CN108442395A - 锁扣钢管桩围堰施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锁扣钢管桩围堰施工方法通过寻找弯矩平衡点，计算入岩深度，同时满足材料受力在安全值内,在插打钢管桩之前，先进行引孔，再插入钢管桩，随后在管内浇筑锚固混凝土，直至围堰合拢，解决锁扣钢管桩无法插打入岩中或覆盖层浅时钢管无法稳定的问题，解决锁扣钢管底部渗水及岩层中锚固力不足的问题，在深水岩层开挖中，避免了采用水下爆破、水下开挖等高风险作业，相对钢围堰来说，钢材可充分回收，取消封底混凝土的浇筑，节约材料。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电、公路、铁路、市政工程领域，河床面以下为页岩施工，尤其涉及锁扣钢管桩围堰施工方法。
背景技术
当桥梁跨越水深面宽水域时，其基础往往位于深水之中。深水基础施工，通常先要安装围堰或作业平台才能进行桩基冲孔或基础开挖等作业，根据桥梁承台基础在河床中的位置、水深、地质情况等，将选用不同的围堰形式。
当承台位于深水的河床表面或内部，且河床存在大量的覆盖层时，通常采用双壁钢围堰和锁扣钢管桩围堰。
双壁钢围堰，其优点是结构稳定，安全系数高，止水效果好。在沿海深水基础施工中应用广泛。但由于其用钢量较大，加工周期长，安装时往往需要大型水上浮吊配合或自制浮箱，对吊装设备、运输条件、场地布置都有较高的要求，对于整体式下沉的双壁钢围堰还需要在河岸修建临时码头，投入较大。双壁钢围堰在使用完成后只能进行水下切割，材料回收利用率低。围堰下沉时采用高压射水下沉，或提前对下沉水域进行开挖或水下爆破，下沉控制精度要求高。
锁扣钢管桩围堰相对双壁钢围堰而言，其优点是用钢量小，加工后的单体构件重量小，便于运输和安装，加工周期短。由于不需要大型水上浮吊配合，对吊装设备、运输条件、场地布置的要求不高，该方法可以适用于更多的工程环境。
钢管桩的安装方法是通过振动锤振动插打钢管桩至设计高度。受振动锤功率、钢管自身的刚度、反向摩擦力等因素限制，这种安装方法只能用于覆盖层较厚的河床内或土层中，无法穿过硬质岩层。在西南地区，河床地质分布为覆盖层+岩层的情况较多，其覆盖层厚度并不均匀，当覆盖层较薄时，无法为钢管桩提供足够的锚固力和稳定性；而下层的岩性复杂，软硬不均，无法插打入内。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种锁扣钢管桩围堰施工方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种锁扣钢管桩围堰施工方法，包括以下步骤：
S1、布置场地，搭建作业平台：在河道两侧搭设贯通栈桥连接主墩，并在围堰四周设置工作平台与栈桥相连，作为围堰施工的水上运输通道和作业平台；
S2、安装导向架：沿围堰中心线搭建宽度与钢护筒直径相等的矩形导向架；
S3、安装钢护筒：钢护筒的下端通过振动锤打入河床土层；
S4、施工引孔：旋挖钻机对位垂直，通过筒钻头钻取岩层芯，捞渣钻头取渣清孔，下挖至计算所得的总入土深度t0，计算方式如下：
a、计算钢管桩上内力为0点的距离y，计算公式为：
γpkKP＝Kaγa(H土+y)+γH水
上式中：γp:基坑底至固结点处土层的重度
γa：河床至固结点的土层的重度
H土：基坑开挖深度
H水：至开挖面处水的深度
Ka为主动土压力系数
KP为被动土压力系数
k为被动土压力修正系数
b、按连续梁计算等值梁支点反力P0，该部分计算内容为简支梁计算，荷载为土压力的共同作用，具体计算简图如下，约束为内支撑处铰接，下端固结，由于是超静定结构，这里一般用程序进行计；
