鋼板樁圍堰在灄水特大橋施工中的應用

邱國平

（中鐵大橋局湖北武漢430050）

鋼板樁圍堰在灄水特大橋施工中的應用

邱國平

（中鐵大橋局湖北武漢430050）

本文結合工程實例，簡述拉森Ⅳ型鋼板樁在灄水特大橋水中主墩圍堰施工方案，施工方法和過程控制。

鋼板樁；圍堰；施工

1 工程概況

灄水特大橋為合武鐵路湖北段的控制性工程，橋位河床開闊，河槽常年有水。22、23、24#墩為水中主墩，承臺尺寸為13.4m×10.6m×4.0m。主墩處河床面高程約15.45m，水位為20m時水深4.5m。灄水河在橋位處的水位由下游橡膠壩蓄水或泄水調節，水位最低時與長江水位平，水位最高時由長江水倒灌控制。流量Q1%=4920m3/s，水位H1%=29.72m，流速Vp=1.82m/s。

2 工程地質情況

根據巖土工程勘察報告，水中墩地質土層分布由上至下依次為：

淤泥層，黑色，軟-流塑，層厚1.5m；

松散細砂，黃色、層厚1.3m；

松散中砂及粗砂（70%），含少量卵石，層厚1.55m；

松散粗砂（70%）及卵石（30%），層厚3.72m；

松散粗砂（60%）及卵石（40%），層厚2.27m；

中密粗砂（60%）及卵石（40%），層厚2.48m；

中風化基巖。

3 施工方案選擇

根據現場的施工條件，在橋址下游兩堤岸之間已修建了一條寬6m長340m的鋼棧橋，作為河東的施工通道及水中墩施工材料及機械設備進出、混凝土輸送通道。灄水特大橋為合武鐵路湖北段的控制性工程，工程任務量大，工期十分緊張，這要求水中墩施工在確保安全質量、經濟效益的情況下，施工周期最短。為此，在確定水中墩承臺施工時，考慮了3種方案。

方案一：填土筑島施工。此工法在跨越魚塘、小河溝等情況下常采用。因灄水河床開闊，河槽常年有水，河床較深，采用大規模筑島，約需土方4.5萬方，土方砌筑高度達7m，經測量放線，填土圍堰布置于接近河中心，縮窄了航道，堰體擋水高度較大，基礎為透水性強的粗砂，易造成預留河道淤積堵塞，不能滿足每年在5～8月份漲水期200～500t運砂機舶通行要求；同時，在筑島完成后進行基坑開挖時仍需進行深基坑支護。此方案需向外借大量土方進行填筑，且無法滿足水務部門通航要求，在施工中難以執行。

方案二：鋼套箱圍堰施工。利用樁基礎鋼護筒作為樁基礎施工平臺，樁基施工完畢后拆除部分鉆孔平臺，利用剩余鉆孔平臺，在水上施工平臺上搭設承臺施工鋼圍堰的起吊架，再進行墩位處鋼圍堰拼裝，下鋼套箱圍堰，下沉、清基、封底施工，鋼圍堰內抽水后進行承臺施工，待承臺、墩身、墩帽施工完畢后，拆除鋼圍堰。此方案為水中墩施工常規方案，大約需投入圍堰模板及內支撐60t，施工工藝較成熟，但施工內容較多，施工周期太長，且鋼圍堰在墩身澆筑完后需進行水下切割，成本較大，經濟效益不明顯。

方案三：鋼板樁圍堰施工。利用樁基礎鋼護筒作為樁基礎施工平臺，樁基施工完畢后拆除鉆機，將履帶吊機開往施工平臺，通過震動打樁錘將鋼板樁插打在待施工的承臺四周，形成鋼板樁圍堰。安裝內支撐，抽水堵漏，清理至承臺底標高，再進行承臺施工，待承臺、墩身施工完后，拆除承臺、墩身模板，進行鋼板樁拔除施工。此方案用鋼板樁代替了圍堰模板，施工內容較少，可看作水中深基坑施工；同時，鋼板樁圍堰插打時間很短，拔除費用不高，不需要進行水下切割施工，此方案優勢明顯，缺點是需作好水下堵漏工作。

