用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法与流程

本发明涉及桥梁建设领域，具体涉及用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法。

背景技术：

1、水中墩钢围堰施工是在桥梁施工中比较常见的方法，常用的钢围堰有钢板桩围堰、双壁钢围堰。在某些特殊设计工况下，桥梁设计位置恰位于水电站下游附近区域(一般在大坝下游1～2km范围内)，施工水域水文地质条件复杂并处于深水急流状态；特别在汛期大坝泄洪时，施工水域的水深和流速更是会达到非常规状态，这导致桥梁主墩施工存在极大难度；若等待汛期渡过后再进行施工，则会严重干扰施工工期，造成人力物力的极大浪费。

2、在水电站下游的深水急流工况下：现有的钢板桩围堰施工工艺需要采用静态打桩机植桩，费用极高且设备罕见(目前国内共两台该设备)、难以适用；现有的双壁钢围堰施工工艺又存在难以准确测量墩位处基岩高程、下放定位困难、安全风险高等缺陷。

3、此外，现有技术中也出现了锁扣钢管桩围堰施工工艺；但是受深水急流的长期冲刷，水电站下游附近河床容易呈基岩裸露状态，下钢护筒难以跟进桩基施工过程、无法保住泥浆，同时锁扣钢管桩围堰施工工艺具有大量水下作业步骤，在汛期急流条件下存在较大安全隐患。

4、申请人在先申请的cn115538463a公开了“一种深水急流状态下的锁口钢围堰及施工方法”，但是该现有技术也只能够适用于常规的深水急流工况，其受力体系转换前后的稳定性较差且度汛能量较弱，并不适用于水电站下游的、基岩裸露工况下的深水急流作业。

5、综上，现有技术中还没有特别适用于基岩裸露的水电站下游深水急流工况下的主墩施工工艺；现有技术在基岩裸露的水电站下游深水急流工况下的桥梁施工方法，无法同时保证工程质量、工艺安全性和经济效益。

技术实现思路

1、本发明提供用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，以解决现有技术中在基岩裸露的水电站下游深水急流工况下的施工难题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，包括

4、架设支栈桥与导管架，在导管架内侧设置导向框，从上游侧开始插打安装与支栈桥平行的两排锁扣钢管桩；将按设计正对平台大梁的锁扣钢管桩与导向框焊接固定，并在其内进行锚杆施工；

5、在锁扣钢管桩内侧安装若干牛腿，连接三层圈梁并叠放在牛腿上，连接各层圈梁的内支撑；

6、下放各层圈梁至设定高度，期间插打上游侧与下游侧的两排锁扣钢管桩，完成围堰；

7、切割各锁扣钢管桩顶面至等高，在各锁扣钢管桩顶部安装桩顶分配梁，在桩顶分配梁上拼装平台大梁，在平台大梁上安装桥面板；自支栈桥上逐根下放底部带有剪力环的钢护筒，使所述钢护筒与至少一层圈梁和/或桩顶分配梁之间固定连接；

8、围堰内部吸泥、浇筑封底混凝土，在围堰四周区域和各钢护筒外周做第一次压浆；将部分钢护筒与平台大梁固定连接，对所有钢护筒内部钻孔；在围堰四周区域和各钢护筒外周做第二次压浆；抽水至中间层圈梁之下，并在中间层圈梁与四周的锁扣钢管桩之间填筑缝隙混凝土、焊接支承；

9、抽水至封底混凝土顶，在各钢护筒与底层圈梁之间的区域施工钢桩，将钢桩与底层圈梁固定连接；

10、按设计的承台范围开挖封底混凝土、岩层，直至到达设计的承台底面，施工承台和墩身。

11、针对现有技术中在基岩裸露的水电站下游深水急流工况下的施工难题，本发明提出一种用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，本方法首先设置支栈桥与导管架，并在导管架内侧设置导向框，为精准定位锁扣钢管桩提供条件，同时导向框也作为固定锁扣钢管桩的结构，起到防止水流冲刷导致锁扣钢管桩移位的目的。之后焊接正对平台大梁的锁扣钢管桩，并在其内进行锚杆施工，使这部分锁扣钢管桩成为锚固桩，进而对锁扣钢围堰进行锚固处理，锚固后可直接作为施工钢平台下部承重结构，能有效的防止锁扣钢管桩围堰的倾覆。之后安装牛腿、拼接圈梁并连接各层圈梁的内支撑，通过牛腿临时承载各层圈梁。然后下放各层圈梁至设定高度，并在下放圈梁期间插打上游侧与下游侧的两排锁扣钢管桩，完成围堰合拢。

