阜六鐵路深水基坑拉森鋼板樁圍堰施工技術

李遙

摘要： 新建阜六鐵路潁河特大橋，跨潁河主航道連續梁47#主墩深水低樁承臺基礎，為20根Φ2.0m鉆孔樁，樁長86m。承臺為二階形式，第一階承臺平面尺寸為24.6×19.3m，厚4m；第二階承臺平面尺寸為13×10m，厚2m。結合工程實際，主墩承臺基礎深基坑采用韓國拉森IV型小鎖口鋼板樁圍堰施工，圍堰設計為矩形形式，長28m、寬22.4m、深19.2m，樁長30m，目前是國內首例超長拉森鋼板樁大體積深基坑圍堰施工。本文通過對潁河特大橋主墩拉森鋼板樁圍堰施工過程進行歸納總結，為類似的深基坑圍堰支護工程提供有益的參考經驗。

Abstract： The foundation of the deepwater low pile for the 47th main pier of continuous girder of the main channel of the Yingge River of the newly built Fuyang-Luan Railway Yinghe River Super Large Bridge is 20 Φ2.0m bored piles with a length of 86m. The platform is in the second-order form. The plane size of the first stage platform is 24.6×19.3m， and the thickness is 4m. The plane size of the second stage platform is 13×10m and the thickness is 2m. In combination with the actual project， the deep foundation pit of the main pier foundation is constructed using the South Korea Larson Type IV small-lock steel sheet pile cofferdam. The cofferdam is designed in the form of a rectangle with a length of 28m， a width of 22.4m， a depth of 19.2m and pile length of 30m. It is the first large-scale deep pit excavation of Lason steel sheet pile in China. This paper summarizes the construction process of the Larsen steel sheet pile cofferdams of the main pier of the Yinghe River Bridge， and provides useful reference experience for the similar deep foundation pit cofferdam support project.

關鍵詞： 深水基坑；拉森IV型鋼板樁；圍堰

Key words： deep water foundation pit；Lassen type IV steel sheet pile；cofferdam

中圖分類號：TU753.62 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0177-04

1 工程概況

1.1 概況

新建阜六鐵路潁河特大橋位于阜陽市境內，在潁東區與潁上縣交界處跨越潁河；起點里程為DK7+303.24、終點里程為DK12+843.4，橋全長5540.16m。橋梁按客貨共線鐵路160km時速設計，同時預留200km時速條件。

潁河特大橋跨潁河航道連續梁47#主墩位于主航道內距岸邊約38m，常水位時，基底施工水深分別為10.0m和10.5m。橋址處潁河河道彎曲、岸陡、流緩，主河道水面寬180～210m；施工期河床水深6.5～11m。承臺基礎設計為20根Φ2.0m鉆孔灌注樁，樁中心間距5.3m，樁長86m。承臺為深水低樁基礎，分為二階承臺，第一階承臺橫橋向寬24.6m，順橋向寬19.3m，厚4m；第二階承臺橫橋向寬13m，順橋向寬10m，厚2m。承臺底標高11.370m，承臺頂標高17.370m。承臺施工需設鋼板樁圍堰支護。

主墩深水低樁承臺基礎集大孔徑、鉆孔深度大、承臺體積大以及水上平臺施工為一體，施工難度較大。

1.2 水文地質情況

水文：潁河為淮河一級支流，流經阜陽市的界首、太和、潁東、潁泉、潁上等區縣，于潁上縣沫河口匯入淮河。區內降水具有短時間降水強度大的特征。主汛期一般在6～9月份，11月至翌年2月為枯水期。由于有下游潁上閘和上游阜陽閘的節制，河水位變化不大，水位常年標高在23.45m左右。在該區域地表水位較高，平均水位在24.6m左右。

橋址處潁河百年一遇設計洪水位為H1/100=32.84m，最大流量5160m3/s，最大流速1.79m/s；五年一遇設計洪水位為H1/5=27.5m，流量1900m3/s，斷面平均流速0.97m/s，經查閱潁河的水文資料，橋址處最近十年內的平均水位均小于26m。

地質：橋址位于阜陽市潁東區、潁上縣境內屬淮河沖積平原，其中DK10+667前為潁河一級階地，后為淮河二級階地。橋址區跨潁河河床、漫灘及一級階地、堤壩、淮河二級階地等微地貌。地勢平坦開闊，海拔高程26.5～29.5m。根據野外鑒別及室內試驗結果，勘探范圍內巖土層自上往下劃分為八個大層和若干亞層，其中①～②層為第四系全新統，③～⑥層為第四系上更新統，⑦層為第四系中更新統，⑧層為第四系下更新統。（圖1）

