淺海鋼板樁圍堰免封底施工技術

李卓萬

(唐港鐵路有限責任公司，河北 唐山 063611)

1 工程概況

曹妃甸特大橋是新建遷曹鐵路上一座特大型橋梁，位于河北省唐山市南部70 km的渤海海濱地區。橋梁全長7 477.26 m，下部結構共243個墩臺，采用直徑1.00，1.25，1.50 m的鉆孔樁，獨立承臺，圓端型橋墩，T型橋臺。上部結構由1聯(40+64+40)m連續箱梁、3聯連續剛構和227孔預應力混凝土簡支梁組成。

該橋橋址處于近海區域，一般水深3～5 m，跨納潮河區段1.4 km水深8～20 m，水位受潮汐影響較大，每天漲落潮各2次，為不規則半日潮，平均高潮位2.75 m，最大潮差3.54 m;50年一遇高潮位為+4.34 m。該段施工范圍內的地層為第四系全新統濱海相沉積層，巖性為粉砂、淤泥、粉砂、細砂、粉質黏土等，屬于典型軟土地基。

2 鋼板樁圍堰的設計

曹妃甸特大橋位于納潮河段總共26個橋墩，其中水深＜10 m的橋墩承臺共14個，采用鋼板樁圍堰支護施工。

2.1 鋼板樁結構形式設計

施工水位取百年一遇最高水位+1.31 m。鋼板樁頂高程為+2.31 m。選用長度為18 m和15 m的拉森Ⅳ型鋼板樁，圍堰內側距承臺邊沿1.15 m。根據承臺尺寸鋼板樁圍堰結構尺寸有15.2 m×10.4 m，16.0 m×10.4 m，20.8 m×12.8 m三種，鋼板樁緊密咬合，同時采取止水措施。圍堰內側四周采用雙層I45b工字鋼分上、中、下三層(主墩圍堰采用四層)圍囹支護，桁架間部分桿件采用I25a工字鋼。鋼板樁圍堰形式見圖1。

圖1 主墩鋼板樁圍堰形式示意(單位:mm)

2.2 鋼板樁圍堰結構驗算(以200#為例)

2.2.1 已知條件

施工水位取百年一遇最高水位高程+1.31 m。鋼板樁頂高程為+2.31 m，承臺設計底高程為－5.11 m，頂高程為 －2.81 m。承臺尺寸為13.7 m×8.1 m×3.3 m，圍堰尺寸為16.0 m×10.4 m。拉森Ⅳ鋼板樁的技術參數見表 1。根據地質報告土體密度(容重)γ=20 kN/m3，土的內摩擦角φ=20°，土的黏聚力c=20 kPa;主動土壓力系數 Ka=tg2(45－φ/2)=0.731;被動土壓力系數 Kp=tg2(45+φ/2)=1.367。200#鋼板樁圍堰豎向截面情況見圖2。

表1 拉森Ⅳ鋼板樁的技術參數表

圖2 200#鋼板樁圍堰豎向截面示意

2.2.2 計算內容

1)入土深度計算

①計算反彎點位置，即利用鋼板樁墻上土壓力等于零的點作為反彎點位置，計算其離基坑底面的距離y，在y處板樁墻前主動土壓力強度和被動土壓力強度相等，有

式中 Pb——基坑地面處鋼板樁墻后的主動土壓力強

度值;

K——主動土壓力修正系數，土的內摩擦角 φ為 20°時，K 取 1.7;

γ——土體重度;

h——基坑開挖深度;

