富水區大型鋼板樁圍堰施工技術

黨芳英

(中鐵一局集團有限公司施工技術部，西安 710054)

1 工程概況

國內某高速鐵路水中大橋是國內南北兩個大型城市鐵路工程樞紐，為四線鐵路橋，ZK活載。橋位處該河河道寬度1 860 m，設計主槽寬度670 m。主橋為(112+3×168+112)m下承式剛性梁柔性拱橋。橋臺采用φ2.0 m鉆孔灌注樁，主橋墩采用φ2.5 m鉆孔灌注樁，樁長90～105 m。主墩承臺厚度6.0 m，平面尺寸43.5 m×23.3 m。總體橋式布置如圖1所示。

2 地質水文情況

橋位處水流沖刷大，地質地層以第四系河流相粉質土為主，其間多夾粉、細、中砂及粉土、薄層黏土或透鏡體。其中覆蓋層40 m以下姜石含量較高，姜石層分布較多。橋址范圍第一層土主要為軟塑的粉質黏土、黏土及稍密的粉土組成，厚度9～22.5 m;第二層為硬塑的粉質黏土、黏土及中密的粉土及中密的砂層組成，厚度2.4～11.8 m;第三層為硬塑狀的粉質黏土組成，厚度鉆孔未揭露。

河道平均水流速度為2.1 m/s。河道冬期枯水期僅河道有水，圍堰區屬于富水漫灘地。

圖1 總體橋式布置(單位:cm)

3 方案設計

該水中承臺的施工初期，經過現場材料調查、地質資料等情況的分析對3種方案進行比較:鋼套箱方案、混凝土圍囹方案和鋼板樁〔1〕防護方案。后經計算比選〔2，3〕:鋼套箱方案鋼材投入多、回收率低，下沉時設備及人員投入多，工序復雜;混凝土圍囹方案施工周期長，施工質量不易控制，施工難度大，且對后續施工有一定干擾;再因為橋位處河道沖刷厚度為7.2～11.3 m，其下有2～3 m厚硬塑狀黏土層，枯水期河床沖刷層范圍沉積層主要以粉砂土為主，適合選用鋼板樁圍堰施工，而且鋼板樁防護方案能夠迅速展開施工，速度快，周期短，且支護材料可回收利用，可以滿足現場施工的各種要求，所以該工程最終選用德國拉森Ⅳ型鋼板樁防護方案。

該方案所依托的承臺尺寸42.5 m×23.3 m，設置鋼板樁圍堰尺寸46.5 m×28.3 m。圍堰尺寸巨大，支撐復雜，不利于挖掘設備開展施工，加長鋼板樁插打長度配合高壓射水清淤〔4〕屬于最合理的施工方法，基坑底高程及平整度便于控制。鋼板樁圍堰平面、立面見圖2，圖3。

圖2 鋼板樁圍堰平面布置(單位:cm)

4 設計計算

圖3 鋼板樁圍堰立面(單位:cm)

鋼板樁的長度主要根據安全支護需要來計算［5］選擇，不僅要考慮現場地質水文及承臺封底情況，還要考慮鋼板樁自身穩定、土層穩定、堰內管涌情況等影響因素。

4.1 技術參數

粉質黏土、黏土土體容重:r=17.5 kN/m3;土體內摩擦角:φ=27.8°;土體總應力黏結力 Cu=31.8 kPa;鋼板樁采用Ⅳ型拉森樁，75 kg/m，每1 m寬截面模量W=2 037 cm3，允許應力為［σ］=210 MPa。

4.2 鋼板樁及其內支撐計算［6］

按等彎矩計算確定3層支撐能滿足要求，計算后間距分別為:2.8 m，3.2 m，3.5 m。

4.2.1 鋼板樁計算

圍堰外1.5 m處荷載布置為q=5 kN/m2，計算中取豎向每延米的鋼板樁為梁，圍囹為支座進行計算。

鋼板樁圍堰機械開挖到原地面下2.2 m，未安裝完內第一道支撐時為工況1［7］;待安裝完第1道內支撐，繼續開挖到直至第2道內支撐高程，此時為工況2;一直循環作業直到安裝第3道內支撐，繼續開挖至設計高程，此時為工況4。接著進行基底處理。

工況計算簡圖見圖4。

計算結果見表1。

4.2.2 鋼板樁最終長度確定

圖4 鋼板樁入土深度計算簡圖(單位:m)

鋼板樁伸出地面高程0.5 m，地表距承臺頂面4 m，承臺高度6 m，入土深度設為11.5 m:主要考慮到圍堰處河床范圍為2～3 m厚硬塑狀黏土層，為了避免水流對河床的沖刷影響，并且想越過河床表面松散粉砂地質層，將鋼板樁打入該黏土層以下，這樣就將鋼板樁長度最終取值22 m。鋼板樁長度雖然較設計增加了4.4 m，但圍堰內在清淤完成后可以不進行水下封底，而是直接抽干圍堰內的水，再澆筑20 cm厚混凝土墊層。實踐證明，該方案非常成功。

表1 鋼板樁入土應力及其支撐受力匯總

4.3 圍囹及內支撐計算(表2)

表2 圍囹及內支撐檢算匯總

4.4 抗基底翻起驗算

基底開挖較深時，當鋼板樁背后的土柱重力超過基底底面以下地基土的承載力時，地基的平衡狀態受到破壞，可能發生基底翻起(圖 5)，需要驗算［6，8］。由于采用井點降水措施［9］，計算過程中按無水開挖進行計算，鋼板樁單根長度按22 m計算。