12、本技术在安装桩顶分配梁、平台大梁和桥面板后，自支栈桥上逐根下放底部带有剪力环的钢护筒，并使钢护筒与圈梁和/或桩顶分配梁之间固定连接，在向围堰内浇筑封底混凝土后，围堰四周区域和各钢护筒外周做第一次压浆，钻开钢护筒内部并做第二次压浆，然后安装中间层的圈梁，再继续抽水至封底混凝土顶，施工钢桩并将钢桩与底层圈梁固定连接。

13、本技术相较于现有技术而言，摒弃了现有技术中常用的先插打围堰的四个角桩、再逐根插打其余锁扣钢管桩至围堰合拢、之后再进行其余施工的作业方式，而是先插打横桥向的两排锁扣钢管桩，之后局部固定已插打的两排锁扣钢管桩并进行牛腿与圈梁的安装操作，待圈梁下放过程中才伺机插打顺桥向的两排锁扣钢管桩实现围堰合拢，这种作业方式可解决因围堰内部支撑欠缺而导致锁扣钢管桩无法承受汛期急流冲击的问题，降低在水电站下游的急流工况下过早合拢围堰而发生移位或倾覆的风险、降低在施工早期对水下流动状况的干扰，同时降低牛腿和圈梁的安装风险。本技术在围堰内部设置了若干带有剪力环的钢护筒、并使得钢护筒与圈梁和/或桩顶分配梁之间固定连接，钢护筒底部必然被封底混凝土浇筑，显著提高了围堰内部的强度、更加有利于受力体系的平稳转换。本技术还在钢护筒与底层圈梁之间的区域施工钢桩，并将钢桩与底层圈梁固定连接，以此克服基岩裸露工况下基础稳定性较弱的不足，有利于在围堰内部边缘位置提高强度、进而提高基础的整体稳定性。本技术的圈梁共三层，其中底层圈梁作为内支撑封在封底混凝土内，可以防止承台开挖过程中由于底部水压过大导致围堰垮塌、还能够利用底层圈梁在围堰底部四周形成回字型止水带以防止承台开挖时底部渗水。

14、综上，本技术创造性的采用了锁扣钢管桩与内部结构交替作业的围堰施工思路，配合先进行围堰封底后进行桩基施工的逆作工艺，并结合钢护筒、钢桩等的使用，取得了很好的止浆、防水与稳定效果，实现了围堰施工过程中受力体系的稳定转换，能够在水电站下游的、基岩裸露的深水急流工况下实现平稳施工，且可避免停工度汛带来的工期延误问题。

15、进一步的，在逐层连接各层圈梁的内支撑后，在两侧的导管架分配梁上固定连接下放梁，在下放梁上安装穿心式千斤顶，将两侧的穿心式千斤顶与各层圈梁自上而下依次连接。

16、本方案通过导管架分配梁安装下放梁，便于在横桥向两侧安装穿心式千斤顶，为后续的圈梁下放作业做好充分准备。

17、进一步的，穿心式千斤顶通过如下方法与各层圈梁自上而下依次连接：

18、在按设计正对下放梁的锁扣钢管桩顶部安装垫板；

19、通过固定板将下放梁焊接在导管架分配梁上，使下放梁向围堰内部延伸至牛腿上方、使下放梁底部与所述垫板顶面接触；

20、在下放梁上安装穿心式千斤顶，使穿心式千斤顶的前端支承向下延伸并连接螺纹钢筋；

21、使螺纹钢筋自上而下穿过下放梁后、逐层穿过圈梁，且在每层圈梁之下的螺纹钢筋上固定连接无法穿过圈梁的限位件；

22、通过穿心式千斤顶张紧螺纹钢筋。

23、本方案中下放梁固定焊接在导管架分配梁上，且下放梁向围堰内部延伸至牛腿上方，下放梁局部由垫板承载，通过垫板扩大下放梁与锁扣钢管桩之间的接触面积，避免压强过大导致下放梁或锁扣钢管桩受损，同时使得锁扣钢管桩辅助承载，避免穿心式千斤顶工作时荷载过大而导致下放梁发生倾覆风险。本方案的穿心式千斤顶通过螺纹钢筋与各限位件实现对各层圈梁的悬吊。