c、根据等值梁支点反力P0和钢管桩被动土压力对钢板桩底端的力矩相等原理可求得x(物理意义为倾覆临界点，即荷载对倾覆点取矩为0)，计算公式为：
总入土深度t0，t0＝x+y
S5、沿围堰中线移动钢护筒，使钢护筒对准下一个引孔的施工位置，并按照步骤S3和步骤S4持续施工多个引孔；
S6、插打锁扣钢管桩：依次将锁扣钢管桩逐根插打入引孔内，并通过振动锤插打到位，同时使相邻的两个锁扣钢管桩之间通过锁扣管连接；
S7、浇筑锚固混凝土：采用高压风管抽吸锁扣钢管桩内沉渣，下放混凝土导管，并通过振动锤抽插锁扣管，使水下混凝土在锁扣钢管桩和引孔内填至河床面；
S8、锁扣止水：在锁口管的连接位置处放入止水薄膜，再灌注止水砂浆。
具体地，所述导向架包括上层架和下层架，所述上层架/所述下层架包括两个平行设置的长杆和两个与所述长杆垂直设置的短杆，两个所述长杆沿围堰的中线对称设置，所述长杆与所述工作平台固定连接，两个所述短杆与所述长杆可拆卸连接，所述长杆之间的距离、所述短杆之间的距离均与所述钢护筒的外径相等；
所述上层架和所述下层架之间的距离不小于4m。
具体地，所述止水砂浆包括砂、粘土和锯末，其体积比为1:1:1。
优选地，所述花孔与所述锁扣钢管桩的下端之间的距离不小于总入土深度。
具体地，所述锁扣钢管桩包括直桩管、角桩管和锁扣管，所述直桩管和所述角桩管之间通过所述锁扣管连接；
所述锁扣管包括阳钢管和阴钢管，所述阳钢管为管壁上设置有竖直开槽的直管，所述阴钢管为工型结构，所述竖直开槽与所述工型结构的竖板适配；
所述直桩管的外侧面分别设置有所述阳钢管和所述阴钢管，位于所述直桩管上的所述阳钢管和所述阴钢管沿所述直桩管的中轴线对称设置，所述阳钢管与所述直桩管的连接点与所述竖直开槽沿所述阳钢管的中轴线对称设置，所述阴钢管的其中一个横板与所述直桩管固定连接，所述阴钢管的竖板与所述直桩管的半径延长线重合；
所述角桩管的外侧面设置有1个所述阴钢管、1个阳钢管，所述阴钢管与所述阳钢管之间的夹角为90°。
进一步，所述阳钢管与所述直桩管/所述角桩管之间设置有连接加强筋。
本发明的有益效果在于：
本发明一种锁扣钢管桩围堰施工方法通过寻找弯矩平衡点，计算入岩深度，同时满足材料受力在安全值内,在插打钢管桩之前，先进行引孔，再插入钢管桩，随后在管内浇筑锚固混凝土，直至围堰合拢。1、解决锁扣钢管桩无法插打入岩中或覆盖层浅时钢管无法稳定的问题；2、解决锁扣钢管底部渗水及岩层中锚固力不足的问题，在深水岩层开挖中，避免了采用水下爆破、水下开挖等高风险作业，相对双壁钢围堰来说，钢材可充分回收利用，取消封底混凝土的浇筑，节约材料。
附图说明
图1是本发明所述的锁扣钢管桩围堰施工方法的流程图；
图2是本发明所述锁扣钢管桩的直桩管的结构示意图；
图3是本发明所述锁扣钢管桩的角桩管的结构示意图；
图4是本发明所述锁扣钢管桩的角桩管的结构示意图；
图5是本发明所述导向架的主视图；
图6是本发明所述导向架的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图2、图3和图4所示，本发明锁扣钢管桩包括直桩管1、角桩管2和锁扣管，直桩管1和角桩管2之间通过锁扣管连接；
锁扣管包括阳钢管4和阴钢管3，阳钢管4为管壁上设置有竖直开槽的直管，阴钢管3为工型结构，竖直开槽与工型结构的竖板适配；
直桩管1的外侧面分别设置有阳钢管4和阴钢管3，位于直桩管1上的阳钢管4和阴钢管3沿直桩管1的中轴线对称设置，阳钢管4与直桩管1的连接点与竖直开槽沿阳钢管4的中轴线对称设置，阴钢管3的其中一个横板与直桩管1固定连接，阴钢管3的竖板与直桩管1的半径延长线重合；角桩管2的外侧面设置有两个阴钢管3/两个阳钢管4，两个阴钢管3/两个阳钢管4之间的夹角为90°，阳钢管4与直桩管1之间设置有连接加强筋5。
