京滬高鐵大汶河特大橋河內橋墩施工的技術保證措施

摘 要：在地質情況復雜，工程性質差，開挖過程中受河流滲水壓力影響存在嚴重坍塌現象的河道內橋墩施工，一直是困擾鐵路施工中的一個難點，項目部將水電工程施工中好的經驗引進到鐵路施工中，經過現場實際施工，完全滿足施工要求，為以后的工程施工提供了有益的借鑒和參考。

關鍵詞：河內橋墩；鋼板樁；施工工藝

1 工程概況

京滬高速鐵路大汶河特大橋跨河段起止里程為DK487+723～DK489+198，軸線長度1475m，該處處于大汶河、柴汶河、牟汶河三條河流交匯處，從北至南依次穿越北岸二級河漫灘地、北岸一級河漫灘地、大汶河北支、河中沖積灘地1#、大汶河南支1#、河中沖積灘地2#、大汶河南支2#、南岸河漫灘地等8個地段。

正線鐵路跨河段從河堤內392#墩～436#墩，共計45個橋墩，其中：403#墩～412#墩在河內，其余墩均在兩岸河漫灘地上。

2 施工方案對比

2.1 原方案：采用草土圍堰的方式來施工。

2.2 實際施工：采用鋼板樁圍堰的方式來施工。

2.3 變更原因：經勘察，大汶河河流平均水為位98.7m，且該處為大汶河、柴汶河、牟汶河三條河流交匯處，河道內地質情況復雜，現場實際表層部分為一層淤泥質黏土、粉質粘土、細沙、粗砂，工程性質極差，河道中的45個橋墩有23個承臺基礎處于河中和淤泥中，北大堤坡腳及承臺基坑周邊為粗砂和粉質黏土，開挖過程中受河流滲水壓力影響存在嚴重的坍塌現象，造成承臺無法施工，故采用草土圍堰無法正常施工。

3 鋼板樁方案的選擇

3.1 鋼板樁的選用：根據工程所在場地質特點，綜合結構鋼板樁的特性、施工方法等方面進行考慮，選用型號為拉森鋼板樁（SP-Ⅳ），單根長度12m，要求鋼板樁入土深度達樁長0.5倍以上（基坑底部為準）。

3.2 施工防水

由于基坑位于河面水面以下，基底在水壓力的作用下，有大量的滲透水。為防止滲透水帶走周邊砂土，造成基底鋼板樁的不穩定。視現場實際滲透水量情況，在基底鋼板樁周邊巖石用手風鉆造孔預埋螺紋25#插筋，采用C20混凝土澆筑30*50cm擋水槽，以增加基底穩定性，兼做導水槽，將滲透水引至基底預先開挖的集水井進行抽排。

3.3 打樁設備

12m拉森樁采用CAT400C挖掘機、8m拉森樁或普通樁采用CAT320挖掘機加液壓高頻振動錘改裝而成作為打樁設備。為確保基坑開挖安全，鋼板樁邊梁采用工字鋼Ⅰ40b，內網格支撐與剪刀撐采用工字鋼Ⅰ20b進行加固。12m 樁采用3道（第3道為臨時圍檁，待導水槽施工完拆除）、8米樁采用2道支撐系統。

4 鋼板樁設計方案

4.1 地質狀況

根據地質報告，本工程地質上層為淤泥質粉質粘土，以下分別是中砂、粗砂、粉質粘土、石灰巖（σ0=500KPa），土的抗壓、抗剪強度均較低。

4.2 鋼板樁和內支撐布置示意圖

本工程鋼板樁采用SP-Ⅳ型拉森鋼板樁，長度為12m，寬度為400mm。鋼板樁水平圍檁（邊梁）采用工字鋼Ⅰ40b，內支撐采用工字鋼Ⅰ20b。

工序12m鋼板樁數量：

N=（A+B）*2/0.4=（9+12）*2/0.4=105根

12米樁基坑開挖深度按8米計算，設3道水平圍檁支撐。基底一道在做完混凝土導水槽后拆除。其余兩道分別設置在基頂下1米與基頂下4米處。

4.3 鋼板樁支撐體系設計及驗算以及基底土抗隆起驗算

對內支撐基坑，造成基坑失穩的直接原因為：結構不足（墻體、支撐等強度或剛度不足）和地基土強度不足。

根據地址特性，加權平均指標分別取：？漬=20°；r=20KN/m3

4.3.1 土壓力計算

主動土壓力系數Ka=tg2（45°-20°/2）=0.49

被動土壓力系數Kp=tg2（45°+20°/2）=2.04

被動土壓力修正系數取K=1.6，則：Kp=kKp=3.264

如圖所示，圖中B點為R1和R2間的中間點（1/2點），C點為R2與基坑底面間的中點。近似計算時，即認為R1等于e0和e1間的三角形荷載，等于e1與e2間的梯形荷載，土壓力為：Ci=KarHi。另考慮基坑邊土體和機械行走等產生的附加荷載，按20KN/m2。

