大直径圆形钢板桩围堰施工技术

                                                                                  大直径圆形钢板桩围堰施工技术

 

                   李仁民1刘伟2陈晓凤1¹

                   (1.东南大学岩土工程研究所 ;2.中交三公局第二工程有限公司)

 

摘要:水中承台施工目前多采用双臂钢围堰、锁口钢套箱、双排钢板桩围堰和钢板桩围堰等方案，上述方案整体性好,刚度大,抗变形能力强,但造价较高。钢板桩围堰由于施工周期短、综合成本低等特点,越来越多的深水基础开始采用。钢板桩刚度小，变形大，一般深围堰均采用多道内支撑，挖土不方便,工期长,造价高。徐明高速淮河特大桥 20# 承台为直径 26.0m 的圆形承台,采用圆形钢板桩围堰,直径31.64m,桩长27m，布设了7道H型钢围檩,没有设置水平对撑。本文结合该实例介绍了钢板桩的打拔、围囹安装、钢板桩锁口漏水处理、硬粘土层湿挖、封底混凝土浇筑等大直径圆形钢板桩围堰施工成套技术。

关键词:圆形围堰 钢板桩 无内支撑 H型钢围檩 施工技术

 

1引言

目前水中承台施工可以采用双臂钢围堰、锁口钢套箱、双排钢板桩围堰和钢板桩围堰等方案。例如钱江四桥1、七浦塘大桥2、襄樊汉江五桥3等围堰均采用双臂钢围堰方案;青岛海湾大桥4、集美大桥5等采用锁口钢套箱围堰;雁洲水(船)闸工程6、长兴造船基地7等采用双排钢板桩围堰。上述方案整体性好刚度大,抗变形能力强,但造价均较高。单排钢板桩围堰施工周期短、综合成本低等特点，越来越多的深水基础也开始采用钢板桩围堰，例如南京江心洲右汊大桥8和汉宜铁路彭市汉江特大桥19京沪高速铁路济南黄河大桥[10],单排钢板桩由于刚度小,抗变形能力小，一般均设置一道或多道内支撑[8~10]。

徐明高速淮河特大桥20#承台为直径 26.0m 的圆形承台,基础采用群桩基础,承台基坑开挖深度达16.9m(封底混凝土3.0m)。经过方案比选确定承台基坑开挖采用了无内支撑的圆形钢板桩围堰，围堰直径为31.64m,钢板桩桩长为27m,坑内没有设置水平内支撑,仅设置了7道H型钢围檩。本文结合该实例介绍了大直径圆形钢板桩围堰的施工技术。

2 工程概况

徐明高速淮河特大桥起讫桩号为K116+835.5~K117+206.5,主桥全长371m，采用246m+125m的独塔双索面斜拉桥,塔墩固结体系,主跨为分离式钢箱梁,副跨为分离式混凝土箱梁。

主桥20#承台位于淮河主河道中，为水下承台，承台平面尺寸为直径26.0m的圆形承台，基础采用群桩基础。承台基础形式见图 1。

 

 

图1承台基础形式示意图

 

桥址处淮河常水位13.0~14.0m，设计防洪水位为16.5m,根据施工计划,主桥安排在汛期施工，钢板桩方案设计计算时,设定控制水位为设计洪水位+16.5m;河床顶面标高为+10.5m，承台底标高为+2.667m,洪水水面到承台底高差为13.833米，基坑开挖深度达16.9米(封底混凝土3.0m)。钢板桩设计长为27m，其顶面控制标高为+17.0m，桩底标高为-1000m,钢板桩有效人土深度9.6m。

1.1工程地质条件

本项目横跨淮河。桥位区附近地貌单元分别为淮河冲积平原的河漫滩、一级阶地及江淮波状平原的二级阶地,地势平坦,河水平静,水面开阔,河宽约450m,主河槽最大水深13m，流速4.0m/s。承台处涉及地层主要为:软土、粉土、粉砂、细砂、粘质黄土、砾石土等。钢围堰埋深范围内地质情况:

①层软土,灰色,流塑,主要由淤泥质粉质粘土和粉土组成，层厚 2.6m~6.0m。

②层 砂质粘土,硬塑,密实坚硬,含少量锰铁结核,偶见砾片,层厚2.5m~4.0m。

③层 粉沙,灰黄色,饱和,密实,局部夹粉质粘土和粉土薄层,层厚6.0m~11.5m。

 

 

