钢板桩围堰在超厚砂卵石层桥梁深水基础施工中的运用

冉兵

【摘 要】本文以重庆市合川区涪江四桥11#交界墩水下基础施工为依托，从钢板桩围堰施工方案的比选、设计与施工三个方面，阐述了钢板桩围堰在超厚砂卵石层桥梁深水基础施工中的应用，为以后同类型工程深水基础施工提供借鉴。

【关键词】钢板桩围堰超厚砂卵石层深水施工

引言：

随着我国经济的高速发展，交通日益繁忙，在大江、大河等深水环境下建造大型桥梁已经成为常态。如何在深水中更快更好的进行桥梁基础施工，是摆在所有桥梁建设者面前的重大课题。钢板桩围堰施工方案与其它方案相比，具有工艺简单、施工期间临时占用水面较小、安全、施工风险易于控制等诸多优势，在深水基础施工中得到了广泛的应用。一般情况下，钢板桩围堰在砂类土、黏性土、碎石土等易于插打的软质土体上应用较多，在超厚砂卵石地质条件下应用较少。

1工程概况

重庆市合川区涪江四桥是连接合川区高校园区与小安溪生态产业园区的重要通道，全长756m，桥面宽33.5m，主桥为双幅式，单幅梁体宽度16.75m，主桥为84+160+84=328m连续刚构拱组合体系。主桥11#交界墩按基础整修，墩身分修，墩身采用圆端形实体墩。承台横向长27.85m，纵向宽6.0m、高3m，承台底标高+194.063m，施工时水位标高为+203.0m，水深8.937m，河床底标高+194.5m。承台部分位于河床中，承台下接群桩基础，桩基采用直径为1.5m的嵌岩桩，横向8排，纵向2排。主桥桥型布置图如图1。

涪江四桥位于涪江的合川城区段，20年一遇洪水位+205.16m，百年一遇的洪水位+220.75m。桥位下游为草街电站，因电站蓄水影响，桥位常年水位较稳定，其水位主要随电站蓄水情况变化，根据水文站近两年的水位统计，常年水位为+203.0m，现场实测流水速度为1.0m/s，洪水季一般在6-9月份。

11#交界墩位于涪江河谷上，地势较平缓，桥梁架空高度为36.67m～37.67m，纵向地形坡角5°，横向地形坡角0～4°，主要覆盖有第四系人工素填土和卵石，覆盖厚度为10.1～11.7m，卵石含量占50%～70%，最大粒径为16cm，呈亚圆形状，中风化，成份以灰岩、砂岩为主，充填物主要为粘性土，局部含细砂。下伏基岩主要为J2s砂岩、泥岩，强风化厚度约为2.3m～2.6m，强风化底界面随地形起伏而起伏。

2方案设计

涪江四桥主桥11#交界墩临近涪江北岸，施工空间受原堤防工程的水下连续挡墙及已施工完成的12#、13#主墩双壁钢围堰的影响，施工区域极为狭窄，大型施工设备进出困难。根据施工总体安排，11#交界墩的施工时间在主墩12#、13#水下基础基本完成之后开始，采用先在临时钢管桩平台上施工钻孔桩、再围水施工承台的先桩后承台方式。时值2014年3月，根据水文资料，6月涪江将进入汛期，工期仅3个月，异常紧张，如何选取安全、优质、快速的施工案显得尤其重要。

2.1施工方案比选

根据该桥位处的水深、水文、地质等相关情况以及工地现场的实际情况、施工组织设计的总体工期安排，结合我司技术装备水平和现有设备、人员情况，我们对双壁钢围堰、钢板桩围堰、钢管桩围堰三个施工方案从施工工期、安全风险、施工难度及施工成本四个方面进行了综合比选。

（1）施工工期比较。见表1。

（2）施工风险比较。见表2。

（3）施工操作性比较。见表3。

（4）施工成本比较。见表4.