上式中Hi為土壓力計算高度。

其中H1=1000；HB=2500；H2=4000；HC=6000；H3=8000。

經計算：e0=0

e1= KarHi=0.49×20×1.0=9.8KN/m2

eB= KarhB=0.49×20×2.5=24.5 KN/m2

e2= Karh2=0.49×20×4.0=39.2 KN/m2

eC= KarhC=0.49×20×6.0=58.8KN/m2

e3= Karh3=0.49×20×8.0=78.4KN/m2

設支撐間間距為L=3.0m，則通過公式：

Ri={[（en+en+1）/2]*hn+1+qKa*hn+1}L可計算出支撐反力R1、R2

上式中h0=0；Hob=2.5m；Hbc=3.5m；Q=qKa=20×0.49=9.8KN/m2。

則：R1=[（0+24.5）÷2×2.5+20×0.49×2.5]×3=165.375KN

R2=[（24.5+58.8）÷2×3.5+20×0.49×3.5]×3=540.225KN

4.3.2 鋼支撐強度和穩定性驗算

本工程3道鋼支撐均采用工字鋼Ⅰ20b。已知Rmax=540.225 KN，A=39.55cm2，ix=79.5mm，iy=20.7mm，。取安全系數為=2.0。

①長度9.0m直支撐的工字鋼Ⅰ20b。

最大應力σmax=K*（540.225/3*2*10^3）/（39.55*10^-4）=182Mpa<[f]=215Mpa符合要求。

②長度3.5m斜支撐的工字鋼Ⅰ20b。

同上方法可以計算最大應力符合要求，由此可見支撐的強度和穩定性均滿足要求。

4.3.3 工字鋼圍檁抗彎抗壓驗算

（1）抗彎驗算

已知作用在下道圍檁的均布荷載較大，為Q=R2/3.0m=180.075KN/m，40#工字鋼對其x--x軸的截面系數W=1090cm3：f=200Mpa。

將圍檁視為多跨連續梁，凈跨度仍按3米計算，最大彎距在跨中，若安全系數取K=2.0。計算時按兩跨連續梁計算，則查《靜力計算手冊》可得：

Mmax=0.07QLj2=0.07 ×180.075 ×32=113.447KN-m=1134470N-cm

Mmax/W=113470/1090=1041N/cm2

符合要求。

（2）壓彎驗算

當斜向支撐作用在圍檁上時，圍檁是壓彎構件，因此還應進行圍檁在壓彎狀態下的強度。

按公式（N/An）+[Mx/（γx·Wnx）]≤f計算

上式中rx-截面塑性發展系數，取1.05；N-軸心壓力，為463.05；An-凈截面面積，為39.55cm2；Mx-最大彎矩；Wnx-截面積。

則：（N/An）+[Mx/（γx·Wnx）]

=（463.05/39.55）+[11345.0/（1.05×1090）]

=21.6KN/cm2>f=20 KN/cm2 不符合要求。

20b工字鋼不滿足，改為25b工字鋼 An--凈截面面積，為53.541cm2

則：（N/An）+[Mx/（γx·Wnx）]

=（463.05/53.541）+[11345.0/（1.05×1090）]

=18.56KN/cm2

從以上計算可知，當支撐間距為3米時，工字鋼圍檁可以滿足要求。

考慮到影響土體側壓力的因素很多，為了確保整個支撐體系的穩定、安全，現場應配備足夠的25b工字鋼和40b工字鋼，以便對可能發生的支撐體系變形進行加固。所有鋼結構焊縫均應滿焊，焊縫厚度應符合鋼結構規范的要求。

4.3.4 鋼板樁變形驗算

按圖A計算簡圖計算，1、2兩點間鋼板樁所受彎矩最大，因此只計算該跨的鋼板樁最大變形量，按梯形荷載一端固定、一端簡支計算，參照《建筑結構靜力計算手冊》，其計算公式為：

fx=13x[5q1（1-3ξ2+2ξ2）+2q0（1-2ξ2+ξ4）]/240EI

上式中：

l-4.0m；q1-e1+qKa=19.6KN/m；q0-e2-e1=29.4KN/m；ξ-x/1；1點處ξ1=0，跨中ξ0=0.5。

E-鋼板樁彈性模量=206×103Mpa=206×102KN/cm2；I-鋼板樁截面慣性矩=31.95cm4/m；X-1點距變形計算點的距離。1點處X1=0，跨中X0=2.0m。

