超長鋼板樁圍堰的施工技術(shù)

1、.二七長江大橋超長鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工技術(shù)中交二航局第五工程分公司 陳超華 徐斯林 連井龍 李鑒摘 要：本文介紹了在長江深水高流速條件下，27m超長鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工技術(shù)，并對如何解決鋼板樁的順利施打、止水、合攏等難題作了詳細(xì)闡述關(guān)鍵詞：深水 超長 鋼板樁圍堰 設(shè)計(jì) 導(dǎo)向 插打 止水 合攏 拆除 深水基礎(chǔ)一直是每座橋梁施工的難點(diǎn)，也是質(zhì)量、工期、成本控制的重點(diǎn)。近年來，深水基礎(chǔ)施工基本采用有底鋼吊箱或無底鋼套箱，這是一種安全、質(zhì)量有保障的成熟的施工技術(shù)，但是需要大型船機(jī)設(shè)備配合施工，工期較長。能否尋求一種更加經(jīng)濟(jì)、合理，施工周期更短的工藝來解決深水基礎(chǔ)施工問題，是每一個(gè)工程技術(shù)人員的夢想。在武漢

2、二七長江大橋施工中，施工單位根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)條件，因地制宜，成功利用超長鋼板樁（24m、27m）實(shí)現(xiàn)了深水基礎(chǔ)（最高17m水頭）的干施工，并成功解決了高流速條件下鋼板樁的插打、定位以及鋼板樁鎖扣止水、合攏的難題，在傳統(tǒng)的深水基礎(chǔ)施工方法基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一次較大的突破。1 工程概況1.1 概述武漢二七長江大橋N1N4#、1#、2#等6個(gè)水中墩均為整體式承臺(tái)，分為3種平面結(jié)構(gòu)型式。以下以1#墩為例進(jìn)行闡述，如圖1。圖1 1#墩承臺(tái)設(shè)計(jì)圖1.2 工程地質(zhì)覆蓋層主要為細(xì)砂和中砂，透水性強(qiáng)，表層810m為松散狀，以下為稍密狀到中密狀，沖淤不定，受水文影響較大。1.3 工程水文由于三峽的蓄水原因，2009水位

3、與歷年平均水位相比差異很大，尤其是枯水季節(jié)。根據(jù)18652004年觀測資料統(tǒng)計(jì)，漢口水文站歷年最高水位27.62m，最低水位7.98m，多年平均水位16.89m。1.4 河床沖淤變化觀測2008年三峽庫區(qū)開始試蓄水，受水位急劇下降及上游長江二橋、下游天興洲的紊流影響，河床的實(shí)際沖淤情況反常,淤積近11m，水中邊墩區(qū)域內(nèi)河床大面積露出水面，形成沙洲。實(shí)測泥面標(biāo)高和原設(shè)計(jì)標(biāo)高對比表 表1墩 位1#設(shè)計(jì)泥面標(biāo)高（m)5.80808年10月泥面標(biāo)高（m)10.3508年12月泥面標(biāo)高（m)12.6809年7月泥面標(biāo)高（m)0.72 方案選擇原方案水中6個(gè)邊墩全部采用鋼套箱施工，根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)情況存在

4、如下風(fēng)險(xiǎn)：（1）由于河床沖淤幅度大，采用有底鋼吊箱可能出現(xiàn)吊箱底低于泥面的情況，采用無底鋼套箱可能出現(xiàn)河床沖刷到鋼套箱底標(biāo)高以下，兩種施工方法均存在很大的不確定性，風(fēng)險(xiǎn)非常大。（2）枯水期大型浮吊無法就位，鋼套箱安裝只能用陸上小型設(shè)備進(jìn)行散拼。這樣施工周期長，工期無法保證。（3）鋼套箱下沉只能采用千斤頂、卷揚(yáng)機(jī)等原始辦法邊吸泥邊緩慢下沉，套箱容易出現(xiàn)偏位以及其他安全風(fēng)險(xiǎn)。（4）由于工期緊（必須在一個(gè)枯水期內(nèi)完成全部6個(gè)邊墩承臺(tái)），6個(gè)鋼圍堰無法周轉(zhuǎn)使用，需要一次性投入，成本高，資本金占用量大。根據(jù)現(xiàn)場條件，要想在既定的成本和工期范圍內(nèi)完成水中墩基礎(chǔ)施工，必須尋求一種施工方法，既不需要大型浮吊等

