深厚砂层中引孔参数对钢管桩围堰变形影响分析.pdf

-7-第7 期深厚砂层中引孔参数对钢管桩围堰变形影响分析李希名，孟兴涛，毕晓鹏，全文博，孙凡，樊文康（陕西建工机械施工集团有限公司，陕西 西安 710032）【摘要】锁扣钢管桩是水中承台施工中广泛采用的桩型之一，硬质复杂地质条件下钢管桩无法直接打入，往往需要通过引孔施工辅助钢管桩插打。依托工程实际，采用数值计算结合正交实验法方法，通过比较极差值探究引孔参数对钢管桩围堰变形影响的主次关系。结果表明：换填土黏聚力是影响钢管桩围堰变形的主要因素，随着换填土黏聚力的增大，管桩围堰的变形逐渐减小；随着引孔直径的增大，钢管桩围堰的变形逐渐增大，换填土内摩擦角和引孔深度对钢管桩变形几乎没有影响。【关键词】引孔参数；锁扣钢管桩；数值计算；正交实验；围堰变形【中图分类号】TU753.62【文献标志码】A【文章编号】16713702（2023）070007050引言随着环保要求和循环经济逐步深入，钢管桩围堰现已被广泛应用于水中承台施工1。但普通钢管桩围堰施工依然存在一定的局限性，对于较硬的强、中风化岩层及深厚砂层地层，若采用震动锤强行插打，可能会引起钢管桩底部及锁扣处发生变形，进而对钢管桩围堰的作者简介：李希名，男，工程师，研究方向为地基基础。Analysis of the Effect of Pilot Hole Parameters on the Deformation of Steel Pipe Pile Cofferdam in Deep Sand Layer LI Ximing，MENG Xingtao，BI Xiaopeng，QUAN Wenbo，SUN Fan，FAN Wenkang（SCEGC Mechanized Construction Group Co.，Ltd.，Xian Shaanxi 710032，China）Abstract：Locking steel pipe pile is one of the pile types widely used in the construction of water bearing platform，and steel pipe piles cannot be directly driven under hard and complex geological conditions，and it is often necessary to assist steel pipe pile insertion through lead hole construction.Relying on the actual engineering situation，numerical calculation combined with orthogonal experimental method was used to explore the primary and secondary relationship between the influence of the lead hole parameters on the deformation of the cofferdam of steel pipe piles by comparing the range values.The results show that the cohesion of the refill soil is the main factor affecting the deformation of the cofferdam of steel pipe piles，and the deformation of the cofferdam of the pipe pile gradually decreases with the increase of the cohesion of the refill.With the increase of the diameter of the lead hole，the deformation of the steel pipe pile cofferdam gradually increases，and the friction angle and the depth of the lead hole in the replacement soil have almost no effect on the deformation of the steel pipe pile.Keywords：lead hole parameters；locked steel pipe pile；numerical calculation；orthogonal experiment；cofferdam deformation稳定性及防水性能产生影响2。