图2典型钻孔剖面图

1.2水文条件

淮河7-9月份为丰水期,11月至翌年2月为枯水期。汛期淮河水位升幅较大，常淹没两岸的低洼地区。淮河设计防洪水位为+16.50m，警戒水位为+19.0m,保证水位为+19.60m;最高通航水位+19.16m，最低通航水位+10.82m，枯水季节水位在+12.5m左右，方案设计时,考虑到施工期处于丰水季节,设计洪水位按+16.5m考虑，钢板桩顶控制标高为17.0m。

 

 

3 设计概况

根据淮河特大桥桥位处的水文地质情况，主桥20#承台施工进度计划,现场的施工条件、施工图纸及岩土工程勘察报告,并结合拉森钢板桩宽度适中，抗弯性能好、施工安全等方面考虑,进行了钢板桩围堰施工方案的结构设计。经过方案比选确定该承台基坑开挖采用钢板桩围堰，围堰直径为 31.64m，钢板桩桩长为27m,其顶面控制标高为+17.0m，桩底标高为-10.0m。

钢板桩选用德国单面拉森S-IV型钢板桩，套型锁口,锁口内涂上润滑黄油,两桩锁口联结转角10~15°,摩阻力小,防渗性较好,钢板桩周圈咬合紧密有止水措施。

经设计计算,该基坑开挖深度为16.9m,开挖尺寸为31.34m直径圆形，共布置七道钢支撑，各层布置如下:第一、二、三道围檩均采用一根H型钢(700x300x13x24),支撑连杆采用一根H型钢(700x300x13x24);第四、五、六、七道围檩采用两根H型钢(700x300x13x24)双拼,支撑连杆采用单根H型钢(300x150x6.5x9)，内侧环形支撑采用H型钢(300x150x6.5x9)。第一道钢管的底面与设计水位平齐,第一至第四道围檩中心距2.8m,第四道围檩中心至第五道围檩中心2.0m,第五道围檩中心至第六道围檩中心1.6m，第六道围檩中心至第七道围檩中心1.7m。第1道支撑距围堰顶0.300m;第2道支撑距围堰顶3.1m;第3道支撑距围堰顶5.9m;第4道支撑距围堰顶8.7m;第5道支撑距围堰顶 10.7m;第6道支撑距围堰顶 12.3m,第 7道支撑距围堰顶深度 14.0m。

 

 

4 施工技术

3.1施工工艺流程

搭设钢管桩→安装管桩第一层HN300细梁、牛腿→安装板桩导向围檩HN700(可以用做钢板桩围檩)→打设钢板桩→板桩围堰密封条敷设→排水至第二道围檩以下30cm→安装管桩第二层HN30细梁、牛腿→安装第二道HN700围檩→排水、开挖至第三道围檩以下30cm→安装管桩第三层HN300细梁、牛腿→安装第三道HN700围檩→排水、开挖至第四道围檩以下30cm→安装管桩第四层HN300细梁、牛腿→安装第四道双HN700围檩→排水、开挖至第五道围檩以下30cm→安装管桩第五层HN30细梁、牛腿→安装第五道双HN700围檩→排水、开挖至第六道围檩以下50cm→安装管桩第六层 HN300细梁、牛腿→安装第六道双HN700围檩→围堰内注水至围堰外水面标高→水下开挖至承台底下3.0m→灌注厚3.0mC20水下混凝土→抽水后安装第七道双HN700围檩。

封底混凝土采用水下灌注方法，考虑混凝土灌注时导管埋深一般在2~4m，过浅将使新灌入的混凝土从导管四周翻起.影响封底混凝土灌注质量，所以将封底混凝土厚度定为3.0m。

 

3.2施工准备

(1)钢板桩的吊运

钢板桩装卸宜采用两点吊,吊运时,每次起吊的钢板桩根数不宜过多,并应注意保护锁口免受损伤。吊运方式有成捆起吊和单根起吊。成捆起吊通常采用钢索捆扎,而单根吊运常用专用的吊具。

(2)钢板桩接长及检查

1)本工程钢板桩材料采用拉森Ⅳ型钢板桩，截面尺寸为:宽400mm,高 185mm,厚度 16.1mm。

2)钢板桩接长使用12m和15m钢板桩接长,焊接时先对焊或将接口处补焊合缝,再焊加固板,相邻板桩接长缝要错开布置;