5、設(shè)備、也不受水位及河床沖淤變化的影響、單個(gè)承臺(tái)施工工期短。通過分析研究，決定采用鋼板樁圍堰進(jìn)行邊墩基礎(chǔ)施工。但是超長鋼板樁圍堰施工（27m）在長江中水流急、水頭高條件下，沒有經(jīng)驗(yàn)可循，鋼板樁施打過程中的垂直度及平面位置如何保證，鋼板樁鎖口不嚴(yán)導(dǎo)致大量涌水如何解決，大型鋼板樁圍堰怎樣合攏，圍檁支撐及鋼板樁結(jié)構(gòu)和受力能否滿足各種工況的要求等難題都急需解決。3 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)3.1鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)如圖2，1#墩鋼板樁圍堰采用ORIENTAL SHEET PILING PU18和新日鐵NSP-IV型全新進(jìn)口鋼板樁，寬度600mm，有效高度超過210mm，剛度大，鎖口質(zhì)量好。鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)及尺寸如下：

6、a、鋼板樁頂標(biāo)高： +18.0mb、鋼板樁底標(biāo)高： -9.0m c、承臺(tái)頂標(biāo)高： +10.5md、承臺(tái)底標(biāo)高： +5.5m e、承臺(tái)厚度： 6.0m f、封底混凝土頂標(biāo)高： +4.5m g、封底混凝土底標(biāo)高： +1m h、封底砼厚度： 3.0mi、施工(抽水、澆注承臺(tái))水位 +14mj、設(shè)計(jì)流速： 2m/sk、泥面標(biāo)高： +4m （可能回淤至+8m+12m ） l、封底砼強(qiáng)度等級： C25圖2 1#墩鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)圖3.2 各種施工工況驗(yàn)算1#墩鋼板樁圍堰總體施工工序及相應(yīng)施工工況：工況1：鋼板樁插打到位時(shí)考慮與第一道圍囹未連接（先整體加工、分層吊裝圍檁后插打鋼板樁，直至合攏）。工況2：圍堰內(nèi)

7、部空氣吸泥，泥面標(biāo)降至+1.5m（外側(cè)泥面標(biāo)高+4m），同時(shí)保持內(nèi)外水位一致；工況3：澆筑3m厚水下C25封底混凝土，至標(biāo)高+4.5m；工況4：C25封底砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；工況5：圍堰內(nèi)抽水至+13m標(biāo)高,加固上層圍檁；工況6：圍堰內(nèi)再次抽水至+10.5m標(biāo)高，加固下層圍檁；工況7：圍堰內(nèi)抽水至封底混凝土+4.5m，（全部抽完）。工況8：澆筑承臺(tái)混凝土6m（砼頂標(biāo)高至+10.5m），待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在承臺(tái)與鋼板樁之間的空隙內(nèi)填充細(xì)砂并加水密實(shí)，至標(biāo)高為+9.5m； 工況9：拆除底層圍囹及支撐系統(tǒng)，進(jìn)行鋼板樁受力體系轉(zhuǎn)換；工況10：墩身施工出水后，再次受力轉(zhuǎn)換，并拆除上層圍檁及支撐系統(tǒng)；拔除

8、鋼板樁。經(jīng)過受力驗(yàn)算，鋼板樁最大應(yīng)力210.1MPa<252MPa（設(shè)計(jì)允許應(yīng)力），型鋼圍檁最大應(yīng)力為111.2MPa< 205MPa（設(shè)計(jì)允許應(yīng)力），鋼管支撐最大應(yīng)力77.7 MPa < 185 MPa（設(shè)計(jì)允許應(yīng)力），1#鋼板樁圍堰可以滿足施工要求。4 鋼板樁圍堰施工技術(shù)4.1 鋼板樁插打?qū)蛟O(shè)置導(dǎo)向裝置直接決定鋼板樁插打質(zhì)量。傳統(tǒng)做法都是在插打鋼板樁前施工臨時(shí)導(dǎo)向，鋼板樁插打閉合后，采用逆作法，邊抽水，邊焊接圍檁和支撐。本工程中直接采用圍堰內(nèi)圍檁支撐作為導(dǎo)向裝置。由于圍檁剛度大，不容易變形，可以保證鋼板樁插打的垂直度和平面位置，導(dǎo)向效果好。（1）在護(hù)筒外壁上焊接導(dǎo)向梁。

