谈高压射水辅助插打钢板桩施工技术

王建亮

1 工程概况

大西铁路客运专线七标段洪洞跨汾河特大桥，全长19.82 km，其中，跨汾河河槽为(40+64+64+40)m悬臂现浇连续箱梁。连续梁在335号～337号之间上跨汾河主河槽，中心里程为DK488+533.9，全长209.7m。其中336号承台位于汾河主河槽中心。承台底面标高为440.259m，原地面标高为449.659m，基坑开挖深度达到9.4m，地下水位为 448.659m。承台尺寸为 18.6m ×18.6m×4.0m，承台采用C40混凝土。本桥墩所处地质0m～20m的板结粗圆砾层，摩擦阻力为650 kPa。综上所述采用有挡有水基坑开挖。

2 有挡有水支护方式的选择

通常承台开挖的支护方式有拉森钢板桩围堰、沉井围堰、钻孔灌注桩围堰、地下连续墙等，以下对其优缺点进行对比。

2.1 拉森钢板桩

优点:钢板桩是工厂成品，强度、品质、接缝精度等质量有保证，可靠性高，而且具有较好的耐久性，可重复周转使用。施工方便、工期短等特点也使其在具体工程中得以广泛应用。缺点:钢板桩接头防水效果较差，而且钢板桩刚度比地下连续墙小，易引起开挖后挠度变形较大。钢板桩打拔桩振动噪声大，容易引起土体移动，导致周围地基较大沉陷。

2.2 沉井围堰

优点:整体性较好、刚度和强度大、不需设置内支撑、止水效果好。缺点:预制过程中，场地需求大，吊装倒运工作量大，下沉过程中位置及垂直度控制困难，施工工期较长，回收困难。

2.3 钻孔灌注桩

优点:钻孔灌注桩施工噪声和振动小，刚度较大，就地浇筑施工，对周围环境影响较小。缺点:适合软弱地层使用，但不适宜在砂砾层和卵石中使用，不可兼作主体结构，桩质量取决于施工工艺和施工技术水平，施工时需要作排污处理，且不能止水。

2.4 地下连续墙

优点:地下连续墙施工噪声低、振动小。就地浇制、墙接头止水效果好，整体刚度大，对周围环境影响小。缺点:适合软弱地层和建筑设施密集城市市区的深基坑。但是，地下连续墙泥浆处理、水下钢筋混凝土浇制的施工工艺较复杂、造价较高，没有较高的施工技术和管理水平难以保质保量完成地下连续墙。

2.5 方案比对选择

我们经过对以上几种承台基坑开挖支护方案优缺点比对，考虑施工工艺、地质条件、经济效益等各方面的情况，决定采用拉森钢板桩围堰的承台基坑开挖施工工艺。由于该桥址地质为粗圆砾土板结层，经多次试验，普通施工工艺插打钢板桩非常困难，进尺也较慢，且对插打设备、钢板桩等损伤较大，采用普通插打钢板桩施工工艺很难实现。经研究分析，我们采用高压射水辅助插打钢板桩能够有效解决以上问题。

3 施工方案简述

3.1 施工准备阶段

1)材料准备:拉森钢板桩、内径为15mm，壁厚为0.5mm普通钢管、与钢管相匹配的螺纹套筒、充足的水源、C20混凝土30m3等。2)机械设备准备:50t履带吊、90 kW振动锤、高压水泵、电焊机、300 kW发电机、抽水泵8台、挖掘机2台，其中长臂挖机1台、混凝土运输车1台、自卸式运土车4台等。3)现场准备:进场后对粗圆砾板结层钢板桩防护制定相应的施工方案，并做好适用钢板桩施工的“三通一平”现场准备工作。4)插打工字钢与基坑开挖之前做好施工测量工作，测量班测量放样出插打工字钢的位置，并做好标志，核对无误后施工。5)根据图纸提供的地质及工程主体钻孔灌注桩施工现场渣样情况，制定基础开挖和支护方案。6)机具进场，调试运行，检查机械的各种性能指标，确保处于良好状态。7)钢板桩选用桩长12m、宽度0.75m的Ⅳ新型钢板桩，其主要技术参数为:Ⅰ=39 600cm4/m，W=2 200cm3/m，Q=105 kg/m。8)钢板桩进场后，进行检查、分类、编号及登记。整修后板桩符合下列技术要求:每组钢板桩的宽度允许偏差为±30mm;锁口内外光洁，并呈一直线;锁口在拼装处的高低偏差均不大于2mm;锁口拼接处尽量紧密，间隙不大于3mm;全长不得有焊瘤、钢板或其他突出物，保持平滑，两端均切割整齐，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在2mm以内;钢板桩的扭曲及弯曲符合施工技术要求。

3.2 钢板桩施工工艺

3.2.1 钢板桩施工工艺流程

施工准备→施工放样及插打定位桩→插打钢板桩→开挖基坑→钢板桩内支撑安装→钢围堰封底、抽水→堵漏→承台施工。

3.2.2 施工放样及插打定位桩

插打定位钢板桩之前，现场技术人员通知测量班对336号承台按照设计轮廓线大小向外扩0.5m进行放样，即钢板桩插打范围为19.6m×19.6m。放样结束后，在应该插打工字钢的位置处，用白灰撒线做好标记。待设备就位后，插打定位桩。

