钢板桩围堰在滠水特大桥施工中的应用

邱国平

（中铁大桥局湖北武汉430050）

钢板桩围堰在滠水特大桥施工中的应用

邱国平

（中铁大桥局湖北武汉430050）

本文结合工程实例，简述拉森Ⅳ型钢板桩在滠水特大桥水中主墩围堰施工方案，施工方法和过程控制。

钢板桩；围堰；施工

1 工程概况

滠水特大桥为合武铁路湖北段的控制性工程，桥位河床开阔，河槽常年有水。22、23、24#墩为水中主墩，承台尺寸为13.4m×10.6m×4.0m。主墩处河床面高程约15.45m，水位为20m时水深4.5m。滠水河在桥位处的水位由下游橡胶坝蓄水或泄水调节，水位最低时与长江水位平，水位最高时由长江水倒灌控制。流量Q1%=4920m3/s，水位H1%=29.72m，流速Vp=1.82m/s。

2 工程地质情况

根据岩土工程勘察报告，水中墩地质土层分布由上至下依次为：

淤泥层，黑色，软-流塑，层厚1.5m；

松散细砂，黄色、层厚1.3m；

松散中砂及粗砂（70%），含少量卵石，层厚1.55m；

松散粗砂（70%）及卵石（30%），层厚3.72m；

松散粗砂（60%）及卵石（40%），层厚2.27m；

中密粗砂（60%）及卵石（40%），层厚2.48m；

中风化基岩。

3 施工方案选择

根据现场的施工条件，在桥址下游两堤岸之间已修建了一条宽6m长340m的钢栈桥，作为河东的施工通道及水中墩施工材料及机械设备进出、混凝土输送通道。滠水特大桥为合武铁路湖北段的控制性工程，工程任务量大，工期十分紧张，这要求水中墩施工在确保安全质量、经济效益的情况下，施工周期最短。为此，在确定水中墩承台施工时，考虑了3种方案。

方案一：填土筑岛施工。此工法在跨越鱼塘、小河沟等情况下常采用。因滠水河床开阔，河槽常年有水，河床较深，采用大规模筑岛，约需土方4.5万方，土方砌筑高度达7m，经测量放线，填土围堰布置于接近河中心，缩窄了航道，堰体挡水高度较大，基础为透水性强的粗砂，易造成预留河道淤积堵塞，不能满足每年在5～8月份涨水期200～500t运砂机舶通行要求；同时，在筑岛完成后进行基坑开挖时仍需进行深基坑支护。此方案需向外借大量土方进行填筑，且无法满足水务部门通航要求，在施工中难以执行。

方案二：钢套箱围堰施工。利用桩基础钢护筒作为桩基础施工平台，桩基施工完毕后拆除部分钻孔平台，利用剩余钻孔平台，在水上施工平台上搭设承台施工钢围堰的起吊架，再进行墩位处钢围堰拼装，下钢套箱围堰，下沉、清基、封底施工，钢围堰内抽水后进行承台施工，待承台、墩身、墩帽施工完毕后，拆除钢围堰。此方案为水中墩施工常规方案，大约需投入围堰模板及内支撑60t，施工工艺较成熟，但施工内容较多，施工周期太长，且钢围堰在墩身浇筑完后需进行水下切割，成本较大，经济效益不明显。

方案三：钢板桩围堰施工。利用桩基础钢护筒作为桩基础施工平台，桩基施工完毕后拆除钻机，将履带吊机开往施工平台，通过震动打桩锤将钢板桩插打在待施工的承台四周，形成钢板桩围堰。安装内支撑，抽水堵漏，清理至承台底标高，再进行承台施工，待承台、墩身施工完后，拆除承台、墩身模板，进行钢板桩拔除施工。此方案用钢板桩代替了围堰模板，施工内容较少，可看作水中深基坑施工；同时，钢板桩围堰插打时间很短，拔除费用不高，不需要进行水下切割施工，此方案优势明显，缺点是需作好水下堵漏工作。

