27 m深水鋼板樁圍堰“逆作法”施工技術(shù)

王 東，成宏永

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 齊河 251100)

1 工程概況

常益長鐵路沅江特大橋橋梁全長1 386.1 m，主跨為224 m矮塔加勁剛構(gòu)斜拉橋。521#-522#墩為主橋邊墩、輔墩，橋墩基礎(chǔ)采用11根呈梅花型布置的?2.0 m的鉆孔樁。521#墩承臺底標(biāo)高為13.732 m，522#墩承臺底標(biāo)高為13.207 m，承臺為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為19.1 m×12.8 m×4.0 m。施工水位+30.0 m，最大流速1.2 m/s，河床地質(zhì)為砂卵石層，采用“先平臺后圍堰”的施工方法進(jìn)行基礎(chǔ)施工。

521#-522#墩均采用鋼板樁圍堰進(jìn)行承臺施工，采用進(jìn)口的27 m長新日鐵NSP-IVw600×210型鋼板樁，設(shè)置3道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用型鋼進(jìn)行加工，3道內(nèi)支撐通過聯(lián)結(jié)系連成整體。圍堰長21.6 m、寬14.4 m、高27.0 m，鋼板樁頂標(biāo)高+30.5 m，樁底標(biāo)高+3.5 m，封底混凝土厚3.6 m。鋼板樁結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 521#-522#墩鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圍堰設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包括：內(nèi)支撐、吊放系統(tǒng)及導(dǎo)向系統(tǒng)。

2 方案比選

各類鋼圍堰的適用條件如表1所示。

由表1可知，從水深和覆蓋層兩個(gè)關(guān)鍵條件來講，521#-522#墩圍堰采用鋼套箱最為合適，但鋼套箱圍堰整體施工周期長、用鋼量較大、費(fèi)用高且回收率低。綜合考慮工期壓力和成本因素，決定采用鋼板樁圍堰，但522#墩設(shè)計(jì)水位至承臺底距離為16.8 m，超出了適用的深水范圍，如按傳統(tǒng)的“先打樁，再逐層降水逐層安裝內(nèi)支撐”工藝施工，各工況檢算、鋼板樁抗彎強(qiáng)度將嚴(yán)重超限；如采用“先安支撐，后打樁”的新工藝，各工況檢算、圍堰結(jié)構(gòu)受力能滿足要求。

表1 各類鋼圍堰的適用條件

3 施工方案

3.1 總體方案[1-2]

一是提前制作圍堰內(nèi)支撐，進(jìn)行半成品施焊拼組；二是拆除鉆孔平臺，在鉆孔樁鋼護(hù)筒上焊接內(nèi)支撐拼組牛腿；三是因?yàn)殂@孔樁為梅花型布置，需要提前處理下放內(nèi)支撐時(shí)有障礙的鋼護(hù)筒及混凝土樁頭；四是接長鋼板樁到設(shè)計(jì)長度；五是預(yù)開挖河床到底層內(nèi)支撐標(biāo)高以下；六是內(nèi)支撐下放到位后進(jìn)行鋼板樁插打至合攏，進(jìn)行后續(xù)的基坑開挖、混凝土封底；七是封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后抽水進(jìn)行承載圍堰內(nèi)支撐的牛腿的安裝焊接、鋼護(hù)筒割除，承臺施工。

3.2 技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)

一是內(nèi)支撐的整體拼裝質(zhì)量與下放過程中的位置偏差控制；二是與水平撐管位置沖突的鋼護(hù)筒及內(nèi)部混凝土樁頭的清除；三是27 m超長鋼板樁接長的直線度及打設(shè)的垂直度控制；四是圍堰使用完畢后內(nèi)支撐的拆除。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

主要施工流程為：平整河床→割除內(nèi)支撐處鋼護(hù)筒→安裝內(nèi)支撐拼裝平臺牛腿→制作并拼裝3層內(nèi)支撐及聯(lián)結(jié)系→安裝改造提升的鋼護(hù)筒→安裝吊掛下放裝置→提升并下放內(nèi)支撐→插打鋼板樁→圍堰清淤至封底混凝土底標(biāo)高→澆筑封底混凝土→抽水、承臺施工→拆除鋼板樁圍堰。

4.1 河床預(yù)開挖及整平

因墩位處河床地質(zhì)屬板結(jié)卵石與碎砂石混合型，且河床高于圍堰第3層支撐的設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)反復(fù)嘗試探索，采用了空壓機(jī)的氣舉法+長臂挖機(jī)的組合方式進(jìn)行河床開挖。長臂挖機(jī)主要用于松動局部板結(jié)層，空壓機(jī)氣舉用于大規(guī)模開挖。預(yù)開挖為自然塌方放坡式開挖，開挖方量較大，且過程中會不斷回淤，故開挖需要超過第3層內(nèi)支撐最少0.5 m，才可以滿足內(nèi)支撐順利的吊放到位。

4.2 沖突部位鋼護(hù)筒的處理

圍堰四角的4根鋼護(hù)筒與斜撐位置沖突，中心的鋼護(hù)筒與平撐位置沖突，均需提前處理。通過振動錘吊掛鋼管樁試打的方式探測到5根鋼護(hù)筒內(nèi)混凝土樁頭均高于第3層內(nèi)支撐標(biāo)高。為了加快進(jìn)度，將原設(shè)計(jì)的四角斜撐的?1 000 mm×12 mm的鋼管更換為?630 mm×12 mm鋼管+C50混凝土填充的鋼管樁混凝土結(jié)構(gòu)，因管徑變小，避開了四角的臨近鋼護(hù)筒。針對中心的鋼護(hù)筒，先用泥漿泵及高壓水槍對鋼護(hù)筒內(nèi)鉆孔樁殘余淤泥進(jìn)行清理，之后在鋼護(hù)筒內(nèi)低于水面6 m的位置安裝三角形支撐，采用人工清除高出的混凝土樁頭部分，最后水下割除鋼護(hù)筒。通過上述兩種措施，確保了內(nèi)支撐的下放能順利到位。