hw——基坑外側水位深度。

②鋼板樁零點以下入土深度x的確定

由力矩分配法計算的受力圖見圖3。P0=47.36 kN，P1=5.8 kN，P2=37.8 kN，P3=131.4 kN，Mmax=71.136 kN·m。

圖3 力矩分配法計算受力圖

采用等值梁法計算原理，土壓力零點處的支撐反力與該點以下鋼板樁土壓力對樁底的力矩平衡，假設鋼板樁土壓力零點以下埋深為x，有

③鋼板樁入土深度t0計算

則鋼板樁入土深度 t0=1.1×5.94=6.534 m，實際入土深度7.08 m，滿足要求。

2)抗管涌檢算

根據不發生管涌條件γ'≥Kj

其中 j=iγw=h'/(2t)γw，K 為抗管涌安全系數，取K=2.0，γ'為土的浮重度，γ'=γ － γw=10 kN/m3(γ 為土的重度、γw為水的重度)，j為最大滲流力(動水壓力)，i為水頭梯度 ，t為鋼板樁入土深度為7.08 m，h'為地下水到坑底的距離為6.92 m，計算得j=6.92/(2×7.08)×10=4.9，10＞2×4.9=9.8滿足要求，此種情況下不會發生管涌事故。

3)基坑底部隆起驗算

根據底部地質資料，基坑底部粉砂力學性質取重度 γ=20 kN/m3，粘聚力 c=20 kPa，土的浮重度 γ'=10 kN/m3，坑頂荷載 q取水壓力，q=γw×6.92=69.2 kPa，抗隆起安全系數 K=2πc/(h1×γw+γ'×h2)=2×3.14×20/(6.21×10+10×0.71)=1.82＞1.20，圍堰的深度為6.92 m不會發生基坑隆起事故。

4)圍堰抗浮穩定性檢算

如G/F≥1，則圍堰是穩定的，G為圍堰自重 +內支撐重量 +側摩阻力的合力 =156.177+46.356+832.000+1 186.129=1 388.662(t)，F為浮力取1 234.688 t，有G/F=1.12＞1。實際狀況下G還包括基坑底部泥土與護筒的摩阻力，故圍堰抗浮穩定性經檢算是安全的。

5)圍堰底混凝土墊層厚度設計

由以上計算可以看出，在圍堰深度為6.92 m，鋼板樁埋深在7.08 m時，此種地質條件下不需要混凝土封底施工。經反復驗算可得水深小于8 m，鋼板樁埋深8 m以上時，此種地質條件下仍可以不用混凝土封底施工。在施工中，圍堰內清泥至承臺底以下50 cm，再澆注混凝土墊層至承臺底高程，可保證工作面的形成和后續施工的正常進行。

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 施工準備

施工之前，全面測量各墩位具體水深，合理安排施工順序，及時組織施工人員、設備和材料進場。編制施工組織計劃及作業指導書，進行作業要求交底。

3.2 測量放線、安裝導向框

在水位較低的情況下，將第一層圍囹作為打樁導向框，首先在施工現場定出鋼板樁圍堰第一層圍囹中心高程，在樁基鋼護筒上作出標記。然后在護筒上以［20槽鋼為材料焊接牛腿，牛腿頂高程與圍囹底高程一致，同時精確測量定位各個圍囹的具體位置，在牛腿頂部作出標記。以2I45b工字鋼為材料預制圍囹，兩片工字鋼間以鍛焊形式焊接牢固，按照腹板保持水平向由吊車配合安裝定位。

3.3 插打鋼板樁

1)鋼板樁插打前必須進行檢查，嚴禁使用影響結構安全的鋼板樁。檢查內容包括:樁身是否完整，兩端是否破裂或卷曲，鋼板樁是否變形或者彎曲。鎖口是否有破裂、扭曲、缺損、局部彎曲及電焊瘤渣。型號、寬度是否一致。

2)用運輸船將鋼板樁運至圍堰位置，然后由50 t履帶吊和90型振動錘配合將鋼板樁沿導向框插打入預設位置。打樁時沿圍囹周邊從圍堰的一角開始，先打入角樁。角樁的位置要準確、垂直，傾斜度要小于1%。然后在角樁兩側插入鋼板樁，打樁過程中要隨時以導向梁為準檢查所打鋼板樁的位置是否準確，垂直度是否合格，及時糾偏。鋼板樁施打到河床以下穩定高度，進一步復核樁的垂直度、位置準確后方可振動打入。鋼板樁的合龍龍口相鄰的10～15片鋼板樁采取先插至樁的穩定高度，以利于鋼板樁的調整，并且合龍口兩側鋼板樁之間具有一定高差，便于插樁，待合龍后再將樁打至設計高程。

