淺談復雜地質條件下鋼板樁施工技術

強新偉 等

摘要：本文以國道110線烏海黃河特大橋正橋主橋主墩承臺施工為例，對比了鋼套箱圍堰和鋼板樁圍堰的優缺點，介紹了在較硬的卵石層與板砂層地質條件下鋼板樁圍堰施工技術。

關鍵詞：復雜 地質 鋼板樁 施工技術

1 工程概況

1.1 工程概述

國道110線海勃灣至麻黃溝公路烏海黃河特大橋工程正橋主橋主墩為1#墩（烏達區側）、2#墩（海渤灣側），承臺尺寸為34m×17.2m×5.5m（長×寬×高）；單個承臺C40混凝土共計5810m3，封底混凝土采用C25，厚度為2.5m，方量為1943m3。1#墩采用筑島，標高為1073m，開挖深度為12m，2#墩，搭設鋼平臺，標高為1076m，開挖深度為15m。

1.2 地質情況

根據地質勘查報告，土層分布特征如下表：

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在承臺開挖過程中，實際地質條件與勘探圖紙上基本一致，局部存在有孤石。地層主要以粉質粘土、粉土、粉細砂、卵石土組合，卵石層密度達到90%，直徑為4cm～20cm，局部有孤石，最大重型動探擊數N63.5（擊/10cm）最大達到166，標準值為52.6；粉細砂層飽和、密實，標慣擊數N（擊/30cm），最大達到300，標準值為45.9。

2 承臺圍堰方案比選

2.1 鋼板樁圍堰

鋼板樁圍堰采用拉森Ⅴ型鋼板樁，單根長度為24m，鋼圍囹采用4拼Ⅰ56b型鋼，內支撐采用φ630×10mm鋼管樁，共布設三道；鋼板樁采用震動錘進行插打。鋼板樁在插打前，先采用旋挖鉆按照鋼板樁位置間隔1m鉆孔，在鋼板樁插打時采用高壓水槍配合施工。

2.1.1 鋼板樁圍堰優點

①鋼板樁拆除較為方便，可滿足水保、環保要求；

②鋼板樁運輸費用可控；

③鋼板樁施工經濟；

④鋼板樁通用性較強，可多次周轉。

2.1.2 鋼板樁圍堰缺點

①由于該橋址處地質條件復雜，鋼板樁在插打時需穿過兩層卵石土，鋼板樁插打是否能夠插打足夠深度為主要風險；

②由于鋼板樁較長，在現場連接不垂直時，會導致在相鄰鋼板樁插打時出現帶樁現象；

③鋼板樁相對雙壁鋼圍堰封閉性較差；

④采用鋼板樁施工，增加封底混凝土數量；在臨時支墩拆除時必須進行水下切割；增加承臺模板數量。

2.2 雙壁鋼套箱圍堰

雙壁鋼圍堰壁厚為1.5m，面板采用δ=8mm鋼板，背肋采用等肢角鐵∠75×5mm型鋼。雙壁鋼圍堰加工總高為21m，分為7節加工，標準節高3m，橫向肋加強節高4m，刃腳節高2m，雙壁鋼圍堰直線段模型按照6.5m長加工，圓弧分為兩塊加工。鋼圍堰在下沉時，先在鋼圍堰內側間隔2m插打φ63×1cm鋼管樁作為抗剪樁，管樁內填筑砂礫。