4.3 平臺搭設(shè)及內(nèi)支撐拼裝

在外圍鉆孔樁的鋼護(hù)筒外側(cè)焊接牛腿，因枯水期水位穩(wěn)定，牛腿底部高出河水面30 cm即可。內(nèi)支撐由圍檁和撐桿構(gòu)成，在后場加工各類構(gòu)件，對隱蔽性焊縫及關(guān)鍵部位焊縫進(jìn)行跟蹤查看，做好記錄。因圍堰3層內(nèi)支撐為整體結(jié)構(gòu)，制作時(shí)先將長、短邊圍檁焊接為整體，然后將3層的各類撐桿用豎向連接桿件焊接為整體，再將各層圍檁與撐桿拼焊成整體。

4.4 提升系統(tǒng)安裝和內(nèi)支撐吊放

采用千斤頂和精軋螺紋鋼做內(nèi)支撐的提升下放系統(tǒng)，拼組完內(nèi)支撐后在四角鋼護(hù)筒上高出第2層內(nèi)支撐1 m以上部位安裝提升墊梁、千斤頂?shù)忍嵘到y(tǒng)；在第2層內(nèi)支撐的圍檁底部四角各安裝一根托梁，用于固定螺紋鋼的底部(如圖2所示)。在內(nèi)支撐上安裝導(dǎo)向限位裝置，吊放入水過程中，實(shí)時(shí)復(fù)測內(nèi)支撐的平面位置，及時(shí)調(diào)整，確保偏差符合要求。

圖2 提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.5 鋼板樁接長及插打

制作鋼板樁接長胎具，放樣制作鋼板樁對接模具，嚴(yán)格控制直線度，對變形鋼板樁進(jìn)行校正，對接頭處進(jìn)行打磨，確保鋼板樁順直度。在打設(shè)時(shí)，采取雙向控制垂直度，同時(shí)嚴(yán)格控制每片樁的平面位置，確保順利合攏。對于27 m的超長鋼板樁，初始下沉速度要緩慢，入土10 m后方可加快下沉速度。針對河床局部有硬層易導(dǎo)致鋼板樁打脫槽的情況，可在樁底的鎖槽附近焊接1根長約20 cm的?16 mm圓鋼作為限位防脫裝置，可有效防止脫槽現(xiàn)象的發(fā)生。

為了確保插打位置準(zhǔn)確，第1片鋼板樁定位準(zhǔn)確是保證插打質(zhì)量的關(guān)鍵。在內(nèi)支撐上按照設(shè)計(jì)位置設(shè)置一個(gè)用型鋼制作的鋼板樁限位框架，框架內(nèi)部大小比鋼板樁每邊放大1 cm，吊裝插入鋼板樁，讓鋼板樁背靠內(nèi)支撐豎直，調(diào)整好鋼板樁的垂直度后用振動錘打入。把第1根鋼板樁和內(nèi)支撐焊接固定，然后以第1根鋼板樁為基準(zhǔn)，再分別向兩邊對稱插打鋼板樁直至合攏。

4.6 清淤及封底

鋼板樁打設(shè)合攏后，二次基坑開挖吸泥至設(shè)計(jì)標(biāo)高，用鋼護(hù)筒水下清洗器、高壓水槍對封底混凝土厚度以內(nèi)的鋼護(hù)筒外壁、鋼板樁腹板及根部進(jìn)行清洗，最后進(jìn)行水下混凝土封底，砼強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后抽水、割除鋼護(hù)筒、破除樁頭，進(jìn)行承臺作業(yè)。

4.7 內(nèi)支撐拆除

承臺完成后進(jìn)行內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換，墩身施工完成后常規(guī)割除第3層內(nèi)支撐。但第1、2層支撐因受力較大，無法采用傳統(tǒng)的“干割法”進(jìn)行割除，設(shè)計(jì)方案為圍堰完全回灌水后用潛水員水下割除，但因成本較高、不易割透，且構(gòu)件割斷后在應(yīng)力釋放時(shí)會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象給潛水員的人身安全帶來很高的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)研究論證后，采用了“先割離，后回水，再吊除”的創(chuàng)新工藝。即在圍堰內(nèi)注水至內(nèi)支撐下50 cm，先將圍檁用“L”形縫割斷(如圖3所示)，割斷后長、短邊圍檁由原全焊固結(jié)變?yōu)榛ハ嗲短字蔚你q接方式；然后將四角斜撐鋼管在靠近長邊圍檁處割開一寬2 cm的縫隙，縫隙割除過程中兩端會再次擠壓受力，在割斷的四大塊內(nèi)支撐構(gòu)件上設(shè)置吊裝鋼絲繩提前牽引至樁頂拴系好，同法處理第1層內(nèi)支撐。圍堰內(nèi)注水與河面持平，先拔除部分鋼板樁對內(nèi)支撐進(jìn)行應(yīng)力釋放，再依次吊除第1層、第2層內(nèi)支撐預(yù)先割斷的大塊構(gòu)件。

圖3 內(nèi)支撐割除

5 結(jié)束語

常益長沅江特大橋水中墩27 m鋼板樁圍堰“逆作法”施工中進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，成功探索出了一種深水基坑超長鋼板樁的施工工藝，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。工效高、經(jīng)濟(jì)成本低，為類似工況的橋梁基礎(chǔ)施工提供了成熟的經(jīng)驗(yàn)借鑒。