9、采用H700×300mm型鋼制作導(dǎo)梁。導(dǎo)梁通過上部牛腿與鋼護(hù)筒焊接，下部與鋼護(hù)筒擠靠安裝固定。圍檁平面位置通過樁基實(shí)測偏位和樁徑計(jì)算所得。（2）分層制作及吊裝圍檁。根據(jù)設(shè)計(jì)圍堰尺寸，在平臺(tái)上整體加工圍檁及支撐系統(tǒng)，待導(dǎo)梁安裝完畢后利用150噸浮吊整體起吊并運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。 圖3 圍檁整體安裝4.2 鋼板樁插打施工4.2.1 鋼板樁插打設(shè)備的選擇鋼板樁單根重量最大2862kg、長度27m。鋼板樁插打和拔除采用DZ120電動(dòng)錘與70噸履帶吊配合。4.2.2 鋼板樁插打順序?yàn)闇p少水流力對已插鋼板樁的影響，首根鋼板樁選擇在上游中部，由兩側(cè)向下游施工，合攏口選擇在下游角部。圖4 鋼板樁插打順

10、序圖4.2.3 鋼板樁插打準(zhǔn)備 （1）鋼板樁檢查清理鋼板樁運(yùn)到工地后，需進(jìn)行檢查整理。首先將鋼板樁鎖口中的銹渣、雜物進(jìn)行徹底的清除。用50cm長的鎖口尺來回拖動(dòng)清除浮銹，然后用2米長鎖口尺試通過鎖口直至合格（合格標(biāo)準(zhǔn)：以兩人順利拉通為合格）。為確保每片鋼板樁的兩側(cè)鎖口平行，同時(shí)盡可能使鋼板樁的寬度都在同一規(guī)格內(nèi)。需要進(jìn)行寬度檢查，方法是：對于每片鋼板樁分為上中下三部分用鋼尺測量其寬度，使每片樁的寬度在同一尺寸內(nèi)，每片相鄰數(shù)差值以小于1cm為宜。對于肉眼看到的局部變形可進(jìn)行加密測量。對于超出偏差的鋼板樁應(yīng)盡量不用。對于檢查出的鎖口扭曲及“死彎”進(jìn)行校正，可用千斤頂進(jìn)行糾偏調(diào)平。剔除鎖口破裂、扭曲

11、、變形的鋼板樁。對于檢查合格的鋼板樁，為減少插打時(shí)鎖口間的摩擦和鋼板樁圍堰的滲漏，每片鋼板樁鎖口都須均勻涂以混合油或黃油，混合油體積配合比為黃油：干膨潤土：干鋸沫5：5：3。為避免鎖口內(nèi)進(jìn)砂將黃油擠出，可在鋼板樁鎖口底焊接一小塊斜向鋼板，以阻止砂的進(jìn)入。（2）鋼板樁接長本工程采用的鋼板樁定尺長度為18m，鋼板樁設(shè)計(jì)長度有24m、27m兩種，采用18m+6m、18m+9m兩種接長方式。4.2.4 鋼板樁插打（1）鋼板樁插打因第一根鋼板樁是其他鋼板樁的導(dǎo)向樁，故插打質(zhì)量至關(guān)重要。在導(dǎo)向梁上設(shè)置一個(gè)限位框架，大小比鋼板樁每邊放大1cm，鋼板樁背緊靠導(dǎo)向梁，沿著導(dǎo)向自重下沉，直至穩(wěn)定。測量觀測鋼板樁垂

