鋼板樁圍堰在超厚砂卵石層橋梁深水基礎施工中的運用

冉兵

【摘 要】本文以重慶市合川區涪江四橋11#交界墩水下基礎施工為依托，從鋼板樁圍堰施工方案的比選、設計與施工三個方面，闡述了鋼板樁圍堰在超厚砂卵石層橋梁深水基礎施工中的應用，為以后同類型工程深水基礎施工提供借鑒。

【關鍵詞】鋼板樁圍堰超厚砂卵石層深水施工

引言：

隨著我國經濟的高速發展，交通日益繁忙，在大江、大河等深水環境下建造大型橋梁已經成為常態。如何在深水中更快更好的進行橋梁基礎施工，是擺在所有橋梁建設者面前的重大課題。鋼板樁圍堰施工方案與其它方案相比，具有工藝簡單、施工期間臨時占用水面較小、安全、施工風險易于控制等諸多優勢，在深水基礎施工中得到了廣泛的應用。一般情況下，鋼板樁圍堰在砂類土、黏性土、碎石土等易于插打的軟質土體上應用較多，在超厚砂卵石地質條件下應用較少。

1工程概況

重慶市合川區涪江四橋是連接合川區高校園區與小安溪生態產業園區的重要通道，全長756m，橋面寬33.5m，主橋為雙幅式，單幅梁體寬度16.75m，主橋為84+160+84=328m連續剛構拱組合體系。主橋11#交界墩按基礎整修，墩身分修，墩身采用圓端形實體墩。承臺橫向長27.85m，縱向寬6.0m、高3m，承臺底標高+194.063m，施工時水位標高為+203.0m，水深8.937m，河床底標高+194.5m。承臺部分位于河床中，承臺下接群樁基礎，樁基采用直徑為1.5m的嵌巖樁，橫向8排，縱向2排。主橋橋型布置圖如圖1。

涪江四橋位于涪江的合川城區段，20年一遇洪水位+205.16m，百年一遇的洪水位+220.75m。橋位下游為草街電站，因電站蓄水影響，橋位常年水位較穩定，其水位主要隨電站蓄水情況變化，根據水文站近兩年的水位統計，常年水位為+203.0m，現場實測流水速度為1.0m/s，洪水季一般在6-9月份。

11#交界墩位于涪江河谷上，地勢較平緩，橋梁架空高度為36.67m～37.67m，縱向地形坡角5°，橫向地形坡角0～4°，主要覆蓋有第四系人工素填土和卵石，覆蓋厚度為10.1～11.7m，卵石含量占50%～70%，最大粒徑為16cm，呈亞圓形狀，中風化，成份以灰巖、砂巖為主，充填物主要為粘性土，局部含細砂。下伏基巖主要為J2s砂巖、泥巖，強風化厚度約為2.3m～2.6m，強風化底界面隨地形起伏而起伏。

2方案設計

涪江四橋主橋11#交界墩臨近涪江北岸，施工空間受原堤防工程的水下連續擋墻及已施工完成的12#、13#主墩雙壁鋼圍堰的影響，施工區域極為狹窄，大型施工設備進出困難。根據施工總體安排，11#交界墩的施工時間在主墩12#、13#水下基礎基本完成之后開始，采用先在臨時鋼管樁平臺上施工鉆孔樁、再圍水施工承臺的先樁后承臺方式。時值2014年3月，根據水文資料，6月涪江將進入汛期，工期僅3個月，異常緊張，如何選取安全、優質、快速的施工案顯得尤其重要。

2.1施工方案比選

根據該橋位處的水深、水文、地質等相關情況以及工地現場的實際情況、施工組織設計的總體工期安排，結合我司技術裝備水平和現有設備、人員情況，我們對雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰三個施工方案從施工工期、安全風險、施工難度及施工成本四個方面進行了綜合比選。

（1）施工工期比較。見表1。

（2）施工風險比較。見表2。

（3）施工操作性比較。見表3。

（4）施工成本比較。見表4.