24、进一步的，下放各层圈梁至设定高度的方法包括：

25、拆除牛腿，使各层圈梁由穿心式千斤顶承载；

26、通过穿心式千斤顶同时下放各层圈梁，直至顶层圈梁抵达设计高度，将顶层圈梁与锁扣钢管桩多点焊接；其中顶层圈梁的设计高度位于水面之上；

27、通过穿心式千斤顶继续下放底层圈梁和中间层圈梁，直至中间层圈梁抵达设计高度，在中间层圈梁与横桥向两侧的锁扣钢管桩的缝隙内打入若干硬质楔块；其中中间层圈梁的设计高度位于水面之下；

28、插打上游侧的锁扣钢管桩；

29、插打下游侧的锁扣钢管桩；

30、在中间层圈梁与上游侧、下游侧的锁扣钢管桩的缝隙内打入若干硬质楔块；

31、通过穿心式千斤顶下放底层圈梁至河床，回收螺纹钢筋。

32、本方案将叠放的各层圈梁同时下放，当顶层圈梁抵达设计高度时，进行多点焊接实现临时固定，顶层圈梁的设计高度位于水面之上以便于焊接操作。然后继续下放剩余的两层圈梁，当中间层圈梁抵达设计高度时，通过硬质楔块进行水下的临时固定。在确定好顶层圈梁和中间层圈梁的位置后，进行顺桥向两侧锁扣钢管桩的插打作业，其中先插打上游侧的锁扣钢管桩、再插打下游侧的锁扣钢管桩，可避免在围堰内部形成强烈涡流而干扰中间层圈梁的临时固定稳定性、以及干扰还未下放到位的底层圈梁的稳定性；插打过程中底层圈梁始终处于由穿心式千斤顶承载的状态，因此可尽量降低对吊运与打桩设备正常工作的干涉，确保本方法的作业安全性。

33、本方案在完成围堰合拢后，再下放底层圈梁至河床，此种工艺可避免提前下放底层圈梁后，底层圈梁干涉顺桥向两侧锁扣钢管桩的正常入泥、导致顺桥向两侧锁扣钢管桩抵在底层圈梁上而无法顺利进入河床之下，同时还未下放到底的底层圈梁能够为顺桥向两侧锁扣钢管桩的下放过程提供导向与限位，有利于降低锁扣钢管桩的歪斜风险。

34、本领域技术人员应当理解，本技术在某层圈梁固定到位后，解除对应的限位件即可。

35、进一步的，在切割各锁扣钢管桩顶面之前，使围堰内的液位低于顶层圈梁至少0.5m，之后在顶层圈梁与四周的锁扣钢管桩之间填筑缝隙混凝土。待此处的缝隙混凝土凝固后再进行后续作业，保证对顶层圈梁的彻底固结。

36、进一步的，自支栈桥上逐根下放底部带有剪力环的钢护筒后，在钢护筒与就近的圈梁之间焊接第一连接件，并在沿上下游方向的两根相邻钢护筒之间焊接第二连接件。

37、本方案通过若干第一连接件和第二连接件，共同组成钢护筒底部的连接系，实现钢护筒与底层圈梁之间的稳定连接，更加提高内支撑体系的底部稳定性；后续将第一连接件和第二连接件随底层圈梁共同浇注，可更加避免承台开挖过程中由于底部水压过大导致围堰垮塌的风险。其中就近的圈梁，是指底部圈梁上与对应钢护筒距离较近的区域。

38、进一步的，施工钢桩的步骤包括：

39、将钢护筒与底层圈梁之间的封底混凝土部分凿开，直至河床暴露；

40、高压冲洗凿开区域；

41、在凿开区域打入钢桩，使钢桩自上而下依次穿过河床、强风化层，直至钢桩底部进入中风化层至设定深度；

42、自顶部切割多余钢桩，浇注钢桩内外与凿开区域，修复封底混凝土。

43、其中钢桩底部必须进入中风化层内部，以保证钢桩稳定；钢桩的具体深度，根据现场地质和岩面条件而定，在此不做限定。钢桩内外与凿开区域浇注的混凝土，必须在达到设计强度的至少80％后，才允许进行受力体系的转换。