2 施工方案的選定

深水基坑承臺基礎施工常采用雙壁鋼圍堰、有底套箱、無底套箱及鋼板樁圍堰等施工方案，結合本工程橋址處地質土層及地理位置、水文條件、航道通航要求、施工工期要求以及成本控制等情況，選擇矩形鋼板樁圍堰施工，其優點相對于雙壁鋼圍堰及套箱施工具有：節約大量的人力、物力及財力，經濟適用、施工簡單、可大大提高施工效率縮短工期等優點。

3 主要施工方法

根據地方環保要求、河道通航要求以及現場河道地質、河流深度等條件，深水基礎施工設施主要由施工鋼棧橋、鉆孔平臺以及鋼板樁圍堰三大部分組成，本文主要探討鋼板樁圍堰施工技術。

3.1 鋼棧橋及平臺

47#墩位距岸邊約38m，須在河道兩側設置棧橋與岸邊的便道連接，作為施工機械設備、材料及人員往來運輸的通道。棧橋布置在線路前進方向的左側，并在橫橋向設兩條臨時施工平臺，以形成“F”形式工作區域，橋面寬9m，鋼棧橋長66m，具體布置如圖2所示。

鋼棧橋下部結構采用Φ420鋼管樁，每排4根，入土深度不小于10m，鋼管樁頂部設2I32雙拼工字鋼作分配梁，剪刀撐采用[8，交叉點采用焊接連接。上部結構依次為：橋面板寬9m采用厚10mm鋼板；縱梁采用H10型鋼，按照30cm間距布置；橫梁采用I32工字鋼，間距按照150cm布置；主梁采用三排單層321貝雷梁。

3.2 鋼板樁圍堰設計

結合本工程承臺結構尺寸和圍堰支撐體系構件尺寸以及承臺施工人員操作空間，并考慮潁河通航最小寬度80m等各種因素，鋼板樁圍堰為矩形，平面尺寸為28m×22.4m（如圖3）。鋼板樁采用韓國拉森IV型小鎖口鋼板樁，樁長30m，在國內尚屬首例超長拉森鋼板樁大體積深基坑圍堰。鋼板樁頂標高28.36m，鋼板樁底標高-1.64m，鋼板樁樁尖在封底面以下不小于9.0m。在圍堰頂面以下5.3m的位置沿鋼板樁內側設置I30a工字鋼，工字鋼長度12m，入封底混凝土面以下30cm，工字鋼與拉森樁點焊連接，焊點間距30cm。

圍堰從上到下設六道支撐（如圖4所示），最上面一道為第一道，從上往下依次排序。第一道、第二道和第三道的圍囹和內支撐均為H40c組成，第一道、第二道和第三道支撐中心標高分別為17.46m、24.46m和21.46m。第四道、第五道和第六道的圍囹和內支撐均為雙拼H40c型鋼組成，第四道、第五道和第六道支撐中心線標高分別為18.66m、15.86m和13.36m。

4 施工工藝流程

圍堰施工具體工藝流程：材料準備→測量定位→安裝導向架→插打拉森樁→合攏→安裝圍囹支撐（依次從上往下）→封底→承臺（砂夾石回填→拆除圍囹支撐（從下往上）→墩柱施工→拔除拉森樁。

4.1 拉森鋼板樁施工

4.1.1 設備、材料準備、制作

根據施工方案設計要求，圍堰拉森樁長30m，采用兩根15m樁對接。采用氣包焊對接焊，另外在拉森樁外凸面綁焊20mm厚鋼板。

根據樁位地質情況，在鋼板樁的入土深度范圍內，共四個大層和若干亞層，其中①～②層為第四系全新統，③～④層為第四系上更新統，從上至下土質依次為粉砂、粉質黏土，中間部分夾雜有粉土。其中粉質黏土基本承載力σ=220kPa，極限摩阻力fi=63kPa。鋼板樁打設選用DZJ-90型振動錘。

4.1.2 插打鋼板樁

根據設計施工方案，首先測量定點放出拉森樁具體線位，利用鉆孔平臺外側周邊鋼管樁作為鋼板樁外側定位樁，用I36工字鋼焊接安裝作為鋼板樁插打內外導向框架，使鋼板樁沿導向架垂直打入。插打鋼板樁定位樁時， 利用50T履帶吊將振動錘與30m拉森樁垂直吊起，將樁固定垂直后再進行插打。第一根定位樁插打合格后，再另一側依次插打鋼板樁。在插打過程中，隨時檢查插打鋼板樁是否偏差，存在偏差后及時調整，做到“插樁正直，有偏即糾，分散偏差，調整合攏”的原則進行糾正。