通過以上對比分析，鋼板樁圍堰為首選方案。

2.2圍堰設計

（1）鋼板樁的規格

鋼板樁的規格采用市場上常見的德國拉森IV型鋼板樁，具體參數如表5。

（2）鋼板樁圍堰的具體設計

11#墩基礎采用16根φ1.5m的鉆孔樁基礎，承臺為矩形，平面尺寸27.85×6m，厚3m，承臺頂高程+197.063m，墩位處河床為卵石層，清理后河床高程為+192.0m，基礎施工采用先平臺后圍堰施工方案，承臺施工采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰，圍堰設防水位+203.0m，設置兩層圈梁，鋼板樁圍堰的平面尺寸為8.4×29.95m，施工人員安裝模板操作空間順橋向每側預留1.2m，橫橋向每側預留1.05m。圍堰內采取兩層內支撐圈梁，圈梁材料選取現場主墩12#、13#圍堰施工留下的既有材料HM588×300型鋼和φ630×8鋼管，材質均為Q235B。頂層圈梁及對撐采用HM588×300型鋼，底層圈梁采用雙肢HM588×300型鋼，對撐采用φ630×8鋼管，具體設計圖見圖2、圖3。

2.3結構驗算

鋼板樁圍堰結構驗算主要包括：鋼板樁的入土深度、鋼板樁的強度和內支撐圈梁的強度否滿足要求。

（1）計算主要參數

根據地質資料和相關經驗，卵石土的容重γ=22.5kN/m3，浮容重γ浮=12.5kN/m3，γw=9.8kN/m3，內摩擦角φ=20°，Ka=0.49，Kp=2.04。拉森IV鋼板樁為Q295bz鋼板樁，允許應力[σ]=174Mpa，型鋼為Q235B鋼材，允許應力[σ]=170Mpa。

（2）鋼板樁入土深度計算

墩位處河床為+192m，在封底混凝土施工時，鋼板樁入土深度最為不利，此時，僅考慮頂層內支撐作用，頂層內支撐高程為+203.5，澆筑封底混凝土時，圍堰內的封底混凝土產生側壓力，荷載簡圖如下：

則鋼板樁入土為：

1/2γ（Ka-Kp）x2=1/2[（Kaγ浮h-γwH）×（2.5+x）]

解得x=4.5m，實際鋼板樁入土深度5.063m，滿足要求。

（3）鋼板樁強度驗算

采用MIDAS建立模型，荷載考慮靜水壓力，根據實際情況，建立兩個階段的模型，階段1：圍堰內封底混凝土達到設計強度后，圍堰內抽水完畢，承臺準備施工，此時鋼板樁與封底混凝土頂面鉸接，頂、底層圈梁處水平約束。階段2：承臺施工完畢，回填承臺與鋼板樁間的空隙，在承臺頂面與鋼板樁之間設置抄墊混凝土圈梁，拆除底層內支撐，準備開始墩身施工，此時鋼板樁與封底混凝土頂面鉸接，抄墊的混凝土圈梁處水平約束，頂層圈梁處水平約束。計算結果如表6

由上表可知鋼板樁滿足要求。

（4）內支撐圈梁強度驗算

根據實際施工的兩個的階段，建模計算得出每個階段兩層圈梁的最大反力統計如表7。

根據表7里的反力統計，通過Midas對兩層圈梁建模，偏安全取底層圈梁荷載為230kN/m，頂層圈梁荷載為55kN/m，建模計算模型示意圖如圖5。

計算結果如表8所示：

經驗算圈梁設計滿足要求。

2.4鋼板樁的試插打

在砂卵石地質中插打鋼板樁較困難，可能因卵石粒徑大或者卵石層板結導致無法插打至設計深度，在施工準備之前須對鋼板樁進行專項的插打工藝試驗，于2014年3月22日將兩塊長度為9m的拉森IV鋼板樁焊接連接在一起，利用工地現有的50t浮吊和DZ-90型振動錘，在11#交界墩附近選取相同地質的地方進行插打，插打過程中鋼板樁振幅較大為±2cm，無彎折、破損情況，以插打至基本無貫入度停止插打，鋼板樁插打實際深度為5.6m，滿足設計要求，實踐證明此方案是可行的。

3方案實施

3.1施工工藝流程

施工準備 →鋼板樁試插打→圈梁制作 →底層圈梁下放、定位→頂層圈梁安裝定位→鋼板樁插打→吸泥清基 →圍堰封底 →抽水完成→支撐轉換→拔出鋼板樁。

3.2施工機械設備的選定

根據鋼板樁插打深度產生的摩擦力要求，選擇了DZ90型震動錘，用50t自航式全回轉浮吊配合其施工，具體設備需求如表9.