2.2.1 雙壁鋼套箱圍堰優點

①采用雙壁鋼圍堰施工，可節約承臺模板及封底混凝土；

②雙壁鋼圍堰可在臨時支墩拆除完畢后，進行拆除，可減少臨時支墩水下拆除費用；

③雙壁鋼圍堰整體密封性好；

④根據現場實際情況，可根據下游烏海市海勃灣水利樞紐工程蓄水情況，隨時進行接高；

⑤雙壁鋼圍堰整體穩定性較好。

2.2.2 雙壁鋼套箱圍堰缺點

①受業主資金影響，資金壓力大，不能提前加工；

②根據施工計劃安排，在今年11月中旬至1月下旬進行雙壁鋼圍堰施工，由于當地正處于風季，全年溫度最低時，現場焊接無法確保質量；

③由于鋼套箱面積大，外側土層摩擦力大，并且存在遇見孤石，下沉過程中會出現無法下沉現象；

④根據市場調查，附近沒有大型結構加工場，鋼套箱加工困難，如果遠距離運輸，該段沒有水運條件，只能采用陸地運輸，陸地運輸交通管制及安全因素不確定；

⑤鋼套箱拆除存在水保、環保問題，由于承臺以下套箱內填有混凝土，無法進行拆除。

2.3 結論

經過上述對比，雙壁鋼圍堰在施工中下沉困難較大，存在隱患較大，最終項目部根據方案可行性決定采用鋼板樁圍堰進行承臺施工。

3 鋼板樁圍堰施工

采用鋼板樁圍堰進行施工，主要解決鋼板樁插打問題，針對主墩底層實際情況，在進行鋼板樁插打前，研究決定采用改變源地質方案進行施工，即先采用280型旋挖鉆根據鋼板樁尺寸進行引孔，然后回填黃土，鋼板樁插打采用DZ150型振動錘，并且配合高壓射水進行鋼板樁插打。

鋼板樁圍堰平面尺寸為37.2m×20.4m，考慮汛期墩身施工，結構受力檢算按最高水位按1073m控制，鋼板樁入土深度按鋼板樁圍堰在板樁插打至封底混凝土完成期間施工水位1071m計算。擬采用SKSP-SX27型21m長鋼板樁，共投入21m普樁188片，角樁4片。圍堰內設三道內支撐及一道臨時支撐，第一道內支撐邊梁為雙拼I56a臥置，斜撐采用雙拼I56a，直撐采用Φ630×10mm螺旋管；第二道內支撐邊梁為四拼I56a臥置，直撐采用Φ630×10mm，斜撐采用三拼I56a；第三道內支撐邊梁為四拼I56a臥置，直撐采用Φ630×10mm，斜撐采用三拼I56a；第四道內臨時支撐邊梁為四拼I56a臥置，直撐采用Φ630×10mm，斜撐采用三拼I56a。鋼板樁布置圖見圖1。

3.1 鋼板樁圍堰施工工藝及流程

鋼板樁圍堰施工工藝流程：插打定位管樁→布設圍堰導向框架→逐片插打鋼板樁→邊抽水邊堵漏→逐層安裝內支撐→承臺施工→墩身施工→拆除鋼板樁圍堰。

3.2 鋼板樁圍堰施工工藝及流程

水中打插鋼板樁圍堰是利用履帶吊，振動打樁錘來進行的。首先在平臺四周預留出履帶吊作業位置。將承臺內管柱拔除以后，插打定位鋼管樁，安裝導向框，按設計要求測量出鋼板樁單樁的位置，履帶吊位于平臺上，吊起一單樁插入導向框內，然后吊掛振動打樁錘夾住鋼板樁腹板，振動插打到設計標高，依次插打完整個圍堰。

3.2.1 施工準備

鋼板樁運到現場后，均應詳加檢查、丈量、分類、編號，特別要檢查鎖口并清理干凈，在鎖口處涂以黃油膏，以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。

3.2.2 插打定位樁、布置導向框架

在測量監控下，在鋼板樁圍堰四角各精確打入一根Φ630mm鋼管樁作定位樁，再在鋼管樁上設置牛腿，布設圍堰導向框。

3.2.3 鋼板樁插打

插打鋼板樁前，在導向框架上精確標出每一片鋼板樁的位置，在某一邊中間一片鋼板樁位置兩側焊角鋼作小導向，確保鋼板樁不左右移位，在儀器監控下慢慢打入。中間一片鋼板樁是兩側鋼板樁的依托，必須確保鋼板樁垂直，然后在兩側對稱打入若干片鋼板樁，待打入的鋼板數量足夠多，有足夠的穩定性時，即可從一邊連續打入鋼板樁。鋼板樁吊起后，需以人力扶持插入前一塊鋼板樁的鎖口內，動作要緩慢、防止損壞鎖口、插入以后稍松吊繩，使樁憑自重滑入或用錘重下壓。比較困難時，也可用滑車組強迫插樁，拉力不宜過大。待插入一定深度，站立穩定后，方可加以錘擊。