如图5和图6所示，本发明的导向架包括上层架7和下层架8，上层架7/下层架8包括两个平行设置的长杆9和两个与长杆9垂直设置的短杆10，两个长杆9沿围堰的中线对称设置，长杆9与工作平台6固定连接，两个短杆10与长杆9可拆卸连接，长杆9之间的距离、短杆10之间的距离均与钢护筒的外径相等；上层架7和下层架8之间的距离不小于4m。
以下提供本发明在川南城际铁路自贡富顺沱江双线特大桥26#墩水中具体实施方式，提供1个实例，流程如图1所示。
1.工程概况
自贡富顺沱江双线特大桥主桥设计为60+3×100+60桥跨结构，主墩24#、25#、26#位于沱江河内，其中26#墩水深达到10米，钻孔桩为12根Φ2.0m，承台11.6×17×4m。
26#墩承台位于河床内，大里程侧紧邻通航航道，下游150m为黄泥滩水电站，基础开挖禁止采用水下爆破，综合现场情况，施工方案采用锁扣钢管桩围堰，进行施工。
26#墩地层岩性分述如下：<5-12>卵石土,分布厚度0～0.5m，<18-1>泥岩夹砂岩,强风化带(W3)厚0～2m；弱风化带(W2)。
2.所需材料见下表：
3.实施方法
3.1.1入岩深度计算
入岩深度按照经典法进行计算。
根据设计院提供《富顺沱江双线特大桥地质说明》，岩石为泥岩夹砂岩W3，地层情况较好，摩擦角为40°，γa＝22g/cm3。
主被动土压力系数
计算钢管桩上内力为0点的的距离y，求得y：
γpkKPy＝Kaγa(H土+y)+γH水，可得：
②、按连续梁计算等值梁支点反力(即Ra和P0)，该部分计算内容为简支梁计算，荷载为土压力的共同作用，约束为内支撑处铰接，下端固结，其为超静定结构，通过现有软件程序计算，可选用COMSOL Multiphysics，ANSYS，MIDASgen等软件均可。
计算可得出：p0＝18.7kN
③根据P0和钢管桩被动土压力对钢板桩底端的力矩相等原理可求得x，
总入土深度：t0＝x+y＝0.73+0.7＝1.43m
施工时钢管桩入岩深度不得小于1.5m，满足要求。
3.1.2底部抗弯计算
钢管桩底部最大弯矩为：M＝84t·m，抗弯模量为：W＝4.3×106mm
满足要求。
3.2工料机准备及场地布置
根据地质情况，选择280型旋挖钻机，振动锤选择120型和90型。
锁扣钢管桩加工结构：锁扣钢管桩采用形式是直缝钢管￠180mm×8mm、钢管桩￠720mm×10mm、工字钢I18焊接组合，直缝钢管￠180mm割口处理后与工字钢形成锁口，后场加工好后运输至现场。
钢护筒选择直径1400mm，钻头直径采用1200mm，筒钻高度为2.5m。
其余材料按计划材料至后场存放，混凝土由拌合站集中供应。
场地布置：在河道两侧搭设贯通栈桥连接主墩，并在26#围堰四周设置6m宽工作平台与栈桥相连，作为围堰施工的水上运输通道和作业平台，设计荷载120t。
3.3安装导向架、护筒并进行引孔
根据设计图，放出围堰中心线。利用钻孔平台及平台栈桥立柱钢管作为支撑点，在预留槽上方和下方安装导向架，两层定位架高差大于4m。
根据设计位置插打Φ1400mm引孔钢护筒，钢护筒先从角桩(定位桩)开始插打。
3.4插打锁扣钢管桩
根据测量放线，完成一定数量引孔即可施工锁扣钢管桩，为保证其垂直度。首先将导向桩打设到位即是角桩。
利用导向架插打第一根锁扣钢管桩，第一根锁扣钢管桩插打至标高后停止，然后进行第2根锁扣钢管桩插打，依次进行直至完成第一阶段钢管桩插打。
3.5浇筑水下锚固混凝土
钢管桩安装到位后，采用13m3空压机配合高压风管对管内进行清孔，按照水下混凝土灌注工艺灌注C35水下砼，利用振动锤抽插锁扣钢管，确保混凝土在锁扣钢管和引孔内填至河床面。
3.6锁扣止水
