浅滩河槽中桥梁基础筑岛钢板桩围堰施工技术应用

罗溪溪

（中交一公局第七工程有限公司，河南 郑州 451450）

0 引言

桥梁基础多数位于水中或深切峡谷中，水中基础作业均需在干施工环境下进行，通常采用围堰的方式进行施工，如筑岛土石围堰、钢板桩围堰、钢结构围堰等工艺最为常用。筑岛围堰具有施工快、经济环保等特点，钢板桩围堰施工方法具有强度高、施工方便、止水效果好等特点[1-2]。本文依托工程实例，结合项目所处环境，将常规围堰工艺进行组合，并对组合工艺的应用情况进行分析。

1 工程概况

古宋河大桥中心桩号为K6+771.5，桥梁上部结构采用20m预应力混凝土简支箱梁，全桥跨径组成为4×20m+4×20m，分两联。桥梁下部采用柱式墩、柱式台，钻孔灌注桩基础，桩基础均按摩擦桩设计。桥墩墩柱直径为120cm，桩基直径为150cm。桥梁全长166.04m，桥宽2×17.5m。

桥址处于豫东黄河冲洪积平原区地带，地貌相对简单。地层结构基本为“上细下粗的两元结构”，均为第四系全新统黄河冲积层。上部地层工程性质一般，下部地层工程性质较好，场地工程地质条件中等。场区地下水为浅层潜水，水位埋深一般在3～6m之间，水量较丰富，属中等富水区。

路线在K6+771.5处跨越古宋河，与河道夹角120°，沿路线方向河口宽度达150m，最大水深约4.5m，拟建8～20.0m的预应力混凝土箱梁桥，下部结构采用柱式墩、钻孔灌注桩基础。桥位钻孔在钻探深度范围内，自上而下可划分为9个工程地质单元层，依次为粉土、粉质黏土、细砂、粉土、黏土、粉土、黏土、粉质黏土和黏土层。

为了快速进行桥梁基础施工，结合道路施工弃土特点，充分利用现有资源，项目决定采用筑岛土围堰和钢板桩围堰相结合的方式进行桥梁墩柱等下部结构施工。

2 筑岛与围堰设计

2.1 筑岛设计

设计筑岛顶宽48m，边坡1∶1，筑岛顶面高出实测水面标高1m，按5m水深、岛高6m设计。筑岛采用中间高两侧低的设计，利用筑岛平台两侧水沟用于排出下雨汇集在筑岛平台上的积水，筑岛断面见图1。

图1 古宋河桥筑岛断面图

古宋河桥在小桩号侧开挖4m宽沟渠进行导流，地面高程比实测水面高程低3.4m。古宋河5年一遇非汛期设计流量为7.08m3/s，水流力PWF为133.77kN/m，水流力对岛产生的倾覆力矩MWF为490.49kN/m。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）、《碾压式土石坝设计规范》（DLT 5395—2007）等规范，对围堰土堤边坡稳定性进行计算，参数计算结果见表1，计算断面如图2所示。

表1 围堰土堤计算参数（第二列和第三列之间家两道竖线隔开）

图2 围堰土堤计算断面

（1）围堰土堤抗倾覆稳定性验算

抗倾覆稳定性验算按照式（1）计算：

式（1）中：k0为抗倾覆系数，安全允许值为1.3；W为施工荷载（kN）；b为作用宽度（m）；Ex和Ey为y方向的作用合力（kN）；h为土堤的高度（m）。

根据表1计算得：k0=283.14＞1.30，满足要求。

（2）围堰土堤抗整体滑动稳定验算

整体抗滑稳定性验算按式（2）计算：

式（2）中：kc为抗滑系数，安全允许值为1.3；μ为取值系数；Pi为沿滑动面的抗滑力（kN）；Ti为沿滑动面的下滑力（kN）。

根据表1计算得：kc=6.15＞1.30，满足要求。

（3）围堰坝基渗流计算

围堰坝基渗流计算参式（3）计算：

式（3）中：q为每秒渗水量，安全允许值为0.6；k为透水层的渗透系数；hw2为水头高度（m）；h0为坝基渗透土层高度（m）；L1为坝基底部宽度（m）。

根据表1计算得：q=0.025m3/s＜S=0.6m3/s，满足要求。

2.2 钢板桩围堰设计

筑岛完成后，采用钢板桩围堰进行施工。古宋河桥为左右分离式，每个墩3根桩，采取左右幅一排6根桩一起进行支护。古宋河水位标高45.105（汛期水位46.5），其中最不利位置为7#墩，按照该墩位结构进行钢板桩围堰设计计算。古宋河桥钢板桩围堰的平面尺寸为3.5m×35.5m。围堰采用9m拉森IV钢板桩，围檩为350×350×12×19（mm）H型钢，横撑为φ377×7mm钢管。参照《钢结构设计规范》（GBJ 50017—2003）、《水运工程钢结构设计规范》（JT S152—2012）、《基坑工程手册》等规范，对钢板桩、围檩和横撑等结构进行验算，结果见表2，均满足要求。

表2 钢板桩围堰计算结果

3 筑岛与围堰施工

3.1 筑岛施工

筑岛施工的关键工序是沟渠导流和筑岛。

3.1.1 导流渠

导流沟渠进出水口设置在上下游筑岛平台两侧。在导流沟渠两头靠近河岸处设置导流阀。导流阀设计为预留3～4m导流沟渠段不进行开挖，预留的原状土体作为导流阀，最后挖除实现导流。导流沟渠由中间向两头开挖，开挖土方可用于围堰填筑施工。中间段导流沟渠开挖完成后，对沟底和边坡进行修整夯实，需过便道位置，培土埋设直径1.5m混凝土管涵。过导流沟渠涵管便道修筑完成后，将导流阀挖除，实施导流，即先挖除下游导流阀，再挖除上游导流阀[3]。