因此，较多学者提出引孔施工工艺改变钢管桩插打困难的建议。贺红星等3针对薄覆盖层硬质河床钢管桩插打困难问题，提出旋挖钻机与全套管全回转钻机联合的组合引孔作业方式，成功应用于蟠龙大桥主墩钢围堰施工。郭飞、冯前进、高明慧等4-6为将钢管桩打入主墩承台下部的坚硬地层，采用旋挖机引孔后再进行钢管桩插打，进而保证钢管桩入岩深度。上述研究主要分析了引孔换填的施工工onstruction Security工程安全C2023年第41卷第7期-8-onstruction Security工程安全C工程质量第41卷艺，但鲜见分析引孔参数和换填土特性对钢管桩围堰性能的影响。综上所述，本文以西安市地铁 10 号线跨渭河大桥 W07 号主墩锁扣钢管桩围堰引孔施工为研究背景，分析不同引孔尺寸及换填土特性对钢管桩围堰变形的影响。1工程概况西安市地铁 10 号线跨渭河特大桥为多跨长联曲线上加劲连续钢桁梁桥，主跨跨度 300 m，联长 1 412 m。位于河道内的 W07 号墩为门式框架空心墩，承台采用分离式矩形承台，纵横宽度均为 18.2 m，高 4.5 m。桩基采用 32 根2.0 m 钻孔灌注桩。渭河属于常径流全砂富水河道，经调查，5 年一遇洪水位标高为 363.32 m，11 月份至次年 4 月水位标高均357 m，围堰设计水位按 5年一遇水位+1.18 m 计算，围堰设计顶标高为 364.5 m，设计底标高为 332.5 m，最终围堰设计深度为 32 m。由于围堰施工处于枯水期，因此仅插打了 26 m 钢管桩，若汛期水位上涨有超过设计水位趋势时，将钢管桩接长至 32 m。围堰结构立面图如图 1 所示。W07 号墩位于主河道内，水深15 m，水流流速2 m/s，承台顶位于河床下 6.3 m，河床以下地层从上到下依次为粉细砂、中砂、粗砂，属于深厚砂层地质。承台深度范围内地层参数如表 1 所示。施工点位于霸渭湿地保护区，环保要求高，且围堰施工选在枯水期进行，工期紧张，施工筹备时间短。综合考虑工程施工工期及水文地质条件等因素，对钢板桩围堰、锁扣钢管桩围堰、双壁钢围堰的工艺优缺点、施工工期、经济性等方面进行对比研究7，确定 W07 承台围堰施工采用82010 mm 的“C9”型锁扣钢管桩，材质 Q235b，桩长 32 m，共设置四道双拼型钢围檩，围檩上设置 4道角撑，第一道围檩采用双拼 2HN600200型钢，角撑采用60916 mm 钢管，第二、三、四道围檩均采用3HN700300 型钢，角撑采用80016 mm 钢管。考虑到钢管桩插打深度及河床地质特性，采用常规手段进行插打，很容易出现钢管桩底部和锁扣处发生变形，影响施工质量及进度，最终采用引孔施工技术辅助插打钢管桩。2钢管桩围堰引孔施工技术2.1引孔平台搭建施工前搭建钢栈桥为旋挖钻机及履带吊提供水上作业平台。本工程钢栈桥从上至下分别设置 1.5 m 钢管护栏、8 mm 厚花纹钢桥面板、22 a 分配梁、321 型标准贝雷架、双拼 45 a 桩顶承重横梁、6308 mm 的螺旋钢管桩基础组成，相邻钢管桩之间设置 16#槽钢平联和 90 型剪刀撑，保证钢栈桥可同时承受旋挖钻机、履带吊等重型机械及各类材料堆放的作用力。钢栈桥搭建完成后，采用反循环钻机完成桩基施工。2.2旋挖钻引孔根据钢管桩定位，首先在桩孔位置施打1 70014图 1围堰结构立面图（单位：mm）表 1地层参数表砂层编号砂层名称分层情况/m湿重度/（kNm-3）压缩模量Es/MPa内摩擦角/承载力/kPa2-4-1粉细砂355.7348.3117.65.8221502-5-2中砂348.31343.6118.17.4252202-5-3中砂343.61330.2118.97.727250-9-第7 期的大护筒，施打深度 12 m 后，采用旋挖钻机满孔泥浆护壁引孔，钻头直径 1.5 m，泥浆比重控制在 1.031.10之间。为保证钢管桩插打范围内密砂全部换填，将1 10016 小护筒施打 6 m 以准确定位大护筒位置，然后拔出大护筒进行前移，引孔示意图如图 2 所示。