①1點處鋼板樁位移：

f1=13 X1[5q1+2q0]/240 EI=0

②跨中B點處鋼板樁位移：

f0=13 X0[5q1（1-3ξ2+2ξ3）+2q0（1-2ξ2+ξ4）]/240 EI

以上計算所得數值滿足三級基坑圍護結構位移值的要求，該變形量不會造成基坑周邊土體的擾動，因此圍護結構和周邊建筑結構物是安全的。

5 鋼板樁施工工藝

5.1 鋼板樁施工的一般要求

基坑護壁鋼板樁的平面布置形狀應盡量平直整齊，避免不規則的轉角，以便標準鋼板樁的利用和支撐設置。各周邊尺寸盡量符合板樁模數。

整個基礎施工期間，在挖土、吊運、扎鋼筋、澆筑混凝土等施工作業中，嚴禁碰撞支撐，禁止任意拆除支撐，禁止在支撐上任意切割、電焊，也不應在支撐上擱置重物。

5.2 鋼板樁施工順序

鋼板樁定位放線→挖溝槽、安裝導梁→打設鋼板樁→安裝第一道內支撐→基坑內土方開挖→安裝第二、三道內支撐→基坑內土方開挖→做導水槽、基坑排水、澆筑混凝土墊層→破樁頭、樁基檢測→承臺、墩身（視實際情況）施工→基坑回填→拔除鋼板樁。

5.3 鋼板樁的檢測、吊裝、存放

5.3.1 鋼板樁的外觀檢驗

對鋼板樁外觀檢驗，以便對不合要求的鋼板樁進行矯正，以減少打樁過程中的困難。

外觀檢驗：包括表面缺陷、長度、寬度、厚度、高度、端部矩形比、平直度和鎖口形狀等項內容。檢查中要注意：a）對打入鋼板樁有影響的焊接件應予以割除；b）割孔、斷面缺損的應予以補強；c）若鋼板樁有嚴重銹蝕，應測量其實際斷面厚度。原則上要對全部鋼板樁進行外觀檢查。

5.3.2 鋼板樁吊運

裝卸鋼板樁宜采用兩點吊。吊運時，每次起吊的鋼板樁根數不宜過多，并應注意保護鎖口免受損傷。吊運方式有成捆起吊和單根起吊。成捆起吊通常采用鋼索捆扎，而單根吊運常用專用的吊具。

5.3.3 鋼板樁堆放

鋼板樁堆放的地點，要選擇在不會因壓重而發生較大沉陷變形的平坦而堅固的場地上，并便于運往打樁施工現場。堆放時應注意：

①堆放的順序、位置、方向和平面布置等應考慮到以后的施工方便；②鋼板樁要按型號、規格、長度分別堆放，并在堆放處設置標牌說明；③鋼板樁應分層堆放，每層堆放數量一般不超過5根，各層間要墊枕木，墊木間距一般為3-4米，且上、下層墊木應在同一垂直線上，堆放的總高度不宜超過2米。

5.4 鋼板樁施工工藝過程

5.4.1 導架的安裝

在鋼板樁施工中，為保證沉樁軸線位置的正確和樁的豎直，控制樁的打入精度，防止板樁的屈曲變形和提高樁的貫入能力，一般都需要設置一定剛度的、堅固的導架。導架采用單層雙面形式，通常由導梁和圍檁樁等組成，圍檁樁的間距一般為2.5～3.5米，雙面圍擦之間的間距不宜過大，一般略比板樁墻厚度大8～15mm。

安裝導架時應注意以下幾點：（1）采用經緯儀和水平儀控制和調整導梁的位置。（2）導梁的高度要適宜，要有利于控制鋼板樁的施工高度和提高施工工效。（3）導梁不能隨著鋼板樁的打設而產生下沉和變形。（4）導梁的位置應盡量垂直，并不能與鋼板樁碰撞。