3)检查钢板桩整体应该顺直,没有扭曲、变形，如有焊接缝，焊缝牢固可靠。

4)钢板桩之间靠锁扣联结,钢板桩检查中,锁扣是检查的重点之一。主要看锁扣是否完好,有无扭曲变形,锁孔内有无堵塞等,如有问题应及时处理。

(3)钢板桩整理

钢板桩运到工地后，需进行整理。清除锁口内杂物(如电焊瘤渣、废填充物等)，对缺陷部位加以整修。

(4)锁口润滑及防渗措施

对于检查合格的钢板桩，为保证钢板桩在施工过程中能顺利插拔，并增加钢板桩在使用时防渗性能。每片钢板桩锁口都须均匀涂以黄油。

(5)钢板桩堆放

钢板桩堆放的地点要选择在不会因压重而发生较大沉陷变形的平坦而坚固的场地上，并便于运往打桩现场。堆放时注意以下几点:

1)堆放的顺序、位置、方向和平面布置等应考虑到以后的施工方便;

2)钢板桩要按型号、规格、长度分别堆放,并在堆放处设置标牌说明;

3)钢板桩应分层堆放,每层堆放数量一般不超过5根,各层间要垫枕木,枕木间距一般为 3~4m,且上、下层垫木应在同一垂直线上，堆放的总高度不宜超过2m。

(6)第一层围檩及内支撑加工

20*主墩承台钢板桩围堰设计采用水平环形钢支撑,主要由HN700*300型钢加工而成。围檩构件在现场加工组拼安装。各层围檩、内支撑结构详见2 O# 主墩围堰施工图。

(7)振桩设备检查

我部钢板桩插打采用80吨履带吊插打钢板桩施工前对振钢板桩的振桩锤(150型)、吊绳、夹具、振桩锤等进行检查、检修，确保振桩时性能良好，能满足钢板桩插打施工。

(8)平台的拆除

基桩施工完成后,开始拆除钻孔施工平台。平台拆除顺序为从上游向下游分段逐步拆除。先进行面板、分配梁的拆除，再拆除贝雷梁、承重梁,最后进行钢管的拔除。

(9)第一次清淤

平台拆除完后，清理河床表面，探查钢板桩插打区域一定深度范围内是否存有片石及散落钢材,确保钢板桩顺利插打。

 

 

3.3钢板桩的插打

(1)支撑系统及导向加工安装

基桩施工完成后，及时拆除施工平台,用坐标定位法搭设15根钢管立柱,安装第一层围作为插打钢板桩导向装置,然后再逐根插打钢板桩。

(2)钢板桩插打的技术要求

已插人的钢板桩,倾斜度≤5%;每组钢板桩插人正确位置偏差≤±15mm;钢板桩靠紧内导向架的距离不大于20mm;

(3)钢板桩的起插及过程控制

钢板桩插打采用80t履带吊配合振桩锤进行。插打前先派技术员对河床底面的标高进行一次摸底，以便算出每块钢板桩具体的插打深度，保证其效果达到最佳。各项准备工作就绪后,利用第一层围檩架设工字钢作为导梁，确保插打第一片钢板桩的垂直度。第一片钢板桩以导梁为定位、垂直插(此项工作应反复仔细校正钢板桩位，确保垂直)至设计标高。其余各钢板桩,则以已插好的钢板桩为准,起吊后人工扶持插人前一片钢板桩锁口，然后用振拨锤振动下沉。整个施工过程中,要用锤球始终控制每片桩的垂直度,及时调整。调整工具有千斤顶、木楔等。插打过程中,须遵守“插桩正直,分散偏差,有偏即纠调整合拢”的施工要点。

(4)钢板桩的插打次序及合拢

钢板桩的插打从上游开始，往两个相反方向前进，最后直到下游合拢。插打时尽可能先用标识完好的钢板桩，合拢段选择符合同一标准尺度的钢板桩插打。在插打过程中宜先将钢板桩逐根插打到稳定深度,然后依次插打,打至不能再打为止,一般情况不能小于设计深度。在垂直度有保证的条件下，可一次振打到位。

钢板桩插打时要考虑在锁口采取密封措施，如使用黄油,涮所有锁口,以防止漏水。

在距离合拢口还有最后十根钢板桩时，需要提前测量合拢口,以便测算异型钢板的上下尺寸,并进行精确纠偏;钢板桩合拢后,再将未打到设计标高的桩逐一复打到位,确保钢板桩围堰顶口标高基本一致。