通过以上对比分析，钢板桩围堰为首选方案。

2.2围堰设计

（1）钢板桩的规格

钢板桩的规格采用市场上常见的德国拉森IV型钢板桩，具体参数如表5。

（2）钢板桩围堰的具体设计

11#墩基础采用16根φ1.5m的钻孔桩基础，承台为矩形，平面尺寸27.85×6m，厚3m，承台顶高程+197.063m，墩位处河床为卵石层，清理后河床高程为+192.0m，基础施工采用先平台后围堰施工方案，承台施工采用拉森Ⅳ型钢板桩围堰，围堰设防水位+203.0m，设置两层圈梁，钢板桩围堰的平面尺寸为8.4×29.95m，施工人员安装模板操作空间顺桥向每侧预留1.2m，横桥向每侧预留1.05m。围堰内采取两层内支撑圈梁，圈梁材料选取现场主墩12#、13#围堰施工留下的既有材料HM588×300型钢和φ630×8钢管，材质均为Q235B。顶层圈梁及对撑采用HM588×300型钢，底层圈梁采用双肢HM588×300型钢，对撑采用φ630×8钢管，具体设计图见图2、图3。

2.3结构验算

钢板桩围堰结构验算主要包括：钢板桩的入土深度、钢板桩的强度和内支撑圈梁的强度否满足要求。

（1）计算主要参数

根据地质资料和相关经验，卵石土的容重γ=22.5kN/m3，浮容重γ浮=12.5kN/m3，γw=9.8kN/m3，内摩擦角φ=20°，Ka=0.49，Kp=2.04。拉森IV钢板桩为Q295bz钢板桩，允许应力[σ]=174Mpa，型钢为Q235B钢材，允许应力[σ]=170Mpa。

（2）钢板桩入土深度计算

墩位处河床为+192m，在封底混凝土施工时，钢板桩入土深度最为不利，此时，仅考虑顶层内支撑作用，顶层内支撑高程为+203.5，浇筑封底混凝土时，围堰内的封底混凝土产生侧压力，荷载简图如下：

则钢板桩入土为：

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

解得x=4.5m，实际钢板桩入土深度5.063m，满足要求。

（3）钢板桩强度验算

采用MIDAS建立模型，荷载考虑静水压力，根据实际情况，建立两个阶段的模型，阶段1：围堰内封底混凝土达到设计强度后，围堰内抽水完毕，承台准备施工，此时钢板桩与封底混凝土顶面铰接，顶、底层圈梁处水平约束。阶段2：承台施工完毕，回填承台与钢板桩间的空隙，在承台顶面与钢板桩之间设置抄垫混凝土圈梁，拆除底層内支撑，准备开始墩身施工，此时钢板桩与封底混凝土顶面铰接，抄垫的混凝土圈梁处水平约束，顶层圈梁处水平约束。计算结果如表6

由上表可知钢板桩满足要求。

（4）内支撑圈梁强度验算

根据实际施工的两个的阶段，建模计算得出每个阶段两层圈梁的最大反力统计如表7。

根据表7里的反力统计，通过Midas对两层圈梁建模，偏安全取底层圈梁荷载为230kN/m，顶层圈梁荷载为55kN/m，建模计算模型示意图如图5。

计算结果如表8所示：

经验算圈梁设计满足要求。

2.4钢板桩的试插打

在砂卵石地质中插打钢板桩较困难，可能因卵石粒径大或者卵石层板结导致无法插打至设计深度，在施工准备之前须对钢板桩进行专项的插打工艺试验，于2014年3月22日将两块长度为9m的拉森IV钢板桩焊接连接在一起，利用工地现有的50t浮吊和DZ-90型振动锤，在11#交界墩附近选取相同地质的地方进行插打，插打过程中钢板桩振幅较大为±2cm，无弯折、破损情况，以插打至基本无贯入度停止插打，钢板桩插打实际深度為5.6m，满足设计要求，实践证明此方案是可行的。

3方案实施

3.1施工工艺流程

施工准备 →钢板桩试插打→圈梁制作 →底层圈梁下放、定位→顶层圈梁安装定位→钢板桩插打→吸泥清基 →围堰封底 →抽水完成→支撑转换→拔出钢板桩。

3.2施工机械设备的选定

根据钢板桩插打深度产生的摩擦力要求，选择了DZ90型震动锤，用50t自航式全回转浮吊配合其施工，具体设备需求如表9.