經過技術經濟比較,考慮施工工期緊張，決定采用矩形單層鋼板樁圍堰進行水中墩承臺施工。

4 鋼板樁圍堰設計

根據巖土工程勘察報告及工程所在地場地特點，結合鋼板樁的特性、施工方法等方面進行考慮，選用拉森Ⅳ型鋼板樁。該型鋼板樁寬度適中，抗彎性能好，依地質資料及作業條件選用鋼板樁長度為15m，要求鋼板樁入土深度達樁長0.5倍以上。鋼板樁插打范圍為承臺的平面尺寸外加1.5m寬的施工預留空間，即：尺寸為16.4m×13.6m（如圖1）。打樁設備為QUY70履帶吊機1臺、CM2-120型振動錘1臺、液壓拔樁機1臺。

圖1 鋼板樁圍堰示意圖單位：cm

在設計時，首先按先抽水再挖土的干挖法設計，對選用鋼板樁長度、基坑穩定性能進行驗算。

4.1 坑底涌砂驗算

圍堰基坑處于含松散粗砂夾卵石，對基坑內抽水可能引起涌砂的危險。

用滲流理論對基坑進行涌砂驗算（如圖2），不產生涌砂的安全條件為：

式中：K—安全系數；

在施工中，水位為20.00m，鋼板樁長度為15m，設計坑底標高為12.008m，河床地面標高為15.45m，鋼板樁高出施工水位50cm,則：

圖2 基坑涌砂驗算示意圖

板樁的有效深度t=6.508m；板樁打入土中的深度h1= 9.95m；開挖深度rs=2.719；h’=8.492m；空隙比e=0.82；r’= 1.10g/cm3

水力梯度i=h’/(h1+t)=0.516

K=r’/(i·rw)=1.10/(0.516·1)=2.13

4.2 坑底隆起驗算

當圍堰內抽水和基坑挖深時，由于圍堰內基坑底面上水壓與土壓的不平橫力，坑底軟土可能受擠在坑底發生擠高隆起現象（如圖3）。不滑動安全系數為：

圖3 坑底隆起驗算示意圖

Ks=Nc·Su/(rH+q)

式中：q—圍堰外土面以上的超荷載；即：q=50.5kN

Su—抗剪強度，即：Su=r（H-h）/2=32kN

Nc—承載力系數。

由于基坑挖深不深（H/B≤1），可取太沙基的承載力系數Nc=5.7。

則：Ks=5.7×32/(20×2.719+50.5)=1.74。

由以上驗算發現本基坑在使用15m長鋼板樁的情況下，對基坑不出現涌砂情況的安全系數為2.13≥2.0；不出現隆起的安全系數為1.74≥1.2。所以，本基坑選用抽水干挖法滿足施工要求。

4.3 鋼板樁圍堰內支撐設計

在確保安全的前提下，基坑支撐的施工與基坑內水位的下降按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進行，結合本基坑工程的特點，共設2層內支撐。導梁采用雙拼I56b工字鋼，支撐采用雙拼I45b工字鋼組成，下料長度按實際丈量長度在現場加工改制。

5 鋼板樁圍堰施工方法

5.1 鋼板樁的整修

將鋼板樁運到工地后，進行檢查、分類、編號及登記。整修后鋼板樁應符合下列技術要求：

每組鋼板樁的寬度允許偏差為±30mm。

鎖口內外應光潔、并呈一直線。

鎖口在拼裝處的高低偏差均不得大于2mm。

鎖口拼接處應盡量緊密，間隙不得大于3mm。

鎖口整修后應用同類型3m長的短鋼板樁作試驗，以2～3人拉動通過為宜，或以電動絞車牽動，最大牽引力不超過5kN；鎖口通不過或樁身有彎曲、扭曲、死彎等缺陷，采用冷彎，熱敲（溫度不超過800～1000℃），焊補、鉚補、割除、接長等方法加以整修；同時接頭強度與其它斷面相等，接長焊接時，用堅固夾具夾平，以免變形，在焊接時，先對焊，再焊接加固板，對新樁或接長樁、在樁端制作吊樁孔。

全長不得有焊瘤、鋼板或其他突出物，應保持平滑，兩端均應切割整齊，上端按拔樁需要開圓孔（千斤繩眼）并焊鋼板加固圓孔；每組長度誤差相對中間一塊長度應在2mm以內。鋼板樁的扭曲及彎曲應符合施工規范要求。

5.2 鋼板樁的組拼

選擇、整修鋼板樁，將長度相同的每三塊鋼板樁套連成組，同時將黃油、瀝青混合物嵌入鎖口內；組樁及單樁的鎖口內，涂以黃油混合物油膏（重量配合比為：黃油∶瀝青∶干鋸末∶干粘土=2∶2∶2∶1），以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。