经过技术经济比较,考虑施工工期紧张，决定采用矩形单层钢板桩围堰进行水中墩承台施工。

4 钢板桩围堰设计

根据岩土工程勘察报告及工程所在地场地特点，结合钢板桩的特性、施工方法等方面进行考虑，选用拉森Ⅳ型钢板桩。该型钢板桩宽度适中，抗弯性能好，依地质资料及作业条件选用钢板桩长度为15m，要求钢板桩入土深度达桩长0.5倍以上。钢板桩插打范围为承台的平面尺寸外加1.5m宽的施工预留空间，即：尺寸为16.4m×13.6m（如图1）。打桩设备为QUY70履带吊机1台、CM2-120型振动锤1台、液压拔桩机1台。

图1 钢板桩围堰示意图单位：cm

在设计时，首先按先抽水再挖土的干挖法设计，对选用钢板桩长度、基坑稳定性能进行验算。

4.1 坑底涌砂验算

围堰基坑处于含松散粗砂夹卵石，对基坑内抽水可能引起涌砂的危险。

用渗流理论对基坑进行涌砂验算（如图2），不产生涌砂的安全条件为：

式中：K—安全系数；

在施工中，水位为20.00m，钢板桩长度为15m，设计坑底标高为12.008m，河床地面标高为15.45m，钢板桩高出施工水位50cm,则：

图2 基坑涌砂验算示意图

板桩的有效深度t=6.508m；板桩打入土中的深度h1= 9.95m；开挖深度rs=2.719；h’=8.492m；空隙比e=0.82；r’= 1.10g/cm3

水力梯度i=h’/(h1+t)=0.516

K=r’/(i·rw)=1.10/(0.516·1)=2.13

4.2 坑底隆起验算

当围堰内抽水和基坑挖深时，由于围堰内基坑底面上水压与土压的不平横力，坑底软土可能受挤在坑底发生挤高隆起现象（如图3）。不滑动安全系数为：

图3 坑底隆起验算示意图

Ks=Nc·Su/(rH+q)

式中：q—围堰外土面以上的超荷载；即：q=50.5kN

Su—抗剪强度，即：Su=r（H-h）/2=32kN

Nc—承载力系数。

由于基坑挖深不深（H/B≤1），可取太沙基的承载力系数Nc=5.7。

则：Ks=5.7×32/(20×2.719+50.5)=1.74。

由以上验算发现本基坑在使用15m长钢板桩的情况下，对基坑不出现涌砂情况的安全系数为2.13≥2.0；不出现隆起的安全系数为1.74≥1.2。所以，本基坑选用抽水干挖法满足施工要求。

4.3 钢板桩围堰内支撑设计

在确保安全的前提下，基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合本基坑工程的特点，共设2层内支撑。导梁采用双拼I56b工字钢，支撑采用双拼I45b工字钢组成，下料长度按实际丈量长度在现场加工改制。

5 钢板桩围堰施工方法

5.1 钢板桩的整修

将钢板桩运到工地后，进行检查、分类、编号及登记。整修后钢板桩应符合下列技术要求：

每组钢板桩的宽度允许偏差为±30mm。

锁口内外应光洁、并呈一直线。

锁口在拼装处的高低偏差均不得大于2mm。

锁口拼接处应尽量紧密，间隙不得大于3mm。

锁口整修后应用同类型3m长的短钢板桩作试验，以2～3人拉动通过为宜，或以电动绞车牵动，最大牵引力不超过5kN；锁口通不过或桩身有弯曲、扭曲、死弯等缺陷，采用冷弯，热敲（温度不超过800～1000℃），焊补、铆补、割除、接长等方法加以整修；同时接头强度与其它断面相等，接长焊接时，用坚固夹具夹平，以免变形，在焊接时，先对焊，再焊接加固板，对新桩或接长桩、在桩端制作吊桩孔。

全长不得有焊瘤、钢板或其他突出物，应保持平滑，两端均应切割整齐，上端按拔桩需要开圆孔（千斤绳眼）并焊钢板加固圆孔；每组长度误差相对中间一块长度应在2mm以内。钢板桩的扭曲及弯曲应符合施工规范要求。

5.2 钢板桩的组拼

选择、整修钢板桩，将长度相同的每三块钢板桩套连成组，同时将黄油、沥青混合物嵌入锁口内；组桩及单桩的锁口内，涂以黄油混合物油膏（重量配合比为：黄油∶沥青∶干锯末∶干粘土=2∶2∶2∶1），以减少插打时的摩阻力，并加强防渗性能。

