鋼板樁圍堰在灄水特大橋施工中的應(yīng)用

邱國(guó)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(yīng)用

邱國(guó)平

（中鐵大橋局湖北武漢430050）

本文結(jié)合工程實(shí)例，簡(jiǎn)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(guò)程控制。

鋼板樁；圍堰；施工

1 工程概況

灄水特大橋?yàn)楹衔滂F路湖北段的控制性工程，橋位河床開(kāi)闊，河槽常年有水。22、23、24#墩為水中主墩，承臺(tái)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(shí)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(diào)節(jié)，水位最低時(shí)與長(zhǎng)江水位平，水位最高時(shí)由長(zhǎng)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(zhì)情況

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，水中墩地質(zhì)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(xì)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(fēng)化基巖。

3 施工方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，在橋址下游兩堤岸之間已修建了一條寬6m長(zhǎng)340m的鋼棧橋，作為河?xùn)|的施工通道及水中墩施工材料及機(jī)械設(shè)備進(jìn)出、混凝土輸送通道。灄水特大橋?yàn)楹衔滂F路湖北段的控制性工程，工程任務(wù)量大，工期十分緊張，這要求水中墩施工在確保安全質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益的情況下，施工周期最短。為此，在確定水中墩承臺(tái)施工時(shí)，考慮了3種方案。

方案一：填土筑島施工。此工法在跨越魚(yú)塘、小河溝等情況下常采用。因?yàn)椝哟查_(kāi)闊，河槽常年有水，河床較深，采用大規(guī)模筑島，約需土方4.5萬(wàn)方，土方砌筑高度達(dá)7m，經(jīng)測(cè)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(chǔ)為透水性強(qiáng)的粗砂，易造成預(yù)留河道淤積堵塞，不能滿足每年在5～8月份漲水期200～500t運(yùn)砂機(jī)舶通行要求；同時(shí)，在筑島完成后進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)仍需進(jìn)行深基坑支護(hù)。此方案需向外借大量土方進(jìn)行填筑，且無(wú)法滿足水務(wù)部門(mén)通航要求，在施工中難以執(zhí)行。

方案二：鋼套箱圍堰施工。利用樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒作為樁基礎(chǔ)施工平臺(tái)，樁基施工完畢后拆除部分鉆孔平臺(tái)，利用剩余鉆孔平臺(tái)，在水上施工平臺(tái)上搭設(shè)承臺(tái)施工鋼圍堰的起吊架，再進(jìn)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(nèi)抽水后進(jìn)行承臺(tái)施工，待承臺(tái)、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(guī)方案，大約需投入圍堰模板及內(nèi)支撐60t，施工工藝較成熟，但施工內(nèi)容較多，施工周期太長(zhǎng)，且鋼圍堰在墩身澆筑完后需進(jìn)行水下切割，成本較大，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。

方案三：鋼板樁圍堰施工。利用樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒作為樁基礎(chǔ)施工平臺(tái)，樁基施工完畢后拆除鉆機(jī)，將履帶吊機(jī)開(kāi)往施工平臺(tái)，通過(guò)震動(dòng)打樁錘將鋼板樁插打在待施工的承臺(tái)四周，形成鋼板樁圍堰。安裝內(nèi)支撐，抽水堵漏，清理至承臺(tái)底標(biāo)高，再進(jìn)行承臺(tái)施工，待承臺(tái)、墩身施工完后，拆除承臺(tái)、墩身模板，進(jìn)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(nèi)容較少，可看作水中深基坑施工；同時(shí)，鋼板樁圍堰插打時(shí)間很短，拔除費(fèi)用不高，不需要進(jìn)行水下切割施工，此方案優(yōu)勢(shì)明顯，缺點(diǎn)是需作好水下堵漏工作。

經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,考慮施工工期緊張，決定采用矩形單層鋼板樁圍堰進(jìn)行水中墩承臺(tái)施工。

4 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告及工程所在地場(chǎng)地特點(diǎn)，結(jié)合鋼板樁的特性、施工方法等方面進(jìn)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(zhì)資料及作業(yè)條件選用鋼板樁長(zhǎng)度為15m，要求鋼板樁入土深度達(dá)樁長(zhǎng)0.5倍以上。鋼板樁插打范圍為承臺(tái)的平面尺寸外加1.5m寬的施工預(yù)留空間，即：尺寸為16.4m×13.6m（如圖1）。打樁設(shè)備為QUY70履帶吊機(jī)1臺(tái)、CM2-120型振動(dòng)錘1臺(tái)、液壓拔樁機(jī)1臺(tái)。

圖1 鋼板樁圍堰示意圖單位：cm

在設(shè)計(jì)時(shí)，首先按先抽水再挖土的干挖法設(shè)計(jì)，對(duì)選用鋼板樁長(zhǎng)度、基坑穩(wěn)定性能進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 坑底涌砂驗(yàn)算

圍堰基坑處于含松散粗砂夾卵石，對(duì)基坑內(nèi)抽水可能引起涌砂的危險(xiǎn)。

用滲流理論對(duì)基坑進(jìn)行涌砂驗(yàn)算（如圖2），不產(chǎn)生涌砂的安全條件為：

式中：K—安全系數(shù)；

在施工中，水位為20.00m，鋼板樁長(zhǎng)度為15m，設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高為12.008m，河床地面標(biāo)高為15.45m，鋼板樁高出施工水位50cm,則：

圖2 基坑涌砂驗(yàn)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(kāi)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(yàn)算

當(dāng)圍堰內(nèi)抽水和基坑挖深時(shí)，由于圍堰內(nèi)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(fā)生擠高隆起現(xiàn)象（如圖3）。不滑動(dòng)安全系數(shù)為：