穩定系數

式中，MO為轉動力矩;My為穩定力矩;Cu為地基土黏結力，取31.8 kPa，土按勻質土考慮。

穩定系數 K=2×3.14×31.8/(5+10.5×15)=199.7/162.5=1.23≥1.2。該安全系數中，穩定力矩未考慮土體與22 m鋼板樁之間的摩擦力以及垂直面上的抗剪強度對土體下滑的阻力，故偏于安全。滿足設計與施工要求。

圖5 抗基底翻起示意(單位:m)

4.5 圍堰布置

該圍堰由單層鋼板樁和3層內撐梁組成，鋼板樁內支撐圈梁為I56型鋼組合結構，內支撐為φ630 mm鋼管。每層水平支撐在順橋向與橫橋向錯層布置，順橋向支撐在下，2種支撐在交叉處采用抱箍連接，四角安裝角撐;內支撐采用若干標準管節和兩端的調節管節組合而成;各管節間采用法蘭連接。3層支撐均設6道順橋向支撐，3道橫橋向支撐。

5 施工要點

5.1 鋼板樁鎖口檢查

鋼板樁運到工地后進行檢查，分類存放。

鎖口檢查的方法［10-11］:用1塊長約2 m的同類型、同規格的鋼板樁作標準，將所有同型號的鋼板樁作鎖口通過檢查。對于檢查出來的鎖口扭曲及“死彎”進行及時的校正，校正后再用標準鋼板樁進行檢查，直至合格。

5.2 鋼板樁施打

5.2.1 插打順序

鋼板樁的插打次序為先從長邊角點開始，依次施打各邊，在短邊的角點附近合龍。接近合龍時最后的15片樁采取先合龍再打插的方式，以便于對樁位隨時調整保證順利。

5.2.2 鋼板樁插打

施打采用40 t龍門吊配合液壓振動錘在平臺上進行。平臺上需要設置導向裝置，然后用定位卡具在導向裝置內將鋼板樁固定牢固(圖6)，將鋼板樁逐根插打到位。

圖6 導向架設施構造

5.2.3 鋼板樁插打質量控制

鋼板樁鎖口內均應涂以黃油混合油膏［10］(質量配合比為:黃油 ∶瀝青 ∶干鋸末 ∶干黏土=2∶2∶2∶1)，以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。

5.3 圍堰合龍

合龍施工插打至合龍面時，精確丈量尺寸，考慮到鋼板樁鎖口的間隙和鋼板樁本身性能，合龍面尺寸應大于理論尺寸15～20 cm為宜，避免合龍口尺寸過小。

5.3.1 鋼板樁合龍

由于圍堰尺寸巨大，當合龍鋼板樁插下時，由于經過調整的間距不能完全平行，必須施加壓力才能使合龍板樁插下。當鋼板樁尚有很大長度未能套入鎖口，又不能采用錘擊方法打下時，可在頂端安裝復式滑車組，并將滑車組下端固定，將鋼板拉入鎖口［10，12］。在插樁過程中，做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調整合龍”的要點。

5.3.2 異型鋼板樁

采用上述措施鋼板樁仍無法合龍時，可以制作異型鋼板樁進行合龍。

(1)丈量合龍口寬度［10］。

(2)鋼板樁異形樁制作:鋼板樁進行調整和丈量尺寸后，根據合龍口的寬度及鎖口的形式，制作異形鋼板樁(圖7)。若合龍口寬度為40 cm左右時，可制成對扣式異型鋼板樁。焊縫務必飽滿牢固。

圖7 異型樁構造

5.4 圍堰內清淤及支撐系統

內支撐安裝與清淤工序相互結合，確保施工安全［12］。簡要步驟如下。

(1)圍堰內河床面較高，在圍堰合龍后以河床為依托，即安裝第一道內支撐。采用油頂頂撐伸縮裝置，并打緊固定鋼銷子。

(2)然后采用高壓水槍配合吸泥泵清淤。清淤至下道支撐下0.5 m時，安裝下道內支撐。頂撐伸縮裝置，并打緊。依次安裝到第3道支撐安裝完畢，繼續清淤至基底。因圍堰插打科學合理，基底涌水量得到有效控制，所以基底澆筑20 cm厚混凝土墊層就可滿足施工要求。然后安裝豎向支撐，在各層支撐之間設置加強桁架。

5.5 內支撐拆除與拔樁

圍堰內支撐與承臺混凝土施工相互關聯。承臺分2次澆筑，先后拆除第3、2層內支撐。每澆筑完一層，及時在承臺與鋼板樁間回填砂土，增加圍堰穩定性。最后拆除頂層內支承，拔除鋼板樁。

6 結語

該工程充分利用平臺龍門吊機安裝圍堰內支撐，減少機械使用數量，縮短了工期。以鋼護筒為依托，保留部分鉆孔平臺，給施工提供了場地;以圍囹兼作導向架之用，簡化了工序，節約鋼材。且該水中承臺施工安排在冬季枯水季節進行，充分利用圍堰處河床地質情況和水文情況，采用加長鋼板樁圍堰長度，節省了封底混凝土，縮短了工期，且鋼板樁還可以回收利用。實踐證明，該方案的實施非常順利，承臺質量可靠，施工工期較計劃提前2個月，為同類工程施工積累了寶貴經驗。

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