鋼板樁圍堰在超厚砂卵石層橋梁深水基礎(chǔ)施工中的運(yùn)用

冉兵

【摘 要】本文以重慶市合川區(qū)涪江四橋11#交界墩水下基礎(chǔ)施工為依托，從鋼板樁圍堰施工方案的比選、設(shè)計(jì)與施工三個(gè)方面，闡述了鋼板樁圍堰在超厚砂卵石層橋梁深水基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用，為以后同類型工程深水基礎(chǔ)施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】鋼板樁圍堰超厚砂卵石層深水施工

引言：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通日益繁忙，在大江、大河等深水環(huán)境下建造大型橋梁已經(jīng)成為常態(tài)。如何在深水中更快更好的進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)施工，是擺在所有橋梁建設(shè)者面前的重大課題。鋼板樁圍堰施工方案與其它方案相比，具有工藝簡(jiǎn)單、施工期間臨時(shí)占用水面較小、安全、施工風(fēng)險(xiǎn)易于控制等諸多優(yōu)勢(shì)，在深水基礎(chǔ)施工中得到了廣泛的應(yīng)用。一般情況下，鋼板樁圍堰在砂類土、黏性土、碎石土等易于插打的軟質(zhì)土體上應(yīng)用較多，在超厚砂卵石地質(zhì)條件下應(yīng)用較少。

1工程概況

重慶市合川區(qū)涪江四橋是連接合川區(qū)高校園區(qū)與小安溪生態(tài)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的重要通道，全長(zhǎng)756m，橋面寬33.5m，主橋?yàn)殡p幅式，單幅梁體寬度16.75m，主橋?yàn)?4+160+84=328m連續(xù)剛構(gòu)拱組合體系。主橋11#交界墩按基礎(chǔ)整修，墩身分修，墩身采用圓端形實(shí)體墩。承臺(tái)橫向長(zhǎng)27.85m，縱向?qū)?.0m、高3m，承臺(tái)底標(biāo)高+194.063m，施工時(shí)水位標(biāo)高為+203.0m，水深8.937m，河床底標(biāo)高+194.5m。承臺(tái)部分位于河床中，承臺(tái)下接群樁基礎(chǔ)，樁基采用直徑為1.5m的嵌巖樁，橫向8排，縱向2排。主橋橋型布置圖如圖1。

涪江四橋位于涪江的合川城區(qū)段，20年一遇洪水位+205.16m，百年一遇的洪水位+220.75m。橋位下游為草街電站，因電站蓄水影響，橋位常年水位較穩(wěn)定，其水位主要隨電站蓄水情況變化，根據(jù)水文站近兩年的水位統(tǒng)計(jì)，常年水位為+203.0m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流水速度為1.0m/s，洪水季一般在6-9月份。

11#交界墩位于涪江河谷上，地勢(shì)較平緩，橋梁架空高度為36.67m～37.67m，縱向地形坡角5°，橫向地形坡角0～4°，主要覆蓋有第四系人工素填土和卵石，覆蓋厚度為10.1～11.7m，卵石含量占50%～70%，最大粒徑為16cm，呈亞圓形狀，中風(fēng)化，成份以灰?guī)r、砂巖為主，充填物主要為粘性土，局部含細(xì)砂。下伏基巖主要為J2s砂巖、泥巖，強(qiáng)風(fēng)化厚度約為2.3m～2.6m，強(qiáng)風(fēng)化底界面隨地形起伏而起伏。

2方案設(shè)計(jì)

涪江四橋主橋11#交界墩臨近涪江北岸，施工空間受原堤防工程的水下連續(xù)擋墻及已施工完成的12#、13#主墩雙壁鋼圍堰的影響，施工區(qū)域極為狹窄，大型施工設(shè)備進(jìn)出困難。根據(jù)施工總體安排，11#交界墩的施工時(shí)間在主墩12#、13#水下基礎(chǔ)基本完成之后開始，采用先在臨時(shí)鋼管樁平臺(tái)上施工鉆孔樁、再圍水施工承臺(tái)的先樁后承臺(tái)方式。時(shí)值2014年3月，根據(jù)水文資料，6月涪江將進(jìn)入汛期，工期僅3個(gè)月，異常緊張，如何選取安全、優(yōu)質(zhì)、快速的施工案顯得尤其重要。