3.3施工準備

（1）鋼板樁的整理

鋼板樁在拼組前對其進行檢查、丈量、分類、編號，按設計尺寸計算出使用鋼板樁的數量，以確保夠用。對于樁身殘缺、殘跡、不整潔、銹皮、卷曲等都要做全面檢查，并采取相應措施，以確保正常使用。

（2）預留吊、拔樁用孔

鋼板樁在吊裝運輸時，應事先鉆好孔，拔樁孔須焊接加勁板，以免拔樁時拉裂。

（3）鎖扣涂油

鋼板樁兩側鎖口均在插打前用黃油或熱的混合油膏（質量配合比為黃油：瀝青：干鋸末：干粘土=2：2：2：1）進行涂抹以減少插打過程中的摩阻力，并增加其防滲的性能。

（4）檢查振動錘

振動錘是打拔鋼板樁的關鍵設備，在插打鋼板樁之前派專業人員進行檢查，確保線路暢通，功能正常。

3.4圈梁安裝

底層、頂層圈梁均采用12#、13#主墩底托盤回收材料現場制作，先拼裝底層圈梁和連接桿，安裝底層圈梁之前，利用樁基施工時的鋼護筒作為支撐，浮吊吊裝底層圈梁和連接桿至設計高程，并將底層圈梁臨時打稍在鋼護筒上，然后再拼裝頂層圈梁，安裝牛腿，并將連接桿與頂層圈梁焊接成整體。

3.5鋼板樁定位插打

鋼板樁插打以圈梁作為導向梁，采用50t浮吊配合DZ-90型液壓振動錘單片插打，遵守“插樁垂直，分散即糾，調整合攏”的原則。插打順序從上游向下游，從一角向另一角插打，在下游合攏。在超厚砂卵石層地質條件下鋼板樁的插打遇到以下問題，通過改進施工方法得以克服。

（1）砂卵石層中鋼板樁難以插打到位，在插打過程中，遇到粒徑較大卵石導致無法插打到位的時候，通過采用反復的提起再插打，擾動砂卵石，砂卵石受擠壓位移，從而達到設計的入土深度。

（2）鋼板樁插打垂直度偏差大，首片鋼板樁插打應從兩個相互垂直的方向同時控制，且應緊靠頂層圈梁邊緣徐徐下降，待插入河床后，用“口”形型鋼定位架限制鋼板樁位移，插打就位后首片鋼板樁與頂層圈梁固定牢靠，利用首片鋼板樁做為導向，以確保后續鋼板樁的垂直度。

（3）圍堰合攏采取根據現場角落兩臨近板樁的距離和傾斜情況現場特制角樁，確保圍堰順利合攏。

3.6施工注意事項

（1）在插打鋼板樁圍堰前，在圍堰上下游一定距離及兩岸陸地設置測量觀測點，用以控制圍堰長、短邊方向的鋼板樁的施打定位。在插打過程中隨時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。

（2）插打鋼板樁時從第一塊就要保持平整，嚴格控制垂直度，幾塊插好打穩后即與圈梁固定，然后繼續插打。鋼板樁起吊后須以人力扶持插入前一塊的鎖口內，動作要緩慢，防止損壞鎖口，插入以后可稍松吊繩，使樁憑自重滑入，或用錘重下壓，比較困難時，也可以用滑車組強迫插樁，待插入一定深度并站立穩定后，方可加以錘擊。

（3）單樁逐根連續插打，樁頂高程不宜相差太大。

（4）鋼板樁打樁前進方向的鎖口下端用木栓塞住，防止泥砂進入鎖口內，影響以后插打。凡帶有接頭的鋼板樁應與無接頭的樁錯開使用，不得已時其接頭水平位置至少應上下錯開2m以上。