在插打過程中，由于鋼板樁鎖口和鎖口之間縫隙較大，而鋼板樁下端有土擠壓，上端是自由的，總會使鋼板樁產生向遠離第一根鋼板樁的方向傾斜，因此，每打4-5根鋼板樁就要用靠尺測量垂直度，將鋼板樁的傾斜度控制在1%以內，否則就用倒鏈糾偏，一次性糾偏不能太多，以免引起鎖口間別住，影響下一片鋼板樁的插打，當鋼板樁偏移太多時，只能采用多次糾偏的方法逐步減小偏移量，若因土質太硬倒鏈拉不動時，可采用走四滑輪組糾偏。

3.2.4 鋼板樁圍堰合攏

為了便于鋼板樁圍堰合攏，合攏處的兩片樁應一高一低，合攏時往往出現“上小下大”（下端有土擠壓，上端是自由的）的情況，此時可用兩個走四滑車組向兩邊拉開，直到合攏樁兩邊樁頂的距離等于鋼板樁寬度為止，在接近平行時，再將合攏樁插入，打到設計標高。

3.3 內支撐施工

3.3.1 內支撐施工流程

內支撐安裝施工工藝流程：開挖第一層，厚度為2.5m→割除有妨礙的護筒→安裝第一道圍囹及支撐→開挖第二層，厚度為2.5m→割除所有的護筒→安裝第二道圍囹及支撐→開挖第三層，厚度為2.5m→割除所有的護筒→安裝第三道圍囹及支撐→回灌水至內外水面差為0m→水下開挖至封底底標高→水下封底→養護、抽水。

3.3.2 內支撐安裝施工

內支撐首先在后場按照圖紙的具體尺寸下料、加工，待圍堰合攏后倒運至現場進行安裝。

①施工準備。內支撐材料到場后，根據材料的具體情況，合理搭配（因為有舊料，并且長度不等），按照圖紙的要求接長成設計尺寸，加工時要考慮到后期的吊重、運輸、安裝的各方面情況來確定大長桿件的預拼。

②工字鋼對接接頭每根不得超過1個，且對接頭相互錯開不得小于3m。對接頭兩側要先滿焊，再焊接連接板。

③內支撐的安裝存在桿件長且重量大情況，所以長邊圍囹擬在中間斷開即分成兩節18.6m的，4片拼成一組，每組重7.8t。短邊圍囹長20.4m，4拼的I56工字鋼一組重8.7t，這樣滿足倒運及吊裝。

④長邊圍囹對接處恰好在正中間，有支撐管樁頂住，但是建議此處進行加固。每邊加一個小八子，增加此處的強度和穩定性。

⑤內支撐的安裝有些護筒有妨礙，需要開挖后及時割除。由于割護筒的任務非中鐵一局集團橋梁工程有限公司的施工內容，望造作協調，合理安排，以免影響工期。護筒割除后吊裝時要有專人指揮，防止撞擊到已經安裝的支撐上。

3.4 開挖及吸泥

圍堰內明挖土方主要以挖掘機開挖為主。挖掘機臂長22米，挖掘機不能直接開挖到的地方采用人工高壓射水，由排污泵把水及土石吸走。開挖時每層開挖深度要按設計要求開挖，禁止超挖。第一道支撐安裝好后，挖掘機作業時要專人指揮防止碰撞支撐。在第三道支撐安裝好后回灌水，采用大功率的空壓機水下開挖，開挖時要經常測量，測量點要均勻分散，每個測點要按要求開挖到設計標高防止挖不到位或超挖。要求鋼板樁內槽必須清理干凈，現場負責人員要監督到位，保證每片鋼板樁內槽都清理干凈。

3.5 水下封底

3.5.1 水下封底導管布置圖（如圖2）

3.5.2 水下封底施工工藝

水下開挖至封底底標高后，由技術人員認真核實。確保標高到位以及鋼板樁槽內的土石清理干凈，以保證封底混凝土的質量。

3.5.3 封底混凝土技術要求

①水下封底混凝土坍落度宜采用18-22cm，首批混凝土坍落度采用18cm-19cm，正常灌注和接近結束時采用20-22cm。

②為保證封底混凝土和鋼護筒、鋼板樁的有效粘結，鋼板樁圍堰封底混凝土中摻加微膨脹劑。

③鋼板樁圍堰封底混凝土方量大，施工時間長，封底混凝土中需摻加緩凝劑，以保證混凝土的和易性和正常灌注。

④封底混凝土施工采用單層灌注方法。按照2套灌注設備布置，每套設備灌注速度以30m3/h計算，灌注封底混凝土（約1656.23m3）需28小時，封底混凝土的終凝時間宜為24-30小時。