2.1施工方案比選

根據(jù)該橋位處的水深、水文、地質(zhì)等相關(guān)情況以及工地現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況、施工組織設(shè)計(jì)的總體工期安排，結(jié)合我司技術(shù)裝備水平和現(xiàn)有設(shè)備、人員情況，我們對(duì)雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰三個(gè)施工方案從施工工期、安全風(fēng)險(xiǎn)、施工難度及施工成本四個(gè)方面進(jìn)行了綜合比選。

（1）施工工期比較。見表1。

（2）施工風(fēng)險(xiǎn)比較。見表2。

（3）施工操作性比較。見表3。

（4）施工成本比較。見表4.

通過以上對(duì)比分析，鋼板樁圍堰為首選方案。

2.2圍堰設(shè)計(jì)

（1）鋼板樁的規(guī)格

鋼板樁的規(guī)格采用市場(chǎng)上常見的德國(guó)拉森IV型鋼板樁，具體參數(shù)如表5。

（2）鋼板樁圍堰的具體設(shè)計(jì)

11#墩基礎(chǔ)采用16根φ1.5m的鉆孔樁基礎(chǔ)，承臺(tái)為矩形，平面尺寸27.85×6m，厚3m，承臺(tái)頂高程+197.063m，墩位處河床為卵石層，清理后河床高程為+192.0m，基礎(chǔ)施工采用先平臺(tái)后圍堰施工方案，承臺(tái)施工采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰，圍堰設(shè)防水位+203.0m，設(shè)置兩層圈梁，鋼板樁圍堰的平面尺寸為8.4×29.95m，施工人員安裝模板操作空間順橋向每側(cè)預(yù)留1.2m，橫橋向每側(cè)預(yù)留1.05m。圍堰內(nèi)采取兩層內(nèi)支撐圈梁，圈梁材料選取現(xiàn)場(chǎng)主墩12#、13#圍堰施工留下的既有材料HM588×300型鋼和φ630×8鋼管，材質(zhì)均為Q235B。頂層圈梁及對(duì)撐采用HM588×300型鋼，底層圈梁采用雙肢HM588×300型鋼，對(duì)撐采用φ630×8鋼管，具體設(shè)計(jì)圖見圖2、圖3。

2.3結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算主要包括：鋼板樁的入土深度、鋼板樁的強(qiáng)度和內(nèi)支撐圈梁的強(qiáng)度否滿足要求。

（1）計(jì)算主要參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，卵石土的容重γ=22.5kN/m3，浮容重γ浮=12.5kN/m3，γw=9.8kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=20°，Ka=0.49，Kp=2.04。拉森IV鋼板樁為Q295bz鋼板樁，允許應(yīng)力[σ]=174Mpa，型鋼為Q235B鋼材，允許應(yīng)力[σ]=170Mpa。

（2）鋼板樁入土深度計(jì)算

墩位處河床為+192m，在封底混凝土施工時(shí)，鋼板樁入土深度最為不利，此時(shí)，僅考慮頂層內(nèi)支撐作用，頂層內(nèi)支撐高程為+203.5，澆筑封底混凝土?xí)r，圍堰內(nèi)的封底混凝土產(chǎn)生側(cè)壓力，荷載簡(jiǎn)圖如下：

則鋼板樁入土為：

1/2γ（Ka-Kp）x2=1/2[（Kaγ浮h-γwH）×（2.5+x）]

解得x=4.5m，實(shí)際鋼板樁入土深度5.063m，滿足要求。

（3）鋼板樁強(qiáng)度驗(yàn)算

采用MIDAS建立模型，荷載考慮靜水壓力，根據(jù)實(shí)際情況，建立兩個(gè)階段的模型，階段1：圍堰內(nèi)封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，圍堰內(nèi)抽水完畢，承臺(tái)準(zhǔn)備施工，此時(shí)鋼板樁與封底混凝土頂面鉸接，頂、底層圈梁處水平約束。階段2：承臺(tái)施工完畢，回填承臺(tái)與鋼板樁間的空隙，在承臺(tái)頂面與鋼板樁之間設(shè)置抄墊混凝土圈梁，拆除底層內(nèi)支撐，準(zhǔn)備開始墩身施工，此時(shí)鋼板樁與封底混凝土頂面鉸接，抄墊的混凝土圈梁處水平約束，頂層圈梁處水平約束。計(jì)算結(jié)果如表6