12、直度和平面位置，滿足要求后開啟振動(dòng)錘一邊振動(dòng)，一邊插打下沉。每下沉3米掛線或在互相垂直的兩個(gè)方向用經(jīng)緯儀觀測校正1次，發(fā)現(xiàn)有傾斜和偏位及時(shí)調(diào)整，確保鋼板樁方向垂直、位置準(zhǔn)確。下沉到位后，及時(shí)與導(dǎo)向梁焊接固定。其余鋼板樁插打時(shí)注意對準(zhǔn)樁與定位樁的鎖口，人力將樁插入鎖口，動(dòng)作緩慢，防止損壞鎖口。插打工藝與首根相同。（2）鋼板樁插打垂直度控制由于鋼板樁鎖口和鎖口之間縫隙較大，在插打過程中，在土壓力的作用下，上端會(huì)向遠(yuǎn)離第一根鋼板樁的方向傾斜。因此，每根鋼板樁要把傾斜度控制在1以內(nèi)，超過的應(yīng)予糾偏。一次性糾偏不能太多，以免鎖口卡住，影響下一片鋼板樁的插打。當(dāng)鋼板樁偏移太多時(shí)，采用多次糾偏的方法逐步減少

13、偏移量，糾編困難時(shí)，可采用滑輪組糾偏。圖5 鋼板樁垂直度控制（3）拐角處理圍堰轉(zhuǎn)接處鋼板樁采用定型異性鋼板樁或現(xiàn)場加工制作的異形鋼板樁，見圖9。圖6 拐角處異型鋼板樁（4）合攏工藝合攏位置選擇在下游側(cè)角部，幾乎不受水流影響。鋼板樁插打剩下最后20片時(shí)，要先插后打。在圍堰即將合攏時(shí)，開始測量并計(jì)算出鋼板樁底部的直線距離，再根據(jù)鋼板樁的寬度，計(jì)算處所需鋼板樁的片數(shù)，并按此確定下一步鋼板樁的插打工藝。圍堰合攏時(shí)兩側(cè)鎖扣不一定平行，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用相應(yīng)的技術(shù)措施調(diào)整合攏。通過測量觀測兩端鋼板樁頂端偏位情況，然后在鋼板樁頂端使用千斤頂或滑車組調(diào)整平行，也可以采取異型鋼板樁合攏法，即在鋼板樁合攏時(shí)發(fā)現(xiàn)

14、兩側(cè)鎖口不平行，在兩端相距一定范圍內(nèi)時(shí)開始采取插打異型鋼板樁合攏。圖7 異型鋼板樁角部合攏4.3 圍堰內(nèi)吸泥清淤當(dāng)鋼板樁插打合攏后，采用空氣吸泥系統(tǒng)（空壓機(jī)、高壓水泵及砂石泵組合）進(jìn)行水下射水吸泥作業(yè)。水下吸泥過程中，將一側(cè)鋼板樁上制作虹吸管（或提前將個(gè)別鋼板樁水下部位開孔），以保持圍堰內(nèi)外水頭基本一致，以保證圍堰安全。圖8 吸泥作業(yè)4.4 圍堰抽水鋼板樁圍堰抽水一般前期比較困難，隨著圍堰內(nèi)外水頭增大，鋼板樁受壓變形，鎖口拉緊，鎖口止水效果開始發(fā)揮，滲水量逐漸減小。故抽水前期水泵配備要適當(dāng)富裕，后期可關(guān)停部分水泵。在鋼板樁圍堰擋水期間，定期對鋼板樁頂位移進(jìn)行觀測。4.5 鋼板樁圍堰止水鋼板樁圍

15、堰施工關(guān)鍵是止水防滲，主要依靠鎖口自身進(jìn)行防漏。但是如果出現(xiàn)鎖口不密、卷口、外側(cè)水壓力過大等情況，鋼板樁圍堰會(huì)出現(xiàn)滲漏。預(yù)防措施如下：（1）鋼板樁插打時(shí)的預(yù)防滲漏措施。鋼板樁滲漏一般出現(xiàn)在鎖口位置，因此施工過程中重點(diǎn)加強(qiáng)對鎖口的檢查。施工前用同型號的短鋼板樁做鎖口滲漏試驗(yàn)，檢查鋼板樁鎖口松緊程度，過松或過緊都可能導(dǎo)致鋼板樁施工后滲漏。施打前在鋼板樁鎖口內(nèi)抹黃油；施打時(shí)控制好垂直度，不得強(qiáng)行施打，損壞鎖口。施工過程中重點(diǎn)加強(qiáng)對鎖口的檢查。（2）在抽水過程中密切監(jiān)視圍堰的滲水情況。鋼板樁損壞的地方可用電焊補(bǔ)強(qiáng)。抽水后發(fā)現(xiàn)鋼板樁鎖口漏水，但不太嚴(yán)重時(shí)，可采在鋼板樁鎖口外側(cè)下放黃沙、粘土與鋸屑混合物，