5.4.2 鋼板樁施打

拉森鋼板樁施工關系到施工止水和安全，是本工程施工最關鍵的工序之一，在施工中要注意以下施工有關要求：

（1）全線采用SP-Ⅳ型12、8米兩種密扣拉森鋼板樁。拉森鋼板樁采用履帶式吊車（帶震動錘機）施打。

（2）打樁前，對鋼板樁逐根檢查，剔除連接鎖口銹蝕、變形嚴重的鋼板樁，不合格者待修整后才可使用。

（3）打樁前，在鋼板樁的鎖口內涂油脂，以方便打入拔出。

（4）在插打過程中隨時測量監控每塊樁的斜度不超過2%，當偏斜過大不能用拉齊方法調正時，拔起重打。

（5）鋼板樁施打采用屏風式打入法施工。屏風式打入法不易使板樁發生屈曲、扭轉、傾斜和墻面凹凸，打入精度高，易于實現封閉合攏。施工時，將10-20根鋼板樁成排插入導架內，使它呈屏風狀，然后再施打。通常將屏風墻兩端的一組鋼板樁打至設計標高或一定深度，并嚴格控制垂直度，用電焊固定在圍檁上，然后在中間按順序分1/3或1/2板樁高度打入。

屏風式打入法的施工順序有正向順序、逆向順序、往復順序、中分順序、中和順序和復合順序。施打順序對板樁垂直度、位移、軸線方向的伸縮、板樁墻的凹凸及打樁效率有直接影響。因此，施打順序是板樁施工工藝的關鍵之一。其選擇原則是：當屏風墻兩端已打設的板樁呈逆向傾斜時，應采用正向順序施打；反之，用逆向順序施打；當屏風墻兩端板樁保持垂直狀況時，可采用往復順序施打；當板樁墻長度很長時，可用復合順序施打。

總之，施工中應根據具體情況變化施打順序，采用一種或多種施打順序，逐步將板樁打至設計標高，一次打入的深度一般為0.5-3.0米。

（6）密扣且保證開挖后入土不小于2米，保證鋼板樁順利合攏；特別是工作井的四個角要使用轉角鋼板樁。

（7）打入樁后，及時進行樁體的閉水性檢查，對漏水處進行焊接修補，每天派專人進行檢查樁體。

（8）內支撐架設。經過計算拉森鋼板樁支護可采用兩到三道內支撐。

6 鋼板樁的拔除

基坑回填后，要拔除鋼板樁，以便重復使用。拔除鋼板樁前，應仔細研究拔樁方法順序和拔樁時間及土孔處理。否則，由于拔樁的振動影響，以及拔樁帶土過多會引起地面沉降和位移，會給已施工的地下結構帶來危害。

6.1 拔樁方法

本工程拔樁采用振動錘拔樁：利用振動錘產生的強迫振動，擾動土質，破壞鋼板樁周圍土的粘聚力以克服拔樁阻力，依靠附加起吊力的作用將樁拔除。

6.2 拔樁時應注意事項

6.2.1 拔樁起點和順序：可根據沉樁時的情況確定拔樁起點，必要時也可用跳拔的方法。拔樁的順序最好與打樁時相反。

6.2.2 振打與振拔：拔樁時，可先用振動錘將板樁鎖口振活以減小土的粘附，然后邊振邊拔。

6.2.3 起重機應隨振動錘的啟動而逐漸加荷，起吊力一般略小于減振器彈簧的壓縮極限。

6.2.4 供振動錘使用的電源為振動錘本身額定功率的1.2-2.0倍。

6.2.5 對引拔阻力較大的鋼板樁，采用間歇振動的方法，每次振動15min，振動錘連續不超過1.5h。

7 安全技術保障及措施

7.1 為提高深基坑圍護的安全可靠性對拉森樁的入土深度，進行理論數據的計算，并對圍護樁的強度及穩定性進行驗證，確保深基坑施工的可靠性。

7.2 沉設圍護樁的施工中，嚴格按照沉樁規范施工，以保證下道工序順利進行。

7.3 圍檁、支撐嚴格按施工程序及施工圖紙施工，施工現場技術人員、安全管理人員要24小時不間斷值班，不得盲目施工。

7.4 嚴格按照基坑施工規范實施每道工藝的施工，開挖坑土及時進行清運，基坑開挖完成后要立即對坑內積水進行抽排。在對基層實施挖土時，挖土機械嚴格按照規范操作，最大程度的減小挖土機械單位受力面積，杜絕沖擊荷載，對圍護樁的破壞，確保基坑安全。

7.5 建立嚴格的工序交接程序，制定科學、嚴謹、可行的施工計劃，堅持以人為本，安全第一的原則，加強協作意識，高度重視施工質量，保證工程的順利進行。

8 結束語

在河內橋墩鋼板樁施工過程中，結合現場實際情況和工程特點，將水電施工中好的經驗貫穿于其中，得到了監理和京滬公司的一致好評，也總結了鋼板樁施工在本項目中取得的成功經驗，為以后的工程施工提供了有益的借鑒和參考。