浅谈复杂地质条件下钢板桩施工技术

强新伟 等

摘要：本文以国道110线乌海黄河特大桥正桥主桥主墩承台施工为例，对比了钢套箱围堰和钢板桩围堰的优缺点，介绍了在较硬的卵石层与板砂层地质条件下钢板桩围堰施工技术。

关键词：复杂 地质 钢板桩 施工技术

1 工程概况

1.1 工程概述

国道110线海勃湾至麻黄沟公路乌海黄河特大桥工程正桥主桥主墩为1#墩（乌达区侧）、2#墩（海渤湾侧），承台尺寸为34m×17.2m×5.5m（长×宽×高）；单个承台C40混凝土共计5810m3，封底混凝土采用C25，厚度为2.5m，方量为1943m3。1#墩采用筑岛，标高为1073m，开挖深度为12m，2#墩，搭设钢平台，标高为1076m，开挖深度为15m。

1.2 地质情况

根据地质勘查报告，土层分布特征如下表：

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在承台开挖过程中，实际地质条件与勘探图纸上基本一致，局部存在有孤石。地层主要以粉质粘土、粉土、粉细砂、卵石土组合，卵石层密度达到90%，直径为4cm～20cm，局部有孤石，最大重型动探击数N63.5（击/10cm）最大达到166，标准值为52.6；粉细砂层饱和、密实，标惯击数N（击/30cm），最大达到300，标准值为45.9。

2 承台围堰方案比选

2.1 钢板桩围堰

钢板桩围堰采用拉森Ⅴ型钢板桩，单根长度为24m，钢围囹采用4拼Ⅰ56b型钢，内支撑采用φ630×10mm钢管桩，共布设三道；钢板桩采用震动锤进行插打。钢板桩在插打前，先采用旋挖钻按照钢板桩位置间隔1m钻孔，在钢板桩插打时采用高压水枪配合施工。

2.1.1 钢板桩围堰优点

①钢板桩拆除较为方便，可满足水保、环保要求；

②钢板桩运输费用可控；

③钢板桩施工经济；

④钢板桩通用性较强，可多次周转。

2.1.2 钢板桩围堰缺点

①由于该桥址处地质条件复杂，钢板桩在插打时需穿过两层卵石土，钢板桩插打是否能够插打足够深度为主要风险；

②由于钢板桩较长，在现场连接不垂直时，会导致在相邻钢板桩插打时出现带桩现象；

③钢板桩相对双壁钢围堰封闭性较差；

④采用钢板桩施工，增加封底混凝土数量；在临时支墩拆除时必须进行水下切割；增加承台模板数量。

2.2 双壁钢套箱围堰

双壁钢围堰壁厚为1.5m，面板采用δ=8mm钢板，背肋采用等肢角铁∠75×5mm型钢。双壁钢围堰加工总高为21m，分为7节加工，标准节高3m，横向肋加强节高4m，刃脚节高2m，双壁钢围堰直线段模型按照6.5m长加工，圆弧分为两块加工。钢围堰在下沉时，先在钢围堰内侧间隔2m插打φ63×1cm钢管桩作为抗剪桩，管桩内填筑砂砾。