3.4 內支撐安裝

鋼板樁圍堰受潮汐力作用，潮差達2.5～3.0 m，導致圍堰所受內外張力始終處于變化平衡狀態，為確保圍堰安全，采取在內側加裝支撐體系并安裝上下牛腿。施工中按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進行，共分三層和四層支撐。圍堰內支撐的安裝順序如下(按四層介紹):將下面三層圍囹全部放入圍堰內并由鋼絲繩懸吊在圍堰壁上→固定第一層圍囹→進行第一層支撐安裝→抽水至第二層支撐處→固定第二層圍囹→進行第二層支撐安裝→抽水至第三層支撐處→安裝第三層圍囹→進行第三層支撐安裝→抽水至第四層支撐處→固定第四層圍囹→進行第四層支撐安裝→抽水至基坑底。

內支撐安裝質量是確保圍堰安全的關鍵，在內支撐安裝過程中應注意以下事項:①內支撐及圍囹下料尺寸必須準確，由于抽水過程中圍堰受到海水擠壓，圍堰有一定的變形，圍囹實際需要長度下面幾層比第一層要短至少10～15 cm，下料時下層圍囹長度可適當調整。②內支撐焊接質量是關鍵，現場焊工必須持證上崗，保證內支撐焊接質量。③內支撐安裝前圍囹要提前放下去，并且由下而上的順序放置，懸吊至圍囹本身大致設計位置，將鋼絲繩固定在圍堰鋼板樁上，防止上層內支撐安裝完成后，由于空間較小下層圍囹無法放下。④導向框作為第一層圍囹時，固定圍囹后及時割除焊接在護筒上的牛腿。⑤內支撐安裝過程中及時采取有效措施對圍堰進行堵漏防水，常用的堵漏方法有鋸末和細砂混合在圍堰外側漏水嚴重的位置撒入水中，并向鋼板樁鎖口內填充;防水材料布包裹圍堰，此種方法必須在河底用沙袋將防水布底端壓入泥土中;棉紗填充鋼板樁鎖口縫隙，在圍堰內部用鋼釬和鐵錘將棉紗條強行砸入漏水縫隙。⑥內支撐安裝過程與鋼護筒割除、吸泥、破樁頭等工序交替、交叉進行，必須安排專人協調、管理，保證各項施工緊湊有序。

3.5 墩臺施工及圍堰拆除

內支撐安裝完成后，圍堰內開始破除樁頭，抽水吸泥，放線立模，進行承臺、墩身施工，施工過程中必須經常檢查圍堰漏水情況并及時堵漏，保證墩臺順利施工。

墩臺施工完成后，開始圍堰拆除，拆除工序與安裝過程正好相反。圍堰拆除順序如下(按四層內支撐進行說明):割除第四層內支撐及圍囹→承臺內支撐割除位置防腐→注水至第三層支撐處→割除第三層內支撐及圍囹→注水至第二層內支撐處→割除第二層內支撐及圍囹→注水至第一層支撐處→割除第一層支撐及圍囹→拔除鋼板樁。

拔樁時，盡量使板樁下部與混凝土脫離，然后再進行拔樁。先略錘擊振動各拔高1～2 m，使其松動后，再挨次拔除。對樁尖打卷及鎖口變形的樁，可加大拔樁設備的能力，將相鄰的樁一齊拔出。

4 結語

在曹妃甸特大橋納潮河海域施工環境，采用鋼板樁圍堰方法，對12個橋墩承臺的鋼板樁圍堰實施了免封底技術。水深＜9 m、入土深度不小于8 m、河床泥土黏結力不小于18 kPa的情況下，鋼板樁圍堰在內支撐等結構滿足要求時，采用免封底施工技術，能夠節約大量工期，同時降低成本。

［1］楊漢國．鋼板樁圍堰結合注漿防水施工技術［J］．鐵道建筑，2007(7):13-15．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB10203—2002 鐵路橋涵工程施工規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2002．

［3］彭振斌．深基坑開挖與支護工程設計計算與施工［M］．武漢:中國地質大學出版社，1997．

［4］吳清，尹浩輝．模擬施工過程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計算［J］．鐵道建筑，2010(5):8-11．