由上表可知鋼板樁滿足要求。

（4）內(nèi)支撐圈梁強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)實(shí)際施工的兩個(gè)的階段，建模計(jì)算得出每個(gè)階段兩層圈梁的最大反力統(tǒng)計(jì)如表7。

根據(jù)表7里的反力統(tǒng)計(jì)，通過Midas對(duì)兩層圈梁建模，偏安全取底層圈梁荷載為230kN/m，頂層圈梁荷載為55kN/m，建模計(jì)算模型示意圖如圖5。

計(jì)算結(jié)果如表8所示：

經(jīng)驗(yàn)算圈梁設(shè)計(jì)滿足要求。

2.4鋼板樁的試插打

在砂卵石地質(zhì)中插打鋼板樁較困難，可能因卵石粒徑大或者卵石層板結(jié)導(dǎo)致無法插打至設(shè)計(jì)深度，在施工準(zhǔn)備之前須對(duì)鋼板樁進(jìn)行專項(xiàng)的插打工藝試驗(yàn)，于2014年3月22日將兩塊長(zhǎng)度為9m的拉森IV鋼板樁焊接連接在一起，利用工地現(xiàn)有的50t浮吊和DZ-90型振動(dòng)錘，在11#交界墩附近選取相同地質(zhì)的地方進(jìn)行插打，插打過程中鋼板樁振幅較大為±2cm，無彎折、破損情況，以插打至基本無貫入度停止插打，鋼板樁插打?qū)嶋H深度為5.6m，滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)踐證明此方案是可行的。

3方案實(shí)施

3.1施工工藝流程

施工準(zhǔn)備 →鋼板樁試插打→圈梁制作 →底層圈梁下放、定位→頂層圈梁安裝定位→鋼板樁插打→吸泥清基 →圍堰封底 →抽水完成→支撐轉(zhuǎn)換→拔出鋼板樁。

3.2施工機(jī)械設(shè)備的選定

根據(jù)鋼板樁插打深度產(chǎn)生的摩擦力要求，選擇了DZ90型震動(dòng)錘，用50t自航式全回轉(zhuǎn)浮吊配合其施工，具體設(shè)備需求如表9.

3.3施工準(zhǔn)備

（1）鋼板樁的整理

鋼板樁在拼組前對(duì)其進(jìn)行檢查、丈量、分類、編號(hào)，按設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算出使用鋼板樁的數(shù)量，以確保夠用。對(duì)于樁身殘缺、殘跡、不整潔、銹皮、卷曲等都要做全面檢查，并采取相應(yīng)措施，以確保正常使用。

（2）預(yù)留吊、拔樁用孔

鋼板樁在吊裝運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)事先鉆好孔，拔樁孔須焊接加勁板，以免拔樁時(shí)拉裂。

（3）鎖扣涂油

鋼板樁兩側(cè)鎖口均在插打前用黃油或熱的混合油膏（質(zhì)量配合比為黃油：瀝青：干鋸末：干粘土=2：2：2：1）進(jìn)行涂抹以減少插打過程中的摩阻力，并增加其防滲的性能。

（4）檢查振動(dòng)錘

振動(dòng)錘是打拔鋼板樁的關(guān)鍵設(shè)備，在插打鋼板樁之前派專業(yè)人員進(jìn)行檢查，確保線路暢通，功能正常。

3.4圈梁安裝

底層、頂層圈梁均采用12#、13#主墩底托盤回收材料現(xiàn)場(chǎng)制作，先拼裝底層圈梁和連接桿，安裝底層圈梁之前，利用樁基施工時(shí)的鋼護(hù)筒作為支撐，浮吊吊裝底層圈梁和連接桿至設(shè)計(jì)高程，并將底層圈梁臨時(shí)打稍在鋼護(hù)筒上，然后再拼裝頂層圈梁，安裝牛腿，并將連接桿與頂層圈梁焊接成整體。