焊接鋼板樁，檢查鋼板樁兩邊鎖口用弧形夾箍將鋼板樁夾成與內導環相符的弧度。

鋼板樁組鎖口縫用棉絮和桐油灰嵌縫，嵌縫方法用竹桿塞棉絮，外面再涂一道桐油灰或防水油膏。

5.3 測量定位及導向安裝

為確保打入樁的精度，利用已有的樁基鋼護筒施工平臺進行導向設置。測量放出鋼板樁插打的平面位置。

5.4 鋼板樁的插打

插打鋼板樁采用履帶吊機+震動錘（CM2-120型）組合而成。鋼板樁檢查合格后，將鋼板樁運至指定位置，然后用QUY70履帶吊機的兩個吊鉤將其吊起和放下，使鋼板樁成垂直狀態，脫出小鉤，移向安插位置，插入已就位的鋼板樁鎖口中。

起吊前，鎖口內填嵌黃油瀝青混合料。箍緊鋼板樁用的弧形卡箍，在插入鎖口時逐個拆除。

鋼板樁逐塊（組）插打到底或全圍堰（矩形圍堰可為一邊），先插合攏后，再逐塊（組）打入，矩形圍堰一般先插上游邊，在下游合攏。

圖4 鋼板打樁深度

在鋼板樁的垂直度較好時，一次將樁打到要求深度；垂直度較差時，分兩次施打，即先將所有的樁打入約一半深度后，再第二次打到要求深度(圖4)。

在插樁過程中，應做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調整合攏”的要點。

5.5 插打鋼板樁預防傾斜的措施

在插鋼板樁前，除在鎖口內涂以潤滑油以減少鎖口的磨阻力外，同時在未插套的鎖口下端打入鐵楔或硬木楔，防止沉入時泥砂堵塞鎖口。

采用復式滑車組糾正鋼板樁的傾斜。

5.6 鋼板樁鎖口漏水預防措施(抽水堵漏)

鋼板樁插打完，即進行基坑抽水施工。因水位較高，須加設內支撐，先支撐再抽水，并檢查各節點是否頂緊，防止因抽水而出現事故。抽水速度不能過快，且要隨時觀察鋼板樁圍堰的變化情況。當鎖口不緊密漏水時，用棉絮等在內側嵌塞，在樁腳漏水處，采用混凝土墊層等措施（如圖5：基坑抽水堵漏）。

圖5 基坑抽水堵漏

圖6 基坑清理

鋼板樁圍堰內水抽干后，進行基坑開挖清理至承臺底設計標高，進行承臺墩身施工（如圖6所示：樁頭鑿除及基坑清理）。

5.7 、拔樁

承臺、墩身施工完后，拆除承臺、墩身模板，進行鋼板樁拔除施工。

鋼板樁拔樁前，先將圍堰內的支撐，從下到上陸續拆除，并陸續灌水至圍堰外水位，使內外水壓平衡，使板樁擠壓力消失，并與部分混凝土脫離(指有水下混凝土封底部份)。再在下游選擇一組或一塊較易拔除的鋼板樁，用拔樁機夾住鋼板樁頭部振動1min～2min，使鋼板樁周圍的土松動，產生“液化”，減少土對樁的摩阻力，然后慢慢的往上振拔（如圖7所示：鋼板樁拔樁施工）。

圖7 鋼板樁拔樁

6 結語

鋼板樁插打完畢，基坑支撐與基坑內水位的下降按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進行。并在抽水的同時施行適當的堵漏措施，基坑抽干水后，可清楚觀察到圍堰擋水止水效果：鋼板樁圍堰內僅留1臺小水泵抽出剩余漏水即可；基坑內也沒有出現滲漏、管涌等現象，本橋鋼板樁圍堰設計施工質量良好。

[1]凌冶平.基礎工程[M].北京：人民交通出版社.

[2]殷萬壽.水下地基與基礎[M].北京：中國鐵道出版社.

[3]J162-2002,鐵路橋涵施工規范[S].

[4]TZ213-2005,客運專線鐵路橋涵施工技術指南[S].

On Application of Steel Sheet Pile in Coffer-Dam Construction

With practical instances cited form the construction of the key piers in water of Sheshui Super Large Bridge,this writer of the paper provides a brief description of the steel sheet pile coffer-dam construction technology concerning the construction plan,construction method and process control.

steel sheet pile;coffer-dam;construction

U443.16+2

A

1671-9107（2011）10-0008-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.10.008

2011-06-28

邱國平(1964-)，男，大學本科，高級工程師。