3.3施工准备

（1）钢板桩的整理

钢板桩在拼组前对其进行检查、丈量、分类、编号，按设计尺寸计算出使用钢板桩的数量，以确保够用。对于桩身残缺、残迹、不整洁、锈皮、卷曲等都要做全面检查，并采取相应措施，以确保正常使用。

（2）预留吊、拔桩用孔

钢板桩在吊装运输时，应事先钻好孔，拔桩孔须焊接加劲板，以免拔桩时拉裂。

（3）锁扣涂油

钢板桩两侧锁口均在插打前用黄油或热的混合油膏（质量配合比为黄油：沥青：干锯末：干粘土=2：2：2：1）进行涂抹以减少插打过程中的摩阻力，并增加其防渗的性能。

（4）检查振动锤

振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在插打钢板桩之前派专业人员进行检查，确保线路畅通，功能正常。

3.4圈梁安装

底层、顶层圈梁均采用12#、13#主墩底托盘回收材料现场制作，先拼装底层圈梁和连接杆，安装底层圈梁之前，利用桩基施工时的钢护筒作为支撑，浮吊吊装底层圈梁和连接杆至设计高程，并将底层圈梁临时打稍在钢护筒上，然后再拼装顶层圈梁，安装牛腿，并将连接杆与顶层圈梁焊接成整体。

3.5钢板桩定位插打

钢板桩插打以圈梁作为导向梁，采用50t浮吊配合DZ-90型液压振动锤单片插打，遵守“插桩垂直，分散即纠，调整合拢”的原则。插打顺序从上游向下游，从一角向另一角插打，在下游合拢。在超厚砂卵石层地质条件下钢板桩的插打遇到以下问题，通过改进施工方法得以克服。

（1）砂卵石层中钢板桩难以插打到位，在插打过程中，遇到粒径较大卵石导致无法插打到位的时候，通过采用反复的提起再插打，扰动砂卵石，砂卵石受挤压位移，从而达到设计的入土深度。

（2）钢板桩插打垂直度偏差大，首片钢板桩插打应从两个相互垂直的方向同时控制，且应紧靠顶层圈梁边缘徐徐下降，待插入河床后，用“口”形型钢定位架限制钢板桩位移，插打就位后首片钢板桩与顶层圈梁固定牢靠，利用首片钢板桩做为导向，以确保后续钢板桩的垂直度。

（3）围堰合拢采取根据现场角落两临近板桩的距离和倾斜情况现场特制角桩，确保围堰顺利合拢。

3.6施工注意事项

（1）在插打钢板桩围堰前，在围堰上下游一定距离及两岸陆地设置测量观测点，用以控制围堰长、短边方向的钢板桩的施打定位。在插打过程中随时监控每块桩的斜度不超过2%，当偏斜过大不能用拉齐方法调正时，拔起重打。

（2）插打钢板桩时从第一块就要保持平整，严格控制垂直度，几块插好打稳后即与圈梁固定，然后继续插打。钢板桩起吊后须以人力扶持插入前一块的锁口内，动作要缓慢，防止损坏锁口，插入以后可稍松吊绳，使桩凭自重滑入，或用锤重下压，比较困难时，也可以用滑车组强迫插桩，待插入一定深度并站立稳定后，方可加以锤击。

（3）单桩逐根连续插打，桩顶高程不宜相差太大。

（4）钢板桩打桩前进方向的锁口下端用木栓塞住，防止泥砂进入锁口内，影响以后插打。凡带有接头的钢板桩应与无接头的桩错开使用，不得已时其接头水平位置至少应上下错开2m以上。