圖3 坑底隆起驗(yàn)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(qiáng)度，即：Su=r（H-h）/2=32kN

Nc—承載力系數(shù)。

由于基坑挖深不深（H/B≤1），可取太沙基的承載力系數(shù)Nc=5.7。

則：Ks=5.7×32/(20×2.719+50.5)=1.74。

由以上驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)本基坑在使用15m長(zhǎng)鋼板樁的情況下，對(duì)基坑不出現(xiàn)涌砂情況的安全系數(shù)為2.13≥2.0；不出現(xiàn)隆起的安全系數(shù)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(nèi)支撐設(shè)計(jì)

在確保安全的前提下，基坑支撐的施工與基坑內(nèi)水位的下降按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行，結(jié)合本基坑工程的特點(diǎn)，共設(shè)2層內(nèi)支撐。導(dǎo)梁采用雙拼I56b工字鋼，支撐采用雙拼I45b工字鋼組成，下料長(zhǎng)度按實(shí)際丈量長(zhǎng)度在現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)到工地后，進(jìn)行檢查、分類(lèi)、編號(hào)及登記。整修后鋼板樁應(yīng)符合下列技術(shù)要求：

每組鋼板樁的寬度允許偏差為±30mm。

鎖口內(nèi)外應(yīng)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(yīng)盡量緊密，間隙不得大于3mm。

鎖口整修后應(yīng)用同類(lèi)型3m長(zhǎng)的短鋼板樁作試驗(yàn)，以2～3人拉動(dòng)通過(guò)為宜，或以電動(dòng)絞車(chē)牽動(dòng)，最大牽引力不超過(guò)5kN；鎖口通不過(guò)或樁身有彎曲、扭曲、死彎等缺陷，采用冷彎，熱敲（溫度不超過(guò)800～1000℃），焊補(bǔ)、鉚補(bǔ)、割除、接長(zhǎng)等方法加以整修；同時(shí)接頭強(qiáng)度與其它斷面相等，接長(zhǎng)焊接時(shí)，用堅(jiān)固夾具夾平，以免變形，在焊接時(shí)，先對(duì)焊，再焊接加固板，對(duì)新樁或接長(zhǎng)樁、在樁端制作吊樁孔。

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

5.2 鋼板樁的組拼

選擇、整修鋼板樁，將長(zhǎng)度相同的每三塊鋼板樁套連成組，同時(shí)將黃油、瀝青混合物嵌入鎖口內(nèi)；組樁及單樁的鎖口內(nèi)，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(shí)的摩阻力，并加強(qiáng)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(nèi)導(dǎo)環(huán)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(cè)量定位及導(dǎo)向安裝

為確保打入樁的精度，利用已有的樁基鋼護(hù)筒施工平臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)向設(shè)置。測(cè)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(jī)+震動(dòng)錘（CM2-120型）組合而成。鋼板樁檢查合格后，將鋼板樁運(yùn)至指定位置，然后用QUY70履帶吊機(jī)的兩個(gè)吊鉤將其吊起和放下，使鋼板樁成垂直狀態(tài)，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(nèi)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(shí)逐個(gè)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(shí)，一次將樁打到要求深度；垂直度較差時(shí)，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(guò)程中，應(yīng)做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調(diào)整合攏”的要點(diǎn)。

5.5 插打鋼板樁預(yù)防傾斜的措施

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

采用復(fù)式滑車(chē)組糾正鋼板樁的傾斜。

5.6 鋼板樁鎖口漏水預(yù)防措施(抽水堵漏)

鋼板樁插打完，即進(jìn)行基坑抽水施工。因水位較高，須加設(shè)內(nèi)支撐，先支撐再抽水，并檢查各節(jié)點(diǎn)是否頂緊，防止因抽水而出現(xiàn)事故。抽水速度不能過(guò)快，且要隨時(shí)觀察鋼板樁圍堰的變化情況。當(dāng)鎖口不緊密漏水時(shí)，用棉絮等在內(nèi)側(cè)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(nèi)水抽干后，進(jìn)行基坑開(kāi)挖清理至承臺(tái)底設(shè)計(jì)標(biāo)高，進(jìn)行承臺(tái)墩身施工（如圖6所示：樁頭鑿除及基坑清理）。

5.7 、拔樁

承臺(tái)、墩身施工完后，拆除承臺(tái)、墩身模板，進(jìn)行鋼板樁拔除施工。

鋼板樁拔樁前，先將圍堰內(nèi)的支撐，從下到上陸續(xù)拆除，并陸續(xù)灌水至圍堰外水位，使內(nèi)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(jī)夾住鋼板樁頭部振動(dòng)1min～2min，使鋼板樁周?chē)耐了蓜?dòng)，產(chǎn)生“液化”，減少土對(duì)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(jié)語(yǔ)

鋼板樁插打完畢，基坑支撐與基坑內(nèi)水位的下降按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行。并在抽水的同時(shí)施行適當(dāng)?shù)亩侣┐胧映楦伤螅汕宄^察到圍堰擋水止水效果：鋼板樁圍堰內(nèi)僅留1臺(tái)小水泵抽出剩余漏水即可；基坑內(nèi)也沒(méi)有出現(xiàn)滲漏、管涌等現(xiàn)象，本橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工質(zhì)量良好。

[1]凌冶平.基礎(chǔ)工程[M].北京：人民交通出版社.

[2]殷萬(wàn)壽.水下地基與基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社.

[3]J162-2002,鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

[4]TZ213-2005,客運(yùn)專線鐵路橋涵施工技術(shù)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(guó)平(1964-)，男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師。