2.2.1 双壁钢套箱围堰优点

①采用双壁钢围堰施工，可节约承台模板及封底混凝土；

②双壁钢围堰可在临时支墩拆除完毕后，进行拆除，可减少临时支墩水下拆除费用；

③双壁钢围堰整体密封性好；

④根据现场实际情况，可根据下游乌海市海勃湾水利枢纽工程蓄水情况，随时进行接高；

⑤双壁钢围堰整体稳定性较好。

2.2.2 双壁钢套箱围堰缺点

①受业主资金影响，资金压力大，不能提前加工；

②根据施工计划安排，在今年11月中旬至1月下旬进行双壁钢围堰施工，由于当地正处于风季，全年温度最低时，现场焊接无法确保质量；

③由于钢套箱面积大，外侧土层摩擦力大，并且存在遇见孤石，下沉过程中会出现无法下沉现象；

④根据市场调查，附近没有大型结构加工场，钢套箱加工困难，如果远距离运输，该段没有水运条件，只能采用陆地运输，陆地运输交通管制及安全因素不确定；

⑤钢套箱拆除存在水保、环保问题，由于承台以下套箱内填有混凝土，无法进行拆除。

2.3 结论

经过上述对比，双壁钢围堰在施工中下沉困难较大，存在隐患较大，最终项目部根据方案可行性决定采用钢板桩围堰进行承台施工。

3 钢板桩围堰施工

采用钢板桩围堰进行施工，主要解决钢板桩插打问题，针对主墩底层实际情况，在进行钢板桩插打前，研究决定采用改变源地质方案进行施工，即先采用280型旋挖钻根据钢板桩尺寸进行引孔，然后回填黄土，钢板桩插打采用DZ150型振动锤，并且配合高压射水进行钢板桩插打。

钢板桩围堰平面尺寸为37.2m×20.4m，考虑汛期墩身施工，结构受力检算按最高水位按1073m控制，钢板桩入土深度按钢板桩围堰在板桩插打至封底混凝土完成期间施工水位1071m计算。拟采用SKSP-SX27型21m长钢板桩，共投入21m普桩188片，角桩4片。围堰内设三道内支撑及一道临时支撑，第一道内支撑边梁为双拼I56a卧置，斜撑采用双拼I56a，直撑采用Φ630×10mm螺旋管；第二道内支撑边梁为四拼I56a卧置，直撑采用Φ630×10mm，斜撑采用三拼I56a；第三道内支撑边梁为四拼I56a卧置，直撑采用Φ630×10mm，斜撑采用三拼I56a；第四道内临时支撑边梁为四拼I56a卧置，直撑采用Φ630×10mm，斜撑采用三拼I56a。钢板桩布置图见图1。

3.1 钢板桩围堰施工工艺及流程

钢板桩围堰施工工艺流程：插打定位管桩→布设围堰导向框架→逐片插打钢板桩→边抽水边堵漏→逐层安装内支撑→承台施工→墩身施工→拆除钢板桩围堰。

3.2 钢板桩围堰施工工艺及流程

水中打插钢板桩围堰是利用履带吊，振动打桩锤来进行的。首先在平台四周预留出履带吊作业位置。将承台内管柱拔除以后，插打定位钢管桩，安装导向框，按设计要求测量出钢板桩单桩的位置，履带吊位于平台上，吊起一单桩插入导向框内，然后吊挂振动打桩锤夹住钢板桩腹板，振动插打到设计标高，依次插打完整个围堰。

3.2.1 施工准备

钢板桩运到现场后，均应详加检查、丈量、分类、编号，特别要检查锁口并清理干净，在锁口处涂以黄油膏，以减少插打时的摩阻力，并加强防渗性能。

3.2.2 插打定位桩、布置导向框架

在测量监控下，在钢板桩围堰四角各精确打入一根Φ630mm钢管桩作定位桩，再在钢管桩上设置牛腿，布设围堰导向框。

3.2.3 钢板桩插打

插打钢板桩前，在导向框架上精确标出每一片钢板桩的位置，在某一边中间一片钢板桩位置两侧焊角钢作小导向，确保钢板桩不左右移位，在仪器监控下慢慢打入。中间一片钢板桩是两侧钢板桩的依托，必须确保钢板桩垂直，然后在两侧对称打入若干片钢板桩，待打入的钢板数量足够多，有足够的稳定性时，即可从一边连续打入钢板桩。钢板桩吊起后，需以人力扶持插入前一块钢板桩的锁口内，动作要缓慢、防止损坏锁口、插入以后稍松吊绳，使桩凭自重滑入或用锤重下压。比较困难时，也可用滑车组强迫插桩，拉力不宜过大。待插入一定深度，站立稳定后，方可加以锤击。