3.1.2 筑岛施工

筑岛平台在开挖导流沟渠时可利用开挖沟渠土方填筑至半幅，在导流沟渠导流实施后，可填筑至全幅宽截流。筑岛平台采取进占方式进行填筑，填筑顶面高程控制高于水面1m，坡度按1:1控制。在平台两侧随填随打设一排木桩，木桩间距为0.5m，在河道水深处无法打设木桩时，采用填筑砖渣和沙袋装土的方式填筑，砖渣及沙袋填筑宽度为6m。在筑岛平台修筑完成后，在便道下方打设2排间距为0.5m的松木桩，作为便道加固以便重型车辆通行。

3.2 钢板桩围堰施工

钢板桩作为基础施工干环境转换的支护结构，其关键施工工序为钢板桩插打、围檩及支撑安装、开挖和钢板桩拆除等。

3.2.1 钢板桩插打

对每排桩基中心点进行放样。对桩基中心点拉线形成轴线，再平行轴线两侧各偏离1.75m进行拉线撒白灰标出钢板桩插打位置线，再两端垂直轴线，从最外侧桩基建筑边线偏离出去1.18m标出两端钢板桩插打位置线。通过放样撒白灰线标示出钢板桩插打轮廓线。采用钢板桩打拔机械手施打，采用20工字钢焊接导向圈进行辅助钢板桩插打，确保线形顺直，在钢板桩围堰4个角使用角桩，从一端沿合龙方向施打，确保围堰尺寸与钢板桩模数相匹配以及转角位置的密封性。钢板桩采用屏风式插打方法。

3.2.2 围檩及横撑安装

基坑浅挖完成后，进行围檩及横撑安装。围檩安装高度为从钢板桩顶往下50cm，在钢板桩内壁上焊接托架。在三角形钢板托架与钢板桩贴合面处，钢板两侧与钢板桩接触位置进行满焊，然后将围檩放置于托架上，采用钢管进行横向支撑。在横撑端头顶部焊接2根20钢筋担于围檩之间，2根钢筋水平间距控制为14cm，正好保证钢管与围檩形心对中，确保钢管横撑安装与围檩相垂直。

3.2.3 开挖至设计深度

采用长臂挖机进行基坑土方开挖，每间隔5m在围堰顶进行高程量测，根据需开挖至接桩低标高计算开挖深度。在围檩及横撑上可贴设反光贴标识，以防机械臂碰撞。开挖靠近钢板桩土体时，不要碰撞钢板桩。开挖出的土体堆放在离基坑边缘3m以外，堆放高度不得高于3m。

3.2.4 钢板桩围堰拆除

在墩柱混凝土浇筑完成且墩柱混凝土强度达到2.5MPa后，开始进行钢板桩围堰拆除。钢板桩围堰拆除顺序为：临边防拆除→基坑回填→横撑拆除→围檩拆除→钢板桩拔除。

待基坑内人员、机械等全部撤离后，拆除临边防护，进行基坑回填，横撑拆除，将围檩吊离。待围檩及横撑拆除完成后，进行拔桩作业。

采用振动打桩机进行拔桩，即利用振动锤产生的强迫振动扰动土质，破坏钢板桩周围土的黏聚力以克服拔桩阻力，依靠附加起吊力的作用将桩拔除。拔桩时，可先用振动锤振活板桩锁口以减小土的黏附，然后边振边拔。及时回填拔桩后的土孔，当把板桩拔至比基础底板略高时暂停引拔，用振动锤振动几分钟，尽量让土孔填实一部分。对引拔阻力较大的钢板桩，采用间歇振动的方法，每次振动15min，连续振动不超过1.5h。

4 方案实施效果

（1）采用筑岛围堰施工方案的实际造价为462.59万元，相对于常规的钢便桥方案，节约了约130万元。同时筑岛土方可以为后期绿化平台及中分带回填提供部分土源，实现土资源再利用，减少土资源开采运输费用，既经济又环保，节省了施工成本。

（2）减少钢便桥的投入，符合国家“碳达峰”“碳中和”的宏观政策。同时，筑岛围堰采用土方，有利于环保。土方在拆除后可以用来填筑绿化平台，节约了费用，减少了土方运输过程中的安全环保问题，减少了交通疏导和道路环保管理投入。

（3）北方平原地区无深山峡谷地带，河流水系发达。筑岛围堰与钢板桩围堰相结合的方案能够快速将水上作业转为陆上作业环境，非常适用于北方平原地区施工。

（4）通过本项目浅水河道桥梁施工实例，针对筑岛围堰和钢板桩围堰相结合的施工过程分析可以看出，筑岛围堰和钢板桩围堰相结合的施工方法可以保证钢板桩围堰的减少不受水流力的冲击，没有河道漂浮物撞击的风险。同时，筑岛平台方便机械设备施工作业，可有效减少水上作业难度，增加施工安全保障。

5 结语

该项目采用筑岛式钢板桩围堰施工技术较好地完成了位于浅滩河槽的水中桥梁基础施工，将填土筑岛与钢板桩围堰相结合克服了浅滩河床无通航船只配合的施工难题，同时减少了施工成本投入，缩短了工期，可为北方平原地区类似桥墩施工提供借鉴。