16、借助水壓力將細(xì)砂吸入接逢內(nèi)而達(dá)到堵漏的目的。個(gè)別鎖口變形處漏水嚴(yán)重的可采用棉絮從鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)塞堵。也可以在外側(cè)包裹一層防水彩條布，起到防水和減小水壓力的雙重效果，（3）對鎖口撕開或其他大量涌水的情況，堵漏困難時(shí)，在鋼板樁外側(cè)補(bǔ)打木樁或型鋼圍堰，圍堰內(nèi)側(cè)鋪設(shè)彩條布，在彩條布與鋼板樁圍堰間填筑粘土或水下混凝土進(jìn)行封堵。圖9 完成抽水后的鋼板樁圍堰4.6 鋼板樁圍堰拆除為對鋼圍囹進(jìn)行周轉(zhuǎn)利用，除底層鋼圍囹切割拆除外，其余采取整體拆除的方法。所有圍檁拆除后，鋼板樁拔除前，先向圍堰內(nèi)回水，保證圍堰內(nèi)外無水頭差。鋼板樁的拔除，利用浮吊配合DZ120電動(dòng)錘振動(dòng)拔樁。先用打拔樁機(jī)夾住鋼板樁頭部振動(dòng)1min2

17、min，使鋼板樁周圍的土松動(dòng)，產(chǎn)生“液化”  ，減少土對樁的摩阻力，同時(shí)，也將鋼板樁與封底混凝土之間的粘結(jié)力解除，然后慢慢的往上振拔。拔樁時(shí)注意樁機(jī)的負(fù)荷情況，發(fā)現(xiàn)上拔困難或拔不上來時(shí)，應(yīng)停止拔樁?？上刃型率┐蛏僭S，再往上撥，如此反復(fù)可將樁拔出來。5 工效及成本對比分析5.1 工效對比采用鋼板樁圍堰幾道主要工序所需時(shí)間如下：（1）鋼板樁插打：共150根。每天（24h）插打35-40根，共5天。（2）圍堰內(nèi)吸泥：單臺(tái)吸泥設(shè)備為12m3/h，每天3班24h運(yùn)轉(zhuǎn)可完成288m3/d。1#理論吸泥量約800m3,共用時(shí)3天（3）圍堰內(nèi)強(qiáng)排水：用時(shí)1天。（5）鋼板樁拔樁：平均每天拔除24根，

18、共用時(shí)近7天。從鉆孔樁施工完成到封底混凝土施工完成采用鋼套箱圍堰一般需要66天左右時(shí)間，而采用鋼板樁圍堰僅需要30天時(shí)間，工期優(yōu)勢非常明顯。5.2 成本比較 1#墩鋼板樁圍堰用鋼量為589.3噸，原1#墩設(shè)計(jì)雙壁鋼套箱總用鋼量為599.9噸，夾壁C30砼871方。從以上對比分析可以看出，鋼板樁圍堰施工方案比原鋼套箱圍堰施工方案略成本優(yōu)勢明顯。鋼板樁可以重復(fù)周轉(zhuǎn)使用、可以回收，而且可以減少大型水上設(shè)備的使用6 結(jié)束語武漢二七長江大橋水中墩采用超長鋼板樁施工長江深水、高流速區(qū)基礎(chǔ)，取得了成功。鋼板樁圍堰施工的幾個(gè)難關(guān)一一得到成功解決。 （1）鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，受力明確。（2）采用鋼圍堰內(nèi)支撐圍檁作為鋼板樁插打?qū)蚪Y(jié)構(gòu)，剛度大，導(dǎo)向效果好，且節(jié)約了臨時(shí)導(dǎo)向材料。圍檁采用整體安裝、整體拆除的方法，工效高，損壞少，可以重復(fù)利用。（3）采用全新進(jìn)口鋼板樁，剛度大，鎖口質(zhì)量好，保證了圍堰止水。（4）鋼板樁插打采用確保第一根插打精度，打一根、校正一根、固定一根的方法，保證了鋼板樁的平面位置和垂直度，圍堰合攏順利。（5）圍堰內(nèi)吸泥采用高壓射水吸泥和