连续成孔35 根后，采用优质黄土逐段进行成型孔回填。通过泥浆护壁引孔，大、小护筒交替前进，既实现了桩位范围内引孔全覆盖，又解决了大护筒前移过程中可能引起的坍孔问题。2.3钢管桩插打钢管桩插打前，在桩基护筒上焊装双层牛腿，在牛腿上测量定出围堰内外框线，沿着内外框线安装导向圈梁。两层定位架高差要2.0 m，定位架的牛腿和圈梁采用槽钢焊接。C 9 型锁扣钢管桩“9”型接扣在插打前及插打过程中在锁扣内涂抹黄油，便于止水及减小锁扣之间的摩擦阻力。钢管桩插打采用 ICE 高频液压振动锤，首根钢管桩插打时先使用低频轻击，当下沉有明显困难时，再高频密击，直至沉入设计桩底标高，后续钢管桩下放时使其锁口与已沉入钢管桩的锁口阴阳咬合，并从定位架中缓慢下放，直至进入河床不沉、自稳为止。2.4围堰内挖土及支护采用长臂挖机和绞吸泵进行水下挖土和吸砂土作业，开挖至各层支撑设计标高时，采用 100 t 履带吊吊装内支撑及围檩，吊装就位后焊接成整体。钢管桩围堰具体施工过程可分为五个施工工况。工况一，将 26 m 钢管桩打入到设计标高，围堰内抽水并开挖至+357.0 m，保证在干环境下安装第二道支撑体系。工况二，继续开挖 4 m，在标高+353.0 处安装第三道支撑体系。工况三，继续开挖 4 m，在标高+349.0 处安装第四道支撑体系。工况四，继续开挖 7 m，在标高+342.0 m 处浇筑 2.5 m的混凝土封层。工况五，待承台及混凝土圈梁施工结束后，拆除第四道支撑体系，若汛期水位上涨有超过设计水位趋势时，将 26 m 钢管桩接高成 32 m 钢管桩，并与+362.0 m 处安装第一道支撑体系。3引孔参数对钢管桩围堰变形影响分析3.1有限元模型建立采用 Midas GTS 有限元软件建立钢管桩围堰及周围土体三维模型。此次模拟内支撑及围檩采用 1 D 梁单元模拟，基于刚度等效原则，利用式（1）将钢管桩围堰等效为地连墙形式，用 2 D 板单元模拟，减少了建模工作量及计算机运行时间，同时也可反应钢管桩的整体应力应变情况。（D+t）h3=112164D4（1）式中：D 为钢管桩的直径；t 为钢管桩的净距；h 为等效为连续墙的厚度。在本模型中，D=820 mm，t=70 mm，h=669 mm。土体采用 Mohr-Coulomb 本构模型，围护结构均采用弹性本构模型。模型底部进行固定约束，顶部为自由边界，模型侧面进行法相位移约束。几何模型如图 3 所示。3.2正交实验法采用正交实验研究引孔直径、引孔深度、换填土黏聚力、换填土内摩擦角 4 个因素对钢管桩围堰变形的影响大小。每个因素设置 4 个水平，将该工程实际参数（换填土黏聚力 c=18 kPa，内摩擦角=25，引孔深度 26 m，引孔直径 1.5 m）取为水平 2，其余 3 个水平与水平 2 构成等差数列，各影响因素及水平取值如表 2 所图 2 “双护筒+旋挖钻”引孔示意图（单位：mm）图 3围堰模型图李希名等：深厚砂层中引孔参数对钢管桩围堰变形影响分析-10-onstruction Security工程安全C工程质量第41卷示。正交实验的数据方案共 16 组，利用 Midas GTS 有限元软件建模并完成围堰变形数值模拟，正交实验计算方案及计算结果如表 3 所示。限于篇幅，本文只列举了实验 5 围堰变形数值计算结果，如图 4 所示。3.3实验结果分析为分析各因素对钢管桩围堰变形的影响，对实验结果进行极差分析（见表 4），K1K4 表示 16 组实验综合加权评分的均值，极差 RX 表示 4 因素均值的最大值与最小值差值。由表 4 可知，引孔参数对钢管桩围堰变形的影响程度排序为黏聚力 C直径 D深度 H内摩擦角。其中黏聚力极差最大，故换填土黏聚力对钢管桩围堰变形影响最大。换填土内摩擦角和引孔深度极差相对较小，对钢管桩变形几乎没有影响。3.4引孔直径及换填土黏聚力影响分析由正交实验结果可知，D、C 是影响钢管桩围堰变形的主要因素。为得到 D、C 对钢管桩围堰变形的影响规律，通过控制变量法，只改变工程实际参数的 D、C 值进行数值模拟，具体方案及模拟结果如表 5 所示。钢管桩围堰变形与 D、C 值关系如图 5 所示。由表 5 及图 5 可知，随着引孔直径的增大，钢管桩围堰的变形逐渐增大，随着换填土黏聚力的增大，管桩围堰的变形逐渐减小。在施工中，为控制钢管桩围堰变形，在保证钢管桩可顺利插打的前提下，可通过减小引孔直径和采用较大黏聚力换填土的方法减小围堰变形。