与双壁钢围堰方案的钢材用量相当。
2.与双壁钢套箱围堰整体下水浮运不同，锁口钢套箱围堰为单片锁口套箱插打，施工较为便利。 2. 施工中需要进行两次钻孔桩施工：桥梁桩基和围堰底部加强桩基。两次钻孔桩施工均要布置作业平台，工序较多，材料用量较多。
3.可以克服和规避河床面高差对施工带来的不利影响。 3. 此施工方案尚未有过施工实例，没有施工经验可借鉴。
4.锁口钢套箱围堰所制作的材料均为施工常用材料，完成施工后，易于周转、回收再利用。
【参考文献】： [1] JTJ041-2000《公路桥涵施工技术规范》
[2] GB50017-2003《钢结构设计规范》
[3] JTJ215-98 《港口工程荷载规范》
[4] JTJ 213-98 《海港水文规范》
[5] 陈绍蕃《钢结构设计原理》
[6] 华孝良 徐光辉 《桥梁结构非线性分析》