3.5鋼板樁定位插打

鋼板樁插打以圈梁作為導(dǎo)向梁，采用50t浮吊配合DZ-90型液壓振動(dòng)錘單片插打，遵守“插樁垂直，分散即糾，調(diào)整合攏”的原則。插打順序從上游向下游，從一角向另一角插打，在下游合攏。在超厚砂卵石層地質(zhì)條件下鋼板樁的插打遇到以下問題，通過改進(jìn)施工方法得以克服。

（1）砂卵石層中鋼板樁難以插打到位，在插打過程中，遇到粒徑較大卵石導(dǎo)致無法插打到位的時(shí)候，通過采用反復(fù)的提起再插打，擾動(dòng)砂卵石，砂卵石受擠壓位移，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的入土深度。

（2）鋼板樁插打垂直度偏差大，首片鋼板樁插打應(yīng)從兩個(gè)相互垂直的方向同時(shí)控制，且應(yīng)緊靠頂層圈梁邊緣徐徐下降，待插入河床后，用“口”形型鋼定位架限制鋼板樁位移，插打就位后首片鋼板樁與頂層圈梁固定牢靠，利用首片鋼板樁做為導(dǎo)向，以確保后續(xù)鋼板樁的垂直度。

（3）圍堰合攏采取根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)角落兩臨近板樁的距離和傾斜情況現(xiàn)場(chǎng)特制角樁，確保圍堰順利合攏。

3.6施工注意事項(xiàng)

（1）在插打鋼板樁圍堰前，在圍堰上下游一定距離及兩岸陸地設(shè)置測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)，用以控制圍堰長(zhǎng)、短邊方向的鋼板樁的施打定位。在插打過程中隨時(shí)監(jiān)控每塊樁的斜度不超過2%，當(dāng)偏斜過大不能用拉齊方法調(diào)正時(shí)，拔起重打。

（2）插打鋼板樁時(shí)從第一塊就要保持平整，嚴(yán)格控制垂直度，幾塊插好打穩(wěn)后即與圈梁固定，然后繼續(xù)插打。鋼板樁起吊后須以人力扶持插入前一塊的鎖口內(nèi)，動(dòng)作要緩慢，防止損壞鎖口，插入以后可稍松吊繩，使樁憑自重滑入，或用錘重下壓，比較困難時(shí)，也可以用滑車組強(qiáng)迫插樁，待插入一定深度并站立穩(wěn)定后，方可加以錘擊。

（3）單樁逐根連續(xù)插打，樁頂高程不宜相差太大。

（4）鋼板樁打樁前進(jìn)方向的鎖口下端用木栓塞住，防止泥砂進(jìn)入鎖口內(nèi)，影響以后插打。凡帶有接頭的鋼板樁應(yīng)與無接頭的樁錯(cuò)開使用，不得已時(shí)其接頭水平位置至少應(yīng)上下錯(cuò)開2m以上。

（5）保證鋼板樁插打正直順利合龍的措施是隨時(shí)糾正歪斜，歪斜過甚不能用拉擠辦法整直者要拔起重打，糾正無效時(shí)，應(yīng)特制楔形樁合龍。

（6）當(dāng)鋼板樁難以下插時(shí)，應(yīng)停下來分析原因，檢查鎖口是否變形，樁身是否變形，鋼板樁有無障礙物等，不能一味蠻干，磨損鋼板樁。

3.7圍堰抽水及基坑排水

鋼板樁插打完成后，按方案設(shè)計(jì)要求進(jìn)行封底混凝土澆筑，待封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，便可進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水。

抽水時(shí)，為保證鋼板樁圍堰底層圈梁的受力均勻，當(dāng)抽水抽到底層圈梁時(shí)，須用小塊型鋼將圈梁與鋼板樁之間的縫隙填滿檢查后繼續(xù)抽水。從圍堰內(nèi)抽水時(shí)，若發(fā)現(xiàn)有滲漏，鎖口沒有密封好發(fā)生漏水時(shí)，可用板條、棉絮、麻線等在板內(nèi)側(cè)嵌塞，水較大時(shí)可在漏縫外側(cè)水中拋投煤灰拌鋸末，效果顯著。