3.5.4 混凝土性能匹配

①封底混凝土方量大，為保證封底混凝土質量，混凝土采用同一設計配合比?；炷涟柚茣r根據原材料含水率由中心試驗室人員進行適當調整。

②混凝土所需水泥、減水劑、外加劑、微膨脹劑、粉煤灰采用同一廠家、同一批次產品，以保證混凝土性能的一致。

③封底混凝土所需原材料檢測統一由中心試驗室進行，以確保所需材料質量。水泥的試驗性能均應符合規范要求，選用中砂和1-3 厘米的連續級配石子，通過試驗選擇比設計標號高10-15%的配合比。

④砼拌和物應保證其良好的流動性和無離析現象。砼拌和時要經常測定坍落度，并依據材料的含水情況隨時調整用水量，以保證拌和物的拌和質量。

3.6 鋼板樁圍堰的拆除

等墩身施工完成后，向圍堰內注水，使內部水面位于最底層支撐以下，然后割除該層內支撐，以此循環，依次拆除完所有內支撐，然后用履帶吊配合振動錘將鋼板樁逐片拔出，依次全部拔除。

3.7 鋼板樁施工注意事項

①在鋼板樁安置吊點時，如起重機高度不夠，可用鋼絲繩在鋼板樁1/3以上處捆扎，捆扎處應有夾板，并墊有木塊、膠皮以防滑移及受力后吊點處鎖口變形。

②在鋼板樁下端系攬風繩二根，履帶吊起吊鋼板樁接近垂直狀態時，利用攬風繩控制正反方向。

③鋼板樁就位下插，第一片鋼板樁沿活動導向下插是整個圍堰的基準，要反復測量檢查，使其方向垂直，位置準確，必要時可加輔助設施，控制樁在導向內的左右位置。

④鋼板樁圍堰合攏措施保證。鋼板樁圍堰在施工中應選擇河床較低處為合攏面，插打至合攏面時，應精確丈量尺寸，考慮到鋼板樁鎖口的間隙和鋼板樁本身的性能，合攏面尺寸應大于理論尺寸15-20cm為宜，避免合攏口尺寸過小的出現：同時與合攏口相鄰的10-15片（組）鋼板樁采取先插至樁的穩定標高，主要是有利于鋼板樁的調整，并且合攏口兩側鋼板樁具有高差，便于插樁，待合攏后，再將樁打至設計標高。合攏口解決措施如下：

a鋼板狀合攏口尺寸上下都大時：當尺寸上大下小時，在合攏口兩側鋼板樁上下平行吊耳，位置根據尺寸大小的差值而定，利用倒鏈或轉向滑輪進行對位，直至符合要求合攏為止。其優點是：鋼板樁對向平行受拉能保證樁的兩側鎖口在同一平面內，通過對拉，使兩側鋼板樁連接有利于穩定，便于插樁合攏。當尺寸下大上小時，鋼板樁上設置的吊耳，應盡量向樁的下部安置，必要時可安放在水下對位，直至合攏。

b鋼板樁合攏口尺寸上下都小時：此時應將合攏口的位置設置在合攏面一側的角樁附近。用千斤頂在鋼板樁頂端頂推和設置吊耳，將合攏口向兩側張拉，調整上下尺寸，但要采取保證兩側鋼板樁鎖口在同一平面內，一般是在樁內外安置活動導向，迫使鋼板樁在導梁平面內移動。拔出的板樁應及時清除土砂，涂以油脂。變形較大的板樁需調直。完整的板樁要及時運出工地，堆置在平整的場地上。

4 結束語

國道110線烏海黃河特大橋橋梁與互通工程正橋主橋主墩承臺已施工完畢，目前采用此工藝確保了鋼板樁順利插打，并確保了承臺的順利施工，取得了良好的效果，可為同類工程參考借鑒。

參考文獻：

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