鋼板樁打設前對鎖口進行檢查，確保無開裂、扭曲、局部變形及焊瘤等情況，插打前或插打過程中在鎖口內涂抹黃油用來止水的同時起到減小鎖口摩擦阻力的潤滑作用。在整個鋼板樁圍堰施工打設過程中，開始時插一根打一根，將每一根樁打到設計位置，插打時注意焊縫必須錯開。轉角樁根據圍堰轉角位置尺寸及角度，將一片鋼板樁沿長度方向切割開焊在另一鋼板樁上，現場焊制成所需的任意角度的異形樁。快合攏時，剩下最后5根樁時，先將鋼板樁安插就位后再打設，若合攏有誤，需加工異形樁插打合攏或在圍堰鋼板樁外1～2m位置插打3～5m長的U形燕子窩形式合攏，燕子窩內用粘土夯填，避免合攏處受力變形從縫隙里滲水或流沙。

鋼板樁采用“屏風式”設計，打設順序按照從南側沿上游往下游，再東側、北側、西側最后在南側合攏。

4.2 圍囹支撐安裝流程

4.2.1 施工流程

原設計為第一道圍囹支撐安裝后，開始吸泥清淤直至8.86m灌注水下封底混凝土。然后再抽排水，安裝第二道及后續圍囹支撐。根據現場對拉森樁圍堰樁頂位移變形、桿件應力的監控數據分析，圍堰變形比較穩定，改為先安裝支撐，最后干封封底混凝土。其施工工序為：①鋼板樁插打完畢后，安裝第一道圍囹支撐，支撐中心線標高27.36m。②抽水至標高23.56m，安裝第二道圍囹支撐，支撐中心線標高24.46m。③抽水吸泥至標高20.56m，安裝第三道圍囹支撐，支撐中心線標高21.46m。④抽水吸泥至標高17.76m，安裝第四道圍囹支撐，支撐中心線標高18.66m。⑤抽水吸泥至標高14.96m，安裝第五道圍囹支撐，支撐中心線標高15.86m。⑥抽水吸泥至標高12.46m，安裝第六道圍囹支撐，支撐中心線標高13.36m。⑦抽水吸泥至封底標高10.36m，澆筑封底混凝土。⑧鑿除樁頭清理雜物，進行承臺、墩身施工。在承臺施工過程中，用砂夾石回填基坑，進行支撐體系轉換。⑨墩身施工完畢后，根據現場后續施工要求，決定拆除圍堰的時間。

4.2.2 圍堰內抽水清泥

結合本工程基坑深、基坑大、地質土層多樣性、施工工期緊、安全質量要求高等特點，針對不同地層地質情況在抽水清泥上采取多種方法同時進行，具體采用：大功率砂石泵5臺、高壓水泵5臺、自行設計加工的超大功率潛水砂石泵、小型挖掘機2臺、泥砂抓斗、泥砂吊箱以及多臺起吊設備同時配合施工。根據圍堰支撐施工工序，逐層抽水安裝，圍堰漏水時，主要在鎖口接縫處，采用舊棉絮在圍堰內封堵，同時在外側用鋼管將鋸木和砂的拌合物送至漏水處以及用塑料薄膜封堵。

4.2.3 支撐安裝

因圍堰基坑長28m寬22.4m深18m的超大基坑，支撐用量較多且單根長度較長，結合本圍堰支撐設計，按照從上至下的安裝順序，在第一道以后的支撐桿件將很難下放就位，對此，根據設計圖尺寸預先在后場加工，在第一道圍囹安裝就位后，分別將第六、第五、第四、第三及第二道的H型鋼圍囹下放至基坑內，用鋼纜繩固定在拉森樁上，利于后續施工。由于原設計圍堰內部8根雙拼[20槽鋼豎向支撐，支撐剛度較小且不利于DZJ90振動錘打插，后改用H40c型鋼支撐。（圖5圍堰施工圖）

圍堰支撐安裝，根據測量標高，在拉森樁上定位焊接牛腿支撐，用履帶吊吊裝就位。圍囹必須緊貼拉森樁，若鋼板樁變形存在間隙，需用鋼墊片等支墊密貼。支撐連接采用氣包焊焊接。

4.2.4 灌注封底砼

封底混凝土采用C20標號，原設計為水下封底混凝土厚2.5m。根據現場實際情況，圍囹支撐結構穩定、安全可靠，基底土質全部為粉質黏土，土層密實、不透水、不涌水，整體承載力較大，故將水下封底改為干封，混凝土厚度改為1m，混凝土標號改為C40。由于基坑較大，一次性全部清底將需較長時間且存在很大的安全風險，故采取分兩半兩次封底，增大了安全質量的保障性，并且大大縮短了圍堰施工時間，如圖6。

混凝土由自建拌和站拌制，混凝土輸送車運輸，兩臺汽車泵泵送。由于基底存在一層泥漿，為確保混凝土澆筑質量，在混凝土澆筑前，在基底排放竹籬笆（如圖6），混凝土從較高位置澆筑，將泥漿漸漸擠至集水坑，采用砂石泵將其抽出。封底混凝土的強度達到90%以上時，進行樁頭鑿除和后續承臺施工。