44、进一步的，将钢桩与底层圈梁固定连接的方法包括：

45、自顶部切割多余钢桩之前，在钢桩与底层圈梁之间焊接钢结构连接件，并使所述钢结构连接件位于凿开区域内。

46、本方案通过钢结构连接件实现钢桩与底层圈梁之间的固定，并将钢结构连接件封固在修复用混凝土内部，使得钢结构连接件与封底混凝土成为受力整体。

47、通过钢桩与钢结构连接件的使用，更加克服了基岩裸露工况下基础底部稳定性较弱的问题，显著提高了基础的整体稳定性，对于汛期作业的平台稳定性有显著改善。

48、优选的，所述钢桩包括工字桩、铺设在工字桩腰板两侧的加强板，所述加强板的径向两端均与工字桩的两侧翼板之间焊接补满。

49、本方案中的工字桩即是由工字钢制作而成的桩体，其中工字钢两侧为翼板、之间为腰板；本方案在腰板两侧铺设加强板，并通过焊缝补满加强板的两端与两侧翼板之间的间隙，以此使得钢桩具有更大的强度，便于工字桩底端穿过河床和强风化层。

50、进一步的，某些围堰作业现场的导管架自带一圈钢管桩，所以本技术还可采用导管架自带的钢管桩作为导向框，更加有利于降低工程成本、节约工期。

51、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

52、1、本发明用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，先插打横桥向的两排锁扣钢管桩，之后局部固定已插打的两排锁扣钢管桩并进行牛腿与圈梁的安装操作，待圈梁下放过程中才伺机插打顺桥向的两排锁扣钢管桩实现围堰合拢，这种作业方式可解决因围堰内部支撑欠缺而导致锁扣钢管桩无法承受汛期急流冲击的问题，降低在水电站下游的急流工况下过早合拢围堰而发生移位或倾覆的风险、降低在施工早期对水下流动状况的干扰，同时降低牛腿和圈梁的安装风险。

53、2、本发明用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，在围堰内部设置了若干带有剪力环的钢护筒、并使得钢护筒与圈梁和/或桩顶分配梁之间固定连接，钢护筒底部必然被封底混凝土浇筑，显著提高了围堰内部的强度、更加有利于受力体系的平稳转换。本技术还在钢护筒与底层圈梁之间的区域施工钢桩，并将钢桩与底层圈梁固定连接，以此克服基岩裸露工况下基础稳定性较弱的不足，有利于在围堰内部边缘位置提高强度、进而提高基础的整体稳定性。

54、3、本发明用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，底层圈梁作为内支撑封在封底混凝土内，防止承台开挖过程中由于底部水压过大导致围堰垮塌、还能够利用底层圈梁在围堰底部四周形成回字型止水带以防止承台开挖时底部渗水。

55、4、本发明用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，在定位顶层圈梁和中间层圈梁后，再进行顺桥向两侧锁扣钢管桩的插打作业，可避免在围堰内部形成强烈涡流而干扰中间层圈梁的临时固定稳定性、以及干扰还未下放到位的底层圈梁的稳定性；插打过程中底层圈梁始终处于由穿心式千斤顶承载的状态，因此可尽量降低对吊运与打桩设备正常工作的干涉，确保本方法的作业安全性。

56、5、本发明用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，在完成围堰合拢后再下放底层圈梁至河床，可避免提前下放底层圈梁后，底层圈梁干涉顺桥向两侧锁扣钢管桩的正常入泥、导致顺桥向两侧锁扣钢管桩抵在底层圈梁上而无法顺利进入河床之下，同时还未下放到底的底层圈梁能够为顺桥向两侧锁扣钢管桩的下放过程提供导向与限位，有利于降低锁扣钢管桩的歪斜风险。

57、6、本发明用于深水急流工况的锁扣钢管桩围堰施工方法，通过若干第一连接件和第二连接件，共同组成钢护筒底部的连接系，实现钢护筒与底层圈梁之间的稳定连接，更加提高内支撑体系的底部稳定性；后续将第一连接件和第二连接件随底层圈梁共同浇注，可更加避免承台开挖过程中由于底部水压过大导致围堰垮塌的风险。通过钢桩与钢结构连接件的使用，更加克服了基岩裸露工况下基础底部稳定性较弱的问题，显著提高了基础的整体稳定性，对于汛期作业的平台稳定性有显著改善。