在插打过程中，由于钢板桩锁口和锁口之间缝隙较大，而钢板桩下端有土挤压，上端是自由的，总会使钢板桩产生向远离第一根钢板桩的方向倾斜，因此，每打4-5根钢板桩就要用靠尺测量垂直度，将钢板桩的倾斜度控制在1%以内，否则就用倒链纠偏，一次性纠偏不能太多，以免引起锁口间别住，影响下一片钢板桩的插打，当钢板桩偏移太多时，只能采用多次纠偏的方法逐步减小偏移量，若因土质太硬倒链拉不动时，可采用走四滑轮组纠偏。

3.2.4 钢板桩围堰合拢

为了便于钢板桩围堰合拢，合拢处的两片桩应一高一低，合拢时往往出现“上小下大”（下端有土挤压，上端是自由的）的情况，此时可用两个走四滑车组向两边拉开，直到合拢桩两边桩顶的距离等于钢板桩宽度为止，在接近平行时，再将合拢桩插入，打到设计标高。

3.3 内支撑施工

3.3.1 内支撑施工流程

内支撑安装施工工艺流程：开挖第一层，厚度为2.5m→割除有妨碍的护筒→安装第一道围囹及支撑→开挖第二层，厚度为2.5m→割除所有的护筒→安装第二道围囹及支撑→开挖第三层，厚度为2.5m→割除所有的护筒→安装第三道围囹及支撑→回灌水至内外水面差为0m→水下开挖至封底底标高→水下封底→养护、抽水。

3.3.2 内支撑安装施工

内支撑首先在后场按照图纸的具体尺寸下料、加工，待围堰合拢后倒运至现场进行安装。

①施工准备。内支撑材料到场后，根据材料的具体情况，合理搭配（因为有旧料，并且长度不等），按照图纸的要求接长成设计尺寸，加工时要考虑到后期的吊重、运输、安装的各方面情况来确定大长杆件的预拼。

②工字钢对接接头每根不得超过1个，且对接头相互错开不得小于3m。对接头两侧要先满焊，再焊接连接板。

③内支撑的安装存在杆件长且重量大情况，所以长边围囹拟在中间断开即分成两节18.6m的，4片拼成一组，每组重7.8t。短边围囹长20.4m，4拼的I56工字钢一组重8.7t，这样满足倒运及吊装。

④长边围囹对接处恰好在正中间，有支撑管桩顶住，但是建议此处进行加固。每边加一个小八子，增加此处的强度和稳定性。

⑤内支撑的安装有些护筒有妨碍，需要开挖后及时割除。由于割护筒的任务非中铁一局集团桥梁工程有限公司的施工内容，望造作协调，合理安排，以免影响工期。护筒割除后吊装时要有专人指挥，防止撞击到已经安装的支撑上。

3.4 开挖及吸泥

围堰内明挖土方主要以挖掘机开挖为主。挖掘机臂长22米，挖掘机不能直接开挖到的地方采用人工高压射水，由排污泵把水及土石吸走。开挖时每层开挖深度要按设计要求开挖，禁止超挖。第一道支撑安装好后，挖掘机作业时要专人指挥防止碰撞支撑。在第三道支撑安装好后回灌水，采用大功率的空压机水下开挖，开挖时要经常测量，测量点要均匀分散，每个测点要按要求开挖到设计标高防止挖不到位或超挖。要求钢板桩内槽必须清理干净，现场负责人员要监督到位，保证每片钢板桩内槽都清理干净。

3.5 水下封底

3.5.1 水下封底导管布置图（如图2）

3.5.2 水下封底施工工艺

水下开挖至封底底标高后，由技术人员认真核实。确保标高到位以及钢板桩槽内的土石清理干净，以保证封底混凝土的质量。

3.5.3 封底混凝土技术要求

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，正常灌注和接近结束时采用20-22cm。

②为保证封底混凝土和钢护筒、钢板桩的有效粘结，钢板桩围堰封底混凝土中掺加微膨胀剂。

③钢板桩围堰封底混凝土方量大，施工时间长，封底混凝土中需掺加缓凝剂，以保证混凝土的和易性和正常灌注。

④封底混凝土施工采用单层灌注方法。按照2套灌注设备布置，每套设备灌注速度以30m3/h计算，灌注封底混凝土（约1656.23m3）需28小时，封底混凝土的终凝时间宜为24-30小时。