在澆注找平砼時(shí)表面設(shè)置2%的排水縱坡，在鋼板樁圍堰邊設(shè)置排水溝和排水井，再用水泵抽出圍堰外，以達(dá)到基坑排水的目的。圍堰抽水過程中作好鋼板樁圍堰的變形監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)圍堰變形超過設(shè)計(jì)控制位移立即停止抽水，對(duì)圍堰做相應(yīng)加固處理措施后方可繼續(xù)抽水。

3.8鋼板樁拔出

承臺(tái)澆筑完畢后，拔除鋼板樁。拔樁起點(diǎn)從離開角樁第5根開始，從下游開始分兩側(cè)向上游挨次拔除。鋼板樁拔樁前，先給圍堰內(nèi)回灌水至要拆除的內(nèi)支撐的位置，拆除該層內(nèi)支撐。之后繼續(xù)回灌水，從下到上依次拆除內(nèi)支撐。拆除最后一層內(nèi)支撐后，使內(nèi)外水壓平衡，板樁擠壓力消失。

拔樁時(shí)，盡量使板樁下部與混凝土脫離，然后再進(jìn)行拔樁。先略錘擊振動(dòng)各拔高1～2m，然后挨次將所有鋼板樁均拔高1～2m，使其松動(dòng)后，再挨次拔除，對(duì)樁尖打卷及鎖口變形的樁，可加大拔樁設(shè)備的能力，將相鄰的樁一齊拔出。

4實(shí)施效果

在鋼板樁圍堰完成抽水后對(duì)圍堰進(jìn)行了質(zhì)量驗(yàn)收，主要以圍堰位置偏差、主要構(gòu)件的受力變形及圍堰的止水情況進(jìn)行驗(yàn)收，具體數(shù)據(jù)如表10。

通過對(duì)涪江四橋11#交界墩鋼板樁圍堰施工，總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：采用反復(fù)插打鋼板樁可擾動(dòng)砂卵石，能使鋼板樁插打至設(shè)計(jì)深度，但普通鋼板樁在插打過程中有6%的鋼板樁尖端變形及產(chǎn)生缺口，采用鋼板在鋼板樁尖端焊接加強(qiáng)，可避免此類情況；圈梁內(nèi)支撐先焊接拼裝成整體下放后插打鋼板樁的施工順序比先插打鋼板樁再抽水逐層安裝圍檁和內(nèi)支撐的施工順序能使圍堰結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力減小，縮短施工工期，降低施工風(fēng)險(xiǎn)；圈梁的水下定位采用施工樁基的鋼護(hù)筒做為定位和支撐，操作便捷；頂層圈梁直接替代鋼板樁插打的導(dǎo)向梁，可以省去導(dǎo)向梁的工序；采用支撐于承臺(tái)上的砼圈梁與底層圈梁進(jìn)行支撐體系轉(zhuǎn)換，可試鋼圍堰設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單；瀝青和鋸末在水下1-6m深度范圍內(nèi)止水效果顯著，超過6m水深的位置采用鋸末和瀝青法堵漏效果差，采用潛水工安裝止水條效果好。

5結(jié)束語

重慶市合川區(qū)涪江四橋主橋11#交界墩于2014年4月5日開始鋼板樁圍堰施工準(zhǔn)備，4月20日鋼板樁插打完成，4月24日封底混凝土成功澆筑。抽水后，鋼板樁圍堰的垂直度、平面位置均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且無滲漏，完全達(dá)到了預(yù)期效果。圖堰抽水后現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6。

11#交接墩于5月15日完成承臺(tái)施工，5月22日完成4.5m墩身施工，提前完成了在汛期來臨前出水的施工目標(biāo)。

鋼板樁圍堰在涪江四橋11#交接墩超厚砂卵石層深水基礎(chǔ)的施工中取得了很好的效果，該方案在實(shí)施過程中非常順利，達(dá)到了安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效的目的。

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