（5）保證鋼板樁插打正直順利合龍的措施是隨時糾正歪斜，歪斜過甚不能用拉擠辦法整直者要拔起重打，糾正無效時，應特制楔形樁合龍。

（6）當鋼板樁難以下插時，應停下來分析原因，檢查鎖口是否變形，樁身是否變形，鋼板樁有無障礙物等，不能一味蠻干，磨損鋼板樁。

3.7圍堰抽水及基坑排水

鋼板樁插打完成后，按方案設計要求進行封底混凝土澆筑，待封底混凝土達到設計強度時，便可進行圍堰內抽水。

抽水時，為保證鋼板樁圍堰底層圈梁的受力均勻，當抽水抽到底層圈梁時，須用小塊型鋼將圈梁與鋼板樁之間的縫隙填滿檢查后繼續抽水。從圍堰內抽水時，若發現有滲漏，鎖口沒有密封好發生漏水時，可用板條、棉絮、麻線等在板內側嵌塞，水較大時可在漏縫外側水中拋投煤灰拌鋸末，效果顯著。

在澆注找平砼時表面設置2%的排水縱坡，在鋼板樁圍堰邊設置排水溝和排水井，再用水泵抽出圍堰外，以達到基坑排水的目的。圍堰抽水過程中作好鋼板樁圍堰的變形監測，一旦發現圍堰變形超過設計控制位移立即停止抽水，對圍堰做相應加固處理措施后方可繼續抽水。

3.8鋼板樁拔出

承臺澆筑完畢后，拔除鋼板樁。拔樁起點從離開角樁第5根開始，從下游開始分兩側向上游挨次拔除。鋼板樁拔樁前，先給圍堰內回灌水至要拆除的內支撐的位置，拆除該層內支撐。之后繼續回灌水，從下到上依次拆除內支撐。拆除最后一層內支撐后，使內外水壓平衡，板樁擠壓力消失。

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1～2m，然后挨次將所有鋼板樁均拔高1～2m，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實施效果

在鋼板樁圍堰完成抽水后對圍堰進行了質量驗收，主要以圍堰位置偏差、主要構件的受力變形及圍堰的止水情況進行驗收，具體數據如表10。

通過對涪江四橋11#交界墩鋼板樁圍堰施工，總結出以下幾點經驗：采用反復插打鋼板樁可擾動砂卵石，能使鋼板樁插打至設計深度，但普通鋼板樁在插打過程中有6%的鋼板樁尖端變形及產生缺口，采用鋼板在鋼板樁尖端焊接加強，可避免此類情況；圈梁內支撐先焊接拼裝成整體下放后插打鋼板樁的施工順序比先插打鋼板樁再抽水逐層安裝圍檁和內支撐的施工順序能使圍堰結構構件受力減小，縮短施工工期，降低施工風險；圈梁的水下定位采用施工樁基的鋼護筒做為定位和支撐，操作便捷；頂層圈梁直接替代鋼板樁插打的導向梁，可以省去導向梁的工序；采用支撐于承臺上的砼圈梁與底層圈梁進行支撐體系轉換，可試鋼圍堰設計更簡單；瀝青和鋸末在水下1-6m深度范圍內止水效果顯著，超過6m水深的位置采用鋸末和瀝青法堵漏效果差，采用潛水工安裝止水條效果好。

5結束語

重慶市合川區涪江四橋主橋11#交界墩于2014年4月5日開始鋼板樁圍堰施工準備，4月20日鋼板樁插打完成，4月24日封底混凝土成功澆筑。抽水后，鋼板樁圍堰的垂直度、平面位置均達到了設計要求，且無滲漏，完全達到了預期效果。圖堰抽水后現場照片如圖6。

11#交接墩于5月15日完成承臺施工，5月22日完成4.5m墩身施工，提前完成了在汛期來臨前出水的施工目標。

鋼板樁圍堰在涪江四橋11#交接墩超厚砂卵石層深水基礎的施工中取得了很好的效果，該方案在實施過程中非常順利，達到了安全、優質、快速、高效的目的。

參考文獻：

[1]黃彬.賴桂珍.百色市東合大橋鋼板樁圍堰施工技術[J].西部交通科技.2010.

[2]孫重光.賀曉紅.公路施工材料手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]汪正榮.建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]張俊義.橋梁施工常用數據手冊[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]楊志等.鋼板樁深水基礎施工技術應用[J].交通科技.2011.