4.2.5 承臺施工

根據施工技術規范相關要求，第一階承臺屬于大體積混凝土施工，在混凝土施工中應當采取相應措施避免因水化熱所引起混凝土溫度裂縫的出現，而影響質量。另外，圍堰第六道支撐與第一階承臺存在位置沖突，如果第六道支撐不拆除，承臺采用一次澆筑情況下，圍囹的內支撐將被澆筑在承臺中，這樣會影響支撐周圍以及雙拼H型鋼內部混凝土的澆筑質量。再則，由于承臺結構較大，在圍囹支撐交錯有限的空間內綁扎鋼筋及安裝模板，與無任何障礙下施工相比較存在較大的困難，所需的時間相應增加，對整個圍堰安全要求就相應增高，以及拌合站在生產1899m3混凝土的能力有限等因素，將影響大體積混凝土澆筑質量，為此，決定在施工快捷、安全、保質的原則下，采取第一階承臺分兩次澆筑，即第一次澆筑2.2m標高為13.56m；第二次澆筑1.8m標高為15.36m。

一階承臺底層混凝土澆筑完成模板拆除后，用砂夾石回填承臺四周基坑，澆水使其自密實，以起到支撐體系的轉換，然后拆除第六道支撐。在拆除支撐過程中，按照支撐安裝時的相反順序操作，同時安排專人對安裝在第四道、第五道圍囹內支撐上的應力測試元件進行觀測，以及鋼板樁樁頂位移變化觀測，隨時掌握支撐受力變形情況及鋼板樁位移變化情況，嚴格按照設計方案上規定控制應力及位移范圍進行監控。

5 施工過程中的問題及處理方案

5.1 拉森樁施工過程中出現的問題及處理方案

原設計拉森樁采用兩根15m樁對接，單根樁長30m。在插打施工過程中，鋼板樁入土深度約12～13m以后，鋼板樁進尺緩慢，樁身振動較大、變形明顯，為了確保圍堰整體質量安全，停止打樁施工，安排將插打變形的拉森樁拔出換樁再打。立即組織現場技術人員和操作工人進行研究分析，對原方案進行重新審核，同時查閱大量同類工程相關資料、請教施工經驗豐富的打樁工人。

經研究分析存在以下原因：①設計地質與實際地質情況不一致，實際地層土質的摩阻力較大；②鋼板樁的長細比較大，致使剛度減小；③拉森樁的入土深度較大約20m。針對上述原因，只有加強拉森樁的整體剛度，最終討論決定采用在圍堰頂面以下5.3m的位置沿鋼板樁內側添加12m 長的I30a工字鋼。經過調整后的方案，拉森樁插打恢復正常。

在基坑圍囹支撐安裝過程中，發現有局部鋼板樁存在偏位傾斜現象，越向下偏位越大。回顧打樁過程，在插打時曾出現樁偏位現象，及時用手動葫蘆進行糾偏。但在基坑施工中發現仍存在偏位情況，經綜合分析，由于本工程鋼板樁較長，打入深度較深，地層地質復雜，只采用一道導向架施工，是導致拉森樁偏位的主要因素。為此，在鋼板樁打設施工中，必須嚴格控制鋼板樁垂直度，采取雙軸向控制。在條件允許情況下，盡可能增設雙層或多層導向架，偏差在1%以內，確保鋼板樁圍堰整體剛度和止水效果。

5.2 基坑內止水、抽水吸泥過程中存在的問題

在圍堰內抽水清泥過程中，拉森樁合攏處多次出現漏水，主要是由于拉森樁合攏處采用U型燕子窩形式合攏。由于清泥過程長，內外水壓差逐漸增加拉森樁產生微小變形，樁與樁之間出現細小縫隙，同時燕子窩內部土體與鋼板樁之間也出現間隙，致使燕子窩外界水與燕子窩內部水體形成通路，在圍堰內外壓差作用下，水將燕子窩內的泥土從縫隙中帶入圍堰。每次漏水后，圍堰內外水位一致后，用土袋重新填筑燕子窩，并用振動錘振動夯實。待穩定后開始抽水清泥，抽水至漏水位置處，用20mm厚鋼板將漏水兩側鋼板樁焊接，鋼板樁縫隙內用舊棉絮填堵密實。經此方法處理，最終將水全部止住，并順利封底。

6 結束語

本文根據現場實際情況對潁河特大橋深水基坑施工方案進行優化，并對過程中遇到的問題進行綜合分析和總結，為今后類似深水圍堰基坑施工積累經驗。由于深水拉森樁圍堰基坑施工作者尚屬首次，知識淺薄，本文中不足之處，懇請讀者給予批評指正。

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