3.5.4 混凝土性能匹配

①封底混凝土方量大，为保证封底混凝土质量，混凝土采用同一设计配合比。混凝土拌制时根据原材料含水率由中心试验室人员进行适当调整。

②混凝土所需水泥、减水剂、外加剂、微膨胀剂、粉煤灰采用同一厂家、同一批次产品，以保证混凝土性能的一致。

③封底混凝土所需原材料检测统一由中心试验室进行，以确保所需材料质量。水泥的试验性能均应符合规范要求，选用中砂和1-3 厘米的连续级配石子，通过试验选择比设计标号高10-15%的配合比。

④砼拌和物应保证其良好的流动性和无离析现象。砼拌和时要经常测定坍落度，并依据材料的含水情况随时调整用水量，以保证拌和物的拌和质量。

3.6 钢板桩围堰的拆除

等墩身施工完成后，向围堰内注水，使内部水面位于最底层支撑以下，然后割除该层内支撑，以此循环，依次拆除完所有内支撑，然后用履带吊配合振动锤将钢板桩逐片拔出，依次全部拔除。

3.7 钢板桩施工注意事项

①在钢板桩安置吊点时，如起重机高度不够，可用钢丝绳在钢板桩1/3以上处捆扎，捆扎处应有夹板，并垫有木块、胶皮以防滑移及受力后吊点处锁口变形。

②在钢板桩下端系揽风绳二根，履带吊起吊钢板桩接近垂直状态时，利用揽风绳控制正反方向。

③钢板桩就位下插，第一片钢板桩沿活动导向下插是整个围堰的基准，要反复测量检查，使其方向垂直，位置准确，必要时可加辅助设施，控制桩在导向内的左右位置。

④钢板桩围堰合拢措施保证。钢板桩围堰在施工中应选择河床较低处为合拢面，插打至合拢面时，应精确丈量尺寸，考虑到钢板桩锁口的间隙和钢板桩本身的性能，合拢面尺寸应大于理论尺寸15-20cm为宜，避免合拢口尺寸过小的出现：同时与合拢口相邻的10-15片（组）钢板桩采取先插至桩的稳定标高，主要是有利于钢板桩的调整，并且合拢口两侧钢板桩具有高差，便于插桩，待合拢后，再将桩打至设计标高。合拢口解决措施如下：

a钢板状合拢口尺寸上下都大时：当尺寸上大下小时，在合拢口两侧钢板桩上下平行吊耳，位置根据尺寸大小的差值而定，利用倒链或转向滑轮进行对位，直至符合要求合拢为止。其优点是：钢板桩对向平行受拉能保证桩的两侧锁口在同一平面内，通过对拉，使两侧钢板桩连接有利于稳定，便于插桩合拢。当尺寸下大上小时，钢板桩上设置的吊耳，应尽量向桩的下部安置，必要时可安放在水下对位，直至合拢。

b钢板桩合拢口尺寸上下都小时：此时应将合拢口的位置设置在合拢面一侧的角桩附近。用千斤顶在钢板桩顶端顶推和设置吊耳，将合拢口向两侧张拉，调整上下尺寸，但要采取保证两侧钢板桩锁口在同一平面内，一般是在桩内外安置活动导向，迫使钢板桩在导梁平面内移动。拔出的板桩应及时清除土砂，涂以油脂。变形较大的板桩需调直。完整的板桩要及时运出工地，堆置在平整的场地上。

4 结束语

国道110线乌海黄河特大桥桥梁与互通工程正桥主桥主墩承台已施工完毕，目前采用此工艺确保了钢板桩顺利插打，并确保了承台的顺利施工，取得了良好的效果，可为同类工程参考借鉴。

参考文献：

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[3]汤彩金.钢板桩施工工艺与工程实践探讨[J].建材与装饰（下旬刊），2008（02）.