最后对锁扣处进行止水，在锁扣位置先放入止水薄膜在缝隙处，再灌注止水砂浆或填塞黏土及锯末等混合物两种方式填塞锁扣。砂、粘土、锯末的体积比为1:1:1。
本发明的技术方案不限于上述具体实施实例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种锁扣钢管桩围堰施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、布置场地，搭建作业平台：在河道两侧搭设贯通栈桥连接主墩，并在围堰四周设置工作平台与栈桥相连，作为围堰施工的水上运输通道和作业平台；
S2、安装导向架：沿围堰中心线搭建宽度与钢护筒直径相等的矩形导向架；
S3、安装钢护筒：钢护筒的下端通过振动锤打入河床土层；
S4、施工引孔：旋挖钻机对位垂直，通过筒钻头钻取岩层芯，捞渣钻头取渣清孔，取芯至计算所得的总入土深度t0，计算方式如下：
a、计算钢管桩上内力为0点的距离y，计算公式为：
γpkKP＝Kaγa(H土+y)+γH水
上式中：γp:基坑底至固结点处土层的重度
γa：河床至固结点的土层的重度
H土：基坑开挖深度
H水：至开挖面处水的深度
Ka为主动土压力系数
KP为被动土压力系数
k为被动土压力修正系数；
b、按连续梁计算等值梁支点反力P0，该部分计算内容为简支梁计算，荷载为土压力的共同作用，约束为内支撑处铰接，下端固结，其为超静定结构，通过现有软件程序计算；
C、根据等值梁支点反力P0和钢管桩被动土压力对钢板桩底端的力矩相等原理可求得x(x为倾覆临界点，即荷载对倾覆点取矩为0)，计算公式为：
总入土深度t0，t0＝x+y
S5、沿围堰中线移动钢护筒，使钢护筒对准下一个引孔的施工位置，并按照步骤S3和步骤S4持续施工多个引孔；
S6、插打锁扣钢管桩：依次将锁扣钢管桩分别插入至多个引孔内，并通过振动锤插打到位，同时使相邻的两个锁扣钢管桩之间通过锁扣管连接；
S7、浇筑锚固混凝土：采用高压风管抽吸锁扣钢管桩内沉渣，下放混凝土导管，并通过振动锤抽插锁扣管，使水下混凝土在锁扣钢管桩和引孔内填至河床面；
S8、锁扣止水：在锁口管的连接位置处放入止水薄膜，再灌注止水砂浆。
2.根据权利要求1所述的锁扣钢管桩围堰施工方法，其特征在于：所述导向架包括上层架和下层架，所述上层架/所述下层架包括两个平行设置的长杆和两个与所述长杆垂直设置的短杆，两个所述长杆沿围堰的中线对称设置，所述长杆与所述工作平台固定连接，两个所述短杆与所述长杆可拆卸连接，所述长杆之间的距离、所述短杆之间的距离均与所述钢护筒的外径相等；
所述上层架和所述下层架之间的距离不小于4m。
3.根据权利要求1所述的锁扣钢管桩围堰施工方法，其特征在于：所述止水砂浆包括砂、粘土和锯末，其体积比为1:1:1。
4.根据权利要求1所述的锁扣钢管桩围堰施工方法，其特征在于：所述锁扣钢管桩包括直桩管、角桩管和锁扣管，所述直桩管和所述角桩管之间通过所述锁扣管连接；
所述锁扣管包括阳钢管和阴钢管，所述阳钢管为管壁上设置有竖直开槽的直管，所述阴钢管为工型结构，所述竖直开槽与所述工型结构的竖板适配；
所述直桩管的外侧面分别设置有所述阳钢管和所述阴钢管，位于所述直桩管上的所述阳钢管和所述阴钢管沿所述直桩管的中轴线对称设置，所述阳钢管与所述直桩管的连接点与所述竖直开槽沿所述阳钢管的中轴线对称设置，所述阴钢管的其中一个横板与所述直桩管固定连接，所述阴钢管的竖板与所述直桩管的半径延长线重合；
所述角桩管的外侧面设置有1个所述阴钢管、1个阳钢管，所述阴钢管与所述阳钢管之间的夹角为90°。
5.根据权利要求5所述的锁扣钢管桩围堰施工方法，其特征在于：所述阳钢管与所述直桩管/所述角桩管之间设置有连接加强筋。
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