嵌巖承臺(tái)鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工

張 芳

(中鐵第十四工程局集團(tuán)第三工程有限公司，山東兗州 272100)

在深水橋梁基礎(chǔ)施工中，采取何種措施進(jìn)行阻水是施工的關(guān)鍵，它直接影響工程的工期和成本。通常采取的阻水措施大致有以下幾種:豎井、混凝土沉井、鋼板樁圍堰、鋼圍堰、薄壁鋼筋混凝土圍堰、鋼吊箱圍堰、鎖口鋼管樁圍堰等。根據(jù)不同的地質(zhì)條件可選擇不同的圍堰形式。錦赤鐵路洗礦廠特大橋8號(hào)～13號(hào)墩位于英達(dá)礦業(yè)尾礦庫(kù)中，水深約5m～8m，承臺(tái)開挖深度9m～13m。地質(zhì)情況從上至下依次為含少量塊石的雜填土、素填土、尾礦棄渣為主的密實(shí)中砂、全風(fēng)化片麻巖，承臺(tái)不同程度的進(jìn)入全風(fēng)化片麻巖。

1 方案比選

在橋梁鉆孔樁施工完畢降低承臺(tái)開挖面以后，根據(jù)橋位的地質(zhì)情況，對(duì)豎井、沉井、鋼板樁圍堰三種阻水方案進(jìn)行了比選、論證。

1)豎井方案。通過(guò)土體加固及降水處理后，采用無(wú)支護(hù)的方式直接進(jìn)行承臺(tái)開挖;此方案的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，工期可靠;缺點(diǎn)是對(duì)排水、降水及注漿加固設(shè)計(jì)和施工控制要求較高，豎井拆除較難。

2)沉井方案。采用此方案的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部無(wú)支撐，施工方便;可以根據(jù)開挖深度接高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng);缺點(diǎn)是施工工序較多、控制糾偏難度較大;穿越孤石能力差，遇到大塊石，下沉困難;基礎(chǔ)施工完畢后無(wú)法拆除。

3)鋼板樁圍堰方案。優(yōu)點(diǎn)是插打鋼板樁簡(jiǎn)單，拆除容易，可以重復(fù)利用，施工成本相對(duì)較低;缺點(diǎn)是鋼板樁圍堰入巖難，穿越塊孤石能力差，存在較大的安全、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn);內(nèi)部支撐多，影響承臺(tái)開挖。

以上三種方案都可行，并各具優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件、施工成本及環(huán)境保護(hù)等綜合因素，最終采用鋼板樁方案，通過(guò)施工情況看，此方案取得了良好的效果。

2 鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)

2.1 鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)本橋的實(shí)際情況鋼板樁采用拉森Ⅴ型，其中10號(hào)，11號(hào)墩采用15m長(zhǎng)鋼板樁，五層圍囹支撐;9號(hào)，12號(hào)采用12m長(zhǎng)鋼板樁，圍囹采用四層。為了承臺(tái)墩身施工方便，每層圍囹采取不同的結(jié)構(gòu)形式，圍囹支撐具體布置見圖1，圖2。

2.2 鋼板樁圍堰計(jì)算

本方案以本橋11號(hào)墩為例，按照鋼板樁打入承臺(tái)底部全風(fēng)化片麻巖2m為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)開挖深度為13m，鋼板樁總長(zhǎng)度選擇15m。

2.2.1 鋼板樁受力檢算

填土的力學(xué)參數(shù)選擇如下:填土的自重為17kN/m3，浮容重為7kN/m3，內(nèi)摩擦角參考粘土的內(nèi)摩擦角取20°(本文以開挖至基坑底，鋼板樁受力最大的情況為例進(jìn)行計(jì)算分析)。

拉森鋼板樁的計(jì)算按照等值梁法進(jìn)行計(jì)算，則有鋼板樁底部水土壓力計(jì)算為:

基底水土壓力之和為156.08kPa，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，則有計(jì)算最大受力為156.08×1.2=187.3kN/m。

在開挖至基坑底，封底混凝土未施作之前，此時(shí)鋼板樁的受力最大。由于鋼板樁無(wú)法打入強(qiáng)風(fēng)化巖層，在這種工況下，底部嵌固深度不能為鋼板樁提供足夠的支撐力，底部無(wú)支撐點(diǎn)。此工況下采用Beam軟件分析鋼板樁受力(見圖3)。

鋼板樁封底以后，采用Beam軟件分析鋼板樁的受力(見圖4)。

鋼板樁按照每延米進(jìn)行受力計(jì)算，拉森Ⅴ型鋼板樁其最大允許彎矩為:

通過(guò)計(jì)算看出，鋼板樁強(qiáng)度滿足受力要求。

2.2.2 鋼圍囹受力檢算

鋼板樁圍囹最大壓力為604kN/m，圍囹采用3Ⅰ50a工字鋼，采用Midas計(jì)算程序建立受力模型，對(duì)鋼圍囹的受力進(jìn)行檢算，兩種不同結(jié)構(gòu)形式鋼圍囹受力的應(yīng)力圖見圖5。

通過(guò)圖5可以看出，鋼圍囹最大的應(yīng)力為:

192mPa＜[σ]=210mPa，因此鋼圍囹強(qiáng)度滿足要求。

3 鋼板樁圍堰的施工

1)施工場(chǎng)地準(zhǔn)備。降低尾礦庫(kù)內(nèi)水位后，在橋梁施工的范圍內(nèi)清除淤泥，坡腳底部遠(yuǎn)離鋼板樁圍堰10m以上，將鋼板樁圍堰施工地面標(biāo)高降低至414m。整平施工場(chǎng)地，在施工便道范圍內(nèi)填石渣，保證大型設(shè)備進(jìn)入施工場(chǎng)地。在基坑以外適當(dāng)位置設(shè)置排水溝，防止基坑開挖施工過(guò)程中雨水流入基坑。

2)插打試樁。為了確認(rèn)鋼板樁實(shí)際打入深度，采用90t振動(dòng)錘在每個(gè)承臺(tái)周圍分別插打部分試樁，根據(jù)實(shí)際打入深度確定每個(gè)承臺(tái)鋼板樁的入土長(zhǎng)度，以便及時(shí)進(jìn)行方案調(diào)整。

3)導(dǎo)向架的安裝。導(dǎo)向架采用單層雙面形式，通常由導(dǎo)梁和圍檁樁等組成。

4)鋼板樁插打。在鋼板樁鎖口內(nèi)涂黃油，安置吊點(diǎn)，根據(jù)鋼板樁長(zhǎng)度在樁1/3以上處捆扎，捆扎處應(yīng)有夾板，并墊有木板，防止綁扎滑移和吊點(diǎn)受力后鎖口變形。振動(dòng)錘將樁夾住后，進(jìn)一步復(fù)核樁的垂直度、位置，認(rèn)可后進(jìn)行插打，使鋼板樁打至不再下沉為止，其他鋼板樁則以插打好的樁為準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)鎖口，控制好方向。

5)鋼板樁底部注漿加固。由于鋼板樁需要嵌入全風(fēng)化巖層，為了確保鋼板樁圍堰在承臺(tái)基坑開挖時(shí)的周圍土體的穩(wěn)定和封底后圍堰內(nèi)不滲水，在鋼板樁內(nèi)外側(cè)均勻打入注漿管，通過(guò)注入水泥漿使周圍的礦渣固結(jié)。注漿管采用φ108mm鋼管，壁厚3.5mm。在鋼管壁上按照15cm～20cm間距梅花形鉆孔，鉆孔孔徑3mm，底部封閉，注漿管尾部預(yù)留一定長(zhǎng)度不鉆孔。注漿管采用鉆孔后放入孔中，注漿管底部應(yīng)超過(guò)鋼板樁底部至承臺(tái)底標(biāo)高下6m，注漿管的間距按1.5左右的間距進(jìn)行布置。注漿按照先外后內(nèi)的順序進(jìn)行，先沿外輪廓線注漿管注漿，然后逐步向內(nèi)注漿，保證注漿壓力，待漿體達(dá)到一定的強(qiáng)度后進(jìn)行承臺(tái)基坑的開挖。

6)降水開挖。在承臺(tái)下游，布設(shè)一排降水井，降水井間距20m，距離承臺(tái)邊線12m左右，降水井直徑60cm，深度25m。土方開挖前進(jìn)行井點(diǎn)降水，保持基坑內(nèi)無(wú)水，便于挖土，機(jī)械進(jìn)出口通道及四周采用換填并鋪墊鋼板以擴(kuò)散壓力，減小側(cè)壓力。承臺(tái)開挖采用履帶吊抓斗配合人工開挖。

7)鋼板樁圍堰封底。由于采取了注漿加固和井點(diǎn)降水的措施，在承臺(tái)基坑開挖到設(shè)計(jì)封底標(biāo)高后采用干封法進(jìn)行圍堰封底。為了確保施工安全，圍堰封底混凝土須連續(xù)澆筑完成。

8)鋼板樁圍堰拆除。圍堰內(nèi)承臺(tái)和墩身混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行拔樁，拔樁前應(yīng)先向基坑內(nèi)填土或注水，當(dāng)水位臨近支撐時(shí)割除鋼板樁圍囹支撐。因注漿不能拔出的進(jìn)行切割回收。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于地下水位較高的土層、砂層以及嵌入全風(fēng)化巖層的基礎(chǔ)，采用鋼板樁圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)的施工，具有施工周期短、施工方便、成本低的特點(diǎn)，在工程施工中已被廣泛的采用。

2)對(duì)于地下水位高，周圍土層松散的地層，采用先注漿加固，后井點(diǎn)降水的方法進(jìn)行基坑的開挖，可以減小封底混凝土的厚度，增加圍堰的穩(wěn)定性，并且鋼圍囹的間距可以適當(dāng)加大，圍囹的截面積也可以減少，減少了周轉(zhuǎn)材料的用量，從而降低了工程成本和施工風(fēng)險(xiǎn)。

3)在水位變化較大的深水中采用鋼板樁圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)施工時(shí)，在進(jìn)行圍囹支撐的受力檢算時(shí)，必須考慮最高水位時(shí)水壓力和流水的沖擊力，以確保支撐具有足夠的強(qiáng)度，防止圍堰被擠垮。

[1]公路施工手冊(cè)《橋涵》[M].北京:人民交通出版社，2000.

[2]TB10203-2002，鐵路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]TB10002.1-99，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[4]劉自明.橋梁深水基礎(chǔ)[M].北京:人民交通出版社，2004.