3.2.3 高压射水辅助插打钢板桩

1)高压射水系统制作。a.高压水枪头制作，采用内径为15mm，壁厚为0.5mm的普通无缝钢管，每根钢管的长度根据钢板桩的长度确定为12m。材料准备好后，将钢管的出水端加工成扁椭圆形，椭圆宽度控制在2mm，进水端加工成螺纹套筒。b.高压水枪头制作完，将其焊接到钢板桩中央，焊接要牢固，并确保防止钢管被焊漏。制作完成的高压射水钢板桩整齐摆放在施工现场。经技术人员验收通过以备使用，如图1所示。c.高压射水钢板桩与高压水泵相连。采用连接套筒将焊接好的高压射水钢板桩与高压水泵相连，如图2所示。d.高压射水辅助插打钢板桩。插打钢板桩时，启动90 kW振动锤往下振动，同时启动高压水枪射水。通过此施工工艺，能够有效缩短施工周期。为了减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏，在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏。

图1 高压射水钢板桩（单位：mm）

图2 高压射水钢板桩与高压水泵连接图

2)高压射水辅助插打钢板桩原理。笔者认为高压射水辅助插打钢板桩原理主要有以下两点:a.高压射水可以冲散板结在粗圆砾土之间的粘土，给钢板桩入土提供更大的空间。b.高压射水射出的水可以在钢板桩与粗圆砾土之间形成润滑作用，从而有效地减小摩擦阻力。

原理可概括为采用高压射水可以加快钢板桩周围土的液化，大大减少钢板桩入土进尺过程中的阻力，起到润滑剂的作用，从而使得钢板桩在板结粗圆砾土地层顺利插打进尺成为现实。

3.2.4 基坑开挖

首先采用普通挖掘机对基坑开挖范围进行开挖，基坑开挖至地面标高-2.0m时，安装第一道钢围檩，内支撑由HW400×400×15×15型钢圈梁及φ630×12的钢管支撑组成，安装高程为-1.5m(假设地面高程为0)。然后，采用长臂挖掘机继续进行开挖至-5.5m，安装第二道钢围檩。第二道钢围檩安装完毕之后，继续开挖至承台底面往下50cm，即开挖基坑高程为-10m(假设地面高程为0)。最后，采用C30混凝土进行封底，封底混凝土厚度可以根据钢板桩围堰内外水头差计算而得。本工程封底混凝土厚度为60cm。

3.2.5 钢板桩内支撑安装

我们通过计算可知本工程设置两道围檩即可满足钢板桩的稳定性要求，设置围檩的同时在四个转角部位加设斜八字支撑，围檩采用HW400×400×15×15型钢，斜支撑采用φ630×12钢管。围檩安装高程分别为-1.5m，5.0m。围檩安装固定，首先在安装位置下方焊接承受围檩自重的短型钢牛腿托架，然后将围檩与钢板桩紧靠焊接固定，牛腿设置间距为5.0m。需要强调的是，对于部分拉森钢板桩侧面与围檩之间存在的空隙，必须用不同厚度的钢楔子和钢板将空隙塞紧并焊接牢固，防止松动掉落。

3.2.6 钢板桩围堰封底、抽水

钢板桩封底混凝土为承台施工平台，封底混凝土浇筑并达到一定强度后，抽干水后进行承台施工。封底混凝土采用C30早强混凝土。

以上工序结束后，进行承台施工。

4 经济效益和社会效益分析

高压射水辅助插打钢板桩首先保证机械设备的安全，采用普通施工工艺插打钢板桩90 kW振动锤很容易损害，但是采用新的施工工艺对机械设备损伤很小，仅此一项将节约资金10万有余。其次，保证施工进尺速度，采用普通施工工艺一天仅能插打两根，甚至两根都完成不了，但是采用新工艺30min插打一根钢板桩，因此将节约工期30 d左右，工人工资按照80元计算，将节约人工工资2.4万元，柴油消耗按照每天82 L/h×12 h=984 L，柴油将节约资金984 L/d×6.3元/L×30 d=18.6万。最后，保证施工工期，仅施工工期一项价值无法估量，尤其是对于处于控制性工期的施工工点。

综上所述采用高压射水辅助插打钢板桩将节约10+2.4+18.6-2(普通钢板材料费)=29万元。

高压射水辅助插打钢板桩施工技术具有施工技术简单，易于施工人员掌握、提高施工效率、有效缩短施工周期等特点，是一种经济合理的施工方法，而且其适用于板结粗圆砾土插打钢板桩施工。在板结粗圆砾土插打钢板桩施工，钢板桩进尺困难、对机械设备损害大的条件下，采用高压射水辅助插打钢板桩施工，优质高效的完成了施工任务。

5 结语

大西铁路客运专线洪洞跨汾河特大桥跨汾河主河槽连续梁336号承台基坑开挖采用拉森钢板桩有水有挡支护方式进行基坑支护，并成功运用了高压射水辅助插打钢板桩的施工工艺。节约了施工成本，缩短了施工周期，提高了现场施工管理水平，为今后类似基坑开挖施工积累了宝贵的施工经验。