焊接钢板桩，检查钢板桩两边锁口用弧形夹箍将钢板桩夹成与内导环相符的弧度。

钢板桩组锁口缝用棉絮和桐油灰嵌缝，嵌缝方法用竹杆塞棉絮，外面再涂一道桐油灰或防水油膏。

5.3 测量定位及导向安装

为确保打入桩的精度，利用已有的桩基钢护筒施工平台进行导向设置。测量放出钢板桩插打的平面位置。

5.4 钢板桩的插打

插打钢板桩采用履带吊机+震动锤（CM2-120型）组合而成。钢板桩检查合格后，将钢板桩运至指定位置，然后用QUY70履带吊机的两个吊钩将其吊起和放下，使钢板桩成垂直状态，脱出小钩，移向安插位置，插入已就位的钢板桩锁口中。

起吊前，锁口内填嵌黄油沥青混合料。箍紧钢板桩用的弧形卡箍，在插入锁口时逐个拆除。

钢板桩逐块（组）插打到底或全围堰（矩形围堰可为一边），先插合拢后，再逐块（组）打入，矩形围堰一般先插上游边，在下游合拢。

图4 钢板打桩深度

在钢板桩的垂直度较好时，一次将桩打到要求深度；垂直度较差时，分两次施打，即先将所有的桩打入约一半深度后，再第二次打到要求深度(图4)。

在插桩过程中，应做到“插桩正直、分散偏差、有偏即纠、调整合拢”的要点。

5.5 插打钢板桩预防倾斜的措施

在插钢板桩前，除在锁口内涂以润滑油以减少锁口的磨阻力外，同时在未插套的锁口下端打入铁楔或硬木楔，防止沉入时泥砂堵塞锁口。

采用复式滑车组纠正钢板桩的倾斜。

5.6 钢板桩锁口漏水预防措施(抽水堵漏)

钢板桩插打完，即进行基坑抽水施工。因水位较高，须加设内支撑，先支撑再抽水，并检查各节点是否顶紧，防止因抽水而出现事故。抽水速度不能过快，且要随时观察钢板桩围堰的变化情况。当锁口不紧密漏水时，用棉絮等在内侧嵌塞，在桩脚漏水处，采用混凝土垫层等措施（如图5：基坑抽水堵漏）。

图5 基坑抽水堵漏

图6 基坑清理

钢板桩围堰内水抽干后，进行基坑开挖清理至承台底设计标高，进行承台墩身施工（如图6所示：桩头凿除及基坑清理）。

5.7 、拔桩

承台、墩身施工完后，拆除承台、墩身模板，进行钢板桩拔除施工。

钢板桩拔桩前，先将围堰内的支撑，从下到上陆续拆除，并陆续灌水至围堰外水位，使内外水压平衡，使板桩挤压力消失，并与部分混凝土脱离(指有水下混凝土封底部份)。再在下游选择一组或一块较易拔除的钢板桩，用拔桩机夹住钢板桩头部振动1min～2min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化”，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔（如图7所示：钢板桩拔桩施工）。

图7 钢板桩拔桩

6 结语

钢板桩插打完毕，基坑支撑与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行。并在抽水的同时施行适当的堵漏措施，基坑抽干水后，可清楚观察到围堰挡水止水效果：钢板桩围堰内仅留1台小水泵抽出剩余漏水即可；基坑内也没有出现渗漏、管涌等现象，本桥钢板桩围堰设计施工质量良好。

[1]凌冶平.基础工程[M].北京：人民交通出版社.

[2]殷万寿.水下地基与基础[M].北京：中国铁道出版社.

[3]J162-2002,铁路桥涵施工规范[S].

[4]TZ213-2005,客运专线铁路桥涵施工技术指南[S].

On Application of Steel Sheet Pile in Coffer-Dam Construction

With practical instances cited form the construction of the key piers in water of Sheshui Super Large Bridge,this writer of the paper provides a brief description of the steel sheet pile coffer-dam construction technology concerning the construction plan,construction method and process control.

steel sheet pile;coffer-dam;construction

U443.16+2

A

1671-9107（2011）10-0008-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.10.008

2011-06-28

邱国平(1964-)，男，大学本科，高级工程师。