表 2各影响因素及水平取值水平直径 D/m内摩擦角/黏聚力 C/kPa深度 H/m1115152521.52018263225212742.5302428表 3正交实验计算方案及结果实验号因素实验结果直径 D/m内摩擦角/黏聚力 C/kPa深度H/m围堰最大变形/mm1111129.632122216.713133312.484144410.945212320.456221430.367234111.988243214.279313416.6110324312.3411331231.1412342123.0913414213.5714423117.6315432426.4916441332.87图 4实验 5 围堰变形数值计算结果表 4钢管桩围堰变形影响因素极差分析水平影响因素直径 D/m内摩擦角/黏聚力 C/kPa深度 H/mK 117.4420.0731.0520.58K 219.2719.2621.6918.92K 320.7220.5215.2519.53K 422.6420.2916.2821.10极差 RX5.201.2615.802.18表 5模拟方案及结果内摩擦角/深度H/m直径D/m黏聚力C/kPa围堰最大变形/mm20261.51530.461820.712114.192411.6411816.711.519.85223.292.526.76-11-第7 期4结语本文以西安地铁 10 号线跨渭河大桥主墩基础施工为例，探究引孔参数对钢管桩围堰变形影响，得出以下结论。1）本工程中通过旋挖钻引孔及换填黄土的方案，成功将 C9 锁扣钢管桩打入设计标高，解决了河道含深厚砂层地层钢管桩贯入难题。2）通过数值计算结合正交实验法得出引孔参数对钢管桩围堰变形影响程度排序，换填土黏聚力引孔直径引孔深度换填土内摩擦角，为类似地质条件下引孔参数确定及围堰变形预测提供一定参考。3）数值计算结果表明，随着引孔直径的增大钢管桩围堰的变形逐渐增大，随着换填土黏聚力的增大管桩围堰的变形逐渐减小。Q参考文献 1 张弛.可回收装配式止水钢围堰的综合对比与设计选型J.工程与建设，2021，35（5）：946949.2 赵刘群，娄学谦，胡兴昊，等.密实含砂碎石和卵石地层钢管桩沉桩试验研究 J.水运工程，2022，47（9）：166171，209.3 贺红星，邓运生，董义，等.全套管全回转钻机与旋挖钻机组合在薄覆盖层硬质河床引孔中的应用 J.施工技术（中英文），2022，51（12）：4649.4 郭飞，朱育才，桑宏，等.河边岩溶区大面积钢管桩围堰的施工技术研究 J.特种结构，2019，36（4）：96102.5 冯前进，李长伟，郭俊江，等.锁扣钢管桩围堰在深水承台施工中的应用 J.交通世界，2021，28（29）：103104.6 高明慧.深水桥梁基础锁扣钢管桩围堰应用技术研究J.国防交通工程与技术，2021，19（5）：4852，77.7 钟祺，郑春雨，卫康，等.复杂地质深水环境中钢围堰类型比选及设计研究 J.公路，2021，66（10）：210215.图 5钢管桩围堰变形与 D、C 值关系全国城市轨道交通工程质量安全管理培训班在渝举办20 23 年 6 月 27 日，住房和城乡建设部工程质量安全监管司采取线下与线上相结合的方式，在重庆市组织开展了全国城市轨道交通工程质量安全管理培训。培训班结合近期安全生产形势，剖析典型事故案例，通报监督检查突出问题，邀请院士、专家讲解城市轨道交通工程安全风险防控对策措施和高质量发展、精细化管理等内容，围绕“人人讲安全、个个会应急”安全生产月主题。培训要求，要切实提升发现问题和解决问题的强烈意愿和能力水平，切实提高风险隐患排查整改质量，推动安全生产治理模式向事前预防转型，有效防范遏制城市轨道交通工程各类事故发生。要推动城市轨道交通工程高质量发展，遵循构建综合、绿色、安全、智能的立体化现代化城市交通系统的发展方向，通过精细管理、精益建造、科技赋能，提高工程建设品质。培训强调，当前正值盛夏，强降雨等各类极端天气易发多发，要加强应急值守和监测巡查预警，强化应急响应联动，严防极端天气引发次生灾害事故，全力保障人民群众生命财产安全。本次培训由住房和城乡建设部干部学院承办，除重庆主会场外，另设 32 个分会场，各级城市轨道交通工程建设主管部门、建设单位等相关人员参加线上培训。（来源：中国建设报）李希名等：深厚砂层中引孔参数对钢管桩围堰变形影响分析