钢板桩在合拢后，需及时与顶层围檩之间进行焊接固定，以确保钢板桩围堰的整体稳定性，在圆形钢板桩维护与围檩之间空隙较大段落灌注C30细石早强混凝土,之间较小空隙的地方,则采用短型钢加工而成的钢楔进行塞紧,然后进行焊接固定。

钢板桩插打过程中，可能遇到另外的问题有共连,扭转及水平伸长等,在此将相应的预防措施及处理方法列举如下表:

表1钢板桩施工常见问题及措施表

 

 

 

3.4基坑开挖及围檩内支撑安装

板桩合拢第一层围檩固结后,第二、三层围檩安装,采取分层抽水分层安装方法施工。进入土层后采用挖掘机配合吊斗对承台范围内土体进行分层开挖，开挖至+8.0m处安装第四层围檩并固结开挖至+6.0m处，安装第五层围檩并固结，开挖至+4.4m处安装第六层围檩并固结,第六层围檩在粘土层上面，由干挖法施工至粘土层上面在理论上和经验上是可以的。第七层围檩的施工要根据现场渗水量确定是水下开挖还是干挖。从前面的计算来看,干开挖在理论上是成立的。做为应急措施，若围堰内渗水量过大则改为水下开挖方式(估计在第六层围檩安装之后)施工,先往围堰内注水至围堰外面水位，然后采用高压水枪配合泥浆泵清除围堰内土体至封底混凝土标高，灌注水下封底混凝土。

硬粘土层的湿挖方式:当开挖至标高为7.5m处时，由于地质为粘土层,土质较硬且含砂砾石，部分已形成沉积岩。水下开挖难度大，高压水枪难以把粘土液化，本项目采用了“水刀”的方式进行切碎，然后再用抓斗进行抓土。具体做法如下:

(1)由于粘土层厚度为3m,下为砂层,利用振动锤把钢管打到粘土层下方，然后再把钢管拔出来，钢管内的粘土随钢管一并带出，形成一个孔。把吸泥泵放进孔内，抽空粘土下方的砂层，使粘土与砂土分开,制孔间距为1米见方,呈梅花形布置。

(2)制作水刀,水刀所用材料为工字钢或钢板桩。就是在钢板桩两侧布置2个高压水枪。如下图所示:

(3)用振动锤夹住水刀往下振，如同切豆腐一样，一块块切把粘土切下来。由于粘土层下方是空的,水刀切粘土时亦变得非常容易。

 

 

图4“水刀”示意图

 

由于钢板桩在插打过程中受多方面的影响，整个围堰的侧面顺直度会有一定影响，型钢安装后与钢板桩之间有一定的间隙。为防止围堰的变形，要求将型钢与钢板桩之间的间隙较大的采用C50细石早强混凝土填充，较小间隙填塞钢片。当围堰内淤泥开挖至设计标高后，应观察基底开挖质量，如欠挖或超挖较多时,应采取相应措施加以处理。对欠挖处进行补挖,超挖过多处利用碎石回填,确保封底混凝土的厚度满足要求。

最后，潜水工潜入水底,用高压水枪将桩头四周及钢板桩四周淤泥冲洗干净,以保证封底砼与护筒、钢板桩接触严密，减小缝隙渗水量。

 

3.5封底混凝土浇筑

水下封底混凝土厚度为3.0m，采用导管灌注混凝土，按照水下混凝土施工工艺,合理选择导管布设位置以及布设数量，确保封底混凝土的强度质量达到要求，不会漏水。

(1)导管布置

封底导管设置4套，浇筑过程中根据现场实际情况周转。导管直径为30cm。

导管架设在型钢架上,导管安装应注意以下事项;1)所有导管在安装前应进行检查,不应有破漏接头完好无大的变形和坏损。

2)各导管之间的密封圈要安装正确，确保密封效果。

3)事先测量好安装点标高,计算导管的长短组合，确定悬空在20-40cm之间。

(2)设置汇水井

水下混凝土封底后，需进行抽水清基。为汇集积水，须设置汇水井。可用汽油桶内装黄沙密封下沉就位,筒顶略高出封底混凝土顶面,用铁丝固定,以防水下混凝土灌注时推移变位。

(3)注意事项

封底砼封底施工中,主要应注意以下事项:

1)坍落度的控制原则是先小后大,前期宜小以便埋导管,后宜大，以便砼顶面平坦。具体大小主要根据现场情况作适当调整，原则上仍应控制在180-200mm 之间。

2)当导管经过长时间浇筑时，应每隔半小时左右活动一下导管的埋深应根据现场实际控制.但一般情况宜控制在0.5米左右。

3)应制作较规范的测锤，不得用大螺帽、卸扣等代替,以便较准确的分清砼与浮泥。

4)在浇筑过程中不断测量砼面的上升、扩散情况，以便及时拆换导管等。

5)尽最大努力避免浇筑过程的停顿,力争连续不断的浇筑。

6)认真控制砼顶面高度，控制目标是封底标高误差在±10cm 以内。

7)通过测锤测绳和其他辅助措施检测浮泥厚度，如有必要进行吸泥处理。

8)在导管转换位置的过程中,注意吊装安全。

9)导管悬空应严格控制在20~30cm，防止首批砼下放后导管脱空的现象;

10)如出现个别地方不足时，重新补料时，一定要将导管插人已浇封底砼不小于50cm,并安装大料斗进行砼浇注,以确保封底砼的质量。

 

3.6桩头破除、基底清理

当封底砼强度达到80%以上时，采用空压机对桩头进行破除,破除顶层松散砼,直至设计高,如破除至设计标高后桩顶砼质量仍不合格，将继续往下破除,直至砼质量合格面,低于设计标高部分采用接桩处理。破除过程中注意对钢筋、声测管的保护，严禁损伤桩基钢筋、声测管，声测管内严禁杂物落人。另外,注意控制破除(接桩)后的桩顶标高,设计图纸要求桩顶标高进入承台底20cm。当桩基破除完毕后,及时清理基底,待检查结果合格后,立即进行承台施工,加快承台施工进度,减少钢板桩围堰风险。 

 

3.7围檩支撑系统的拆除

第一层承台(3m高)施工完毕模板拆除后，拆除第七道围檩，在承台与围堰空隙内回填易密实材料并压实,在塔身高出水面后,在承台上安装好电梯与塔吊的底座及支架钢管，然后边回填边拆除围檩支撑,回填至河床面。

 

3.8钢板桩的拔除

围檩拆除后，在施工塔柱上部节段时根据实际水位情况,选择合适时机拔出钢板桩,钢板桩拔除从下游侧开始。

 

5结语

 

(1) 围堰广泛用于桥梁基础施工,其结构形式丰富多样,设计和结构受力计算复杂,施工时一定要因地制宜，并结合自身材料和机械，严格筛选施工方案，并综合考虑工期、风险、质量、成本、环境保护航道安全、防洪防汛等各方面因素，选取合理的施工工艺。此次大直径圆形钢板桩的施工成功拓展了拉伸钢板桩在深大基坑中的使用空间。

 

(2)“水刀”的使用大大加快了硬质粘土的开挖进度,为以后工程提供了一种新的方法。

 

 

 

 

参考文献:

[1]马学峰,龚志刚,揣国新等.钱江四桥主墩双壁钢围堰设计与施工[J]桥梁建设,2004,(1):40-42,50.

[2]宋金博,蒋根谋.七浦塘大桥双壁围堰设计与施工[J].铁道建筑,2010,(9):19-21.

[3]赵兴寨,张斌斌,刘蓓等.襄樊汉江五桥双壁钢围堰分层分块施工技术[J].铁道建筑,2011,(12):31-33.

[4]孙建勋.青岛海湾大桥锁口式钢套箱围堰设计与施工[J].施工技术,2009,38(11):109-112.

[5]鲜正洪,粟学平.集美大桥锁口式钢套箱围堰设计与施工[J].铁道建筑,2011,(5):28-30.

[6]叶三元,李蘅,万启宣等.雁洲水(船)闸工程双排钢板桩围堰设计[J].人民长江,2011,42(1):22-25.

[7]高加云,顾倩燕,李小军等.软土地基大跨度双排钢板桩围堰结构稳定性研究[J].水运工程2009,(z1):50-55.

[8]乐早发.水中圆形钢板桩围堰施工技术[J]铁道建筑技术,2009,(10):45-50.

[9]张俊庆.汉宜铁路彭市汉江特大桥主墩基础钢板桩围堰施工技术[J].铁道标准设计,2011,(4):70-73.

[10]景兆德.京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术[J].铁道标准设计2010(4):47-50中图分类号:U443.1 文献标识码:B 文章编号:

 

作者简介:李仁民(1976-),男,安徽滁州人.东南大学博士、国家注册岩土工程师,主要从事地下结构工程、地基基础和环境岩土工程工程等方面的教学和科研工作。