（5）保证钢板桩插打正直顺利合龙的措施是随时纠正歪斜，歪斜过甚不能用拉挤办法整直者要拔起重打，纠正无效时，应特制楔形桩合龙。

（6）当钢板桩难以下插时，应停下来分析原因，检查锁口是否变形，桩身是否变形，钢板桩有无障碍物等，不能一味蛮干，磨损钢板桩。

3.7围堰抽水及基坑排水

钢板桩插打完成后，按方案设计要求进行封底混凝土浇筑，待封底混凝土达到设计强度时，便可进行围堰内抽水。

抽水时，为保证钢板桩围堰底层圈梁的受力均匀，当抽水抽到底层圈梁时，须用小块型钢将圈梁与钢板桩之间的缝隙填满检查后继续抽水。从围堰内抽水时，若发现有渗漏，锁口没有密封好发生漏水时，可用板条、棉絮、麻线等在板内侧嵌塞，水较大时可在漏缝外侧水中抛投煤灰拌锯末，效果显著。

在浇注找平砼时表面设置2%的排水纵坡，在钢板桩围堰边设置排水沟和排水井，再用水泵抽出围堰外，以达到基坑排水的目的。围堰抽水过程中作好钢板桩围堰的变形监测，一旦发现围堰变形超过设计控制位移立即停止抽水，对围堰做相应加固处理措施后方可继续抽水。

3.8钢板桩拔出

承台浇筑完毕后，拔除钢板桩。拔桩起点从离开角桩第5根开始，从下游开始分两侧向上游挨次拔除。钢板桩拔桩前，先给围堰内回灌水至要拆除的内支撑的位置，拆除该层内支撑。之后继续回灌水，从下到上依次拆除内支撑。拆除最后一层内支撑后，使内外水压平衡，板桩挤压力消失。

拔桩时，尽量使板桩下部与混凝土脱离，然后再进行拔桩。先略锤击振动各拔高1～2m，然后挨次将所有钢板桩均拔高1～2m，使其松动后，再挨次拔除，对桩尖打卷及锁口变形的桩，可加大拔桩设备的能力，将相邻的桩一齐拔出。

4实施效果

在钢板桩围堰完成抽水后对围堰进行了质量验收，主要以围堰位置偏差、主要构件的受力变形及围堰的止水情况进行验收，具体数据如表10。

通过对涪江四桥11#交界墩钢板桩围堰施工，总结出以下几点经验：采用反复插打钢板桩可扰动砂卵石，能使钢板桩插打至设计深度，但普通钢板桩在插打过程中有6%的钢板桩尖端变形及产生缺口，采用钢板在钢板桩尖端焊接加强，可避免此类情况；圈梁内支撑先焊接拼装成整体下放后插打钢板桩的施工顺序比先插打钢板桩再抽水逐层安装围檩和内支撑的施工顺序能使围堰结构构件受力减小，缩短施工工期，降低施工风险；圈梁的水下定位采用施工桩基的钢护筒做为定位和支撑，操作便捷；顶层圈梁直接替代钢板桩插打的导向梁，可以省去导向梁的工序；采用支撑于承台上的砼圈梁与底层圈梁进行支撑体系转换，可试钢围堰设计更简单；沥青和锯末在水下1-6m深度范围内止水效果顯著，超过6m水深的位置采用锯末和沥青法堵漏效果差，采用潜水工安装止水条效果好。

5结束语

重庆市合川区涪江四桥主桥11#交界墩于2014年4月5日开始钢板桩围堰施工准备，4月20日钢板桩插打完成，4月24日封底混凝土成功浇筑。抽水后，钢板桩围堰的垂直度、平面位置均达到了设计要求，且无渗漏，完全达到了预期效果。图堰抽水后现场照片如图6。

11#交接墩于5月15日完成承台施工，5月22日完成4.5m墩身施工，提前完成了在汛期来临前出水的施工目标。

钢板桩围堰在涪江四桥11#交接墩超厚砂卵石层深水基础的施工中取得了很好的效果，该方案在实施过程中非常顺利，达到了安全、优质、快速、高效的目的。

参考文献：

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