超长钢板桩围堰的施工技术

二七长江大桥超长钢板桩围堰设计施工技术中交二航局第五工程分公司 陈超华 徐斯林 连井龙 李鉴摘 要：本文介绍了在长江深水高流速条件下，27m超长钢板桩围堰设计施工技术，并对如何解决钢板桩的顺利施打、止水、合拢等难题作了详细阐述关键词：深水 超长 钢板桩围堰 设计 导向 插打 止水 合拢 拆除 深水基础一直是每座桥梁施工的难点，也是质量、工期、成本控制的重点。近年来，深水基础施工基本采用有底钢吊箱或无底钢套箱，这是一种安全、质量有保障的成熟的施工技术，但是需要大型船机设备配合施工，工期较长。能否寻求一种更加经济、合理，施工周期更短的工艺来解决深水基础施工问题，是每一个工程技术人员的梦想。在武汉二七长江大桥施工中，施工单位根据现场水文地质条件，因地制宜，成功利用超长钢板桩（24m、27m）实现了深水基础（最高17m水头）的干施工，并成功解决了高流速条件下钢板桩的插打、定位以及钢板桩锁扣止水、合拢的难题，在传统的深水基础施工方法基础上实现了一次较大的突破。1 工程概况1.1 概述武汉二七长江大桥N1N4#、1#、2#等6个水中墩均为整体式承台，分为3种平面结构型式。以下以1#墩为例进行阐述，如图1。图1 1#墩承台设计图1.2 工程地质覆盖层主要为细砂和中砂，透水性强，表层810m为松散状，以下为稍密状到中密状，冲淤不定，受水文影响较大。1.3 工程水文由于三峡的蓄水原因，2009水位与历年平均水位相比差异很大，尤其是枯水季节。根据18652004年观测资料统计，汉口水文站历年最高水位27.62m，最低水位7.98m，多年平均水位16.89m。1.4 河床冲淤变化观测2008年三峡库区开始试蓄水，受水位急剧下降及上游长江二桥、下游天兴洲的紊流影响，河床的实际冲淤情况反常,淤积近11m，水中边墩区域内河床大面积露出水面，形成沙洲。实测泥面标高和原设计标高对比表 表1墩 位1#设计泥面标高（m)5.80808年10月泥面标高（m)10.3508年12月泥面标高（m)12.6809年7月泥面标高（m)0.72 方案选择原方案水中6个边墩全部采用钢套箱施工，根据现场水文地质情况存在如下风险：（1）由于河床冲淤幅度大，采用有底钢吊箱可能出现吊箱底低于泥面的情况，采用无底钢套箱可能出现河床冲刷到钢套箱底标高以下，两种施工方法均存在很大的不确定性，风险非常大。（2）枯水期大型浮吊无法就位，钢套箱安装只能用陆上小型设备进行散拼。这样施工周期长，工期无法保证。（3）钢套箱下沉只能采用千斤顶、卷扬机等原始办法边吸泥边缓慢下沉，套箱容易出现偏位以及其他安全风险。（4）由于工期紧（必须在一个枯水期内完成全部6个边墩承台），6个钢围堰无法周转使用，需要一次性投入，成本高，资本金占用量大。根据现场条件，要想在既定的成本和工期范围内完成水中墩基础施工，必须寻求一种施工方法，既不需要大型浮吊等设备、也不受水位及河床冲淤变化的影响、单个承台施工工期短。通过分析研究，决定采用钢板桩围堰进行边墩基础施工。但是超长钢板桩围堰施工（27m）在长江中水流急、水头高条件下，没有经验可循，钢板桩施打过程中的垂直度及平面位置如何保证，钢板桩锁口不严导致大量涌水如何解决，大型钢板桩围堰怎样合拢，围檩支撑及钢板桩结构和受力能否满足各种工况的要求等难题都急需解决。3 钢板桩围堰设计3.1钢板桩围堰设计如图2，1#墩钢板桩围堰采用ORIENTAL SHEET PILING PU18和新日铁NSP-IV型全新进口钢板桩，宽度600mm，有效高度超过210mm，刚度大，锁口质量好。钢板桩围堰设计参数及尺寸如下：a、钢板桩顶标高： +18.0mb、钢板桩底标高： -9.0m c、承台顶标高： +10.5md、承台底标高： +5.5m e、承台厚度： 6.0m f、封底混凝土顶标高： +4.5m g、封底混凝土底标高： +1m h、封底砼厚度： 3.0mi、施工(抽水、浇注承台)水位 +14mj、设计流速： 2m/sk、泥面标高： +4m （可能回淤至+8m+12m ） l、封底砼强度等级： C25图2 1#墩钢板桩围堰设计图3.2 各种施工工况验算1#墩钢板桩围堰总体施工工序及相应施工工况：工况1：钢板桩插打到位时考虑与第一道围囹未连接（先整体加工、分层吊装围檩后插打钢板桩，直至合拢）。工况2：围堰内部空气吸泥，泥面标降至+1.5m（外侧泥面标高+4m），同时保持内外水位一致；工况3：浇筑3m厚水下C25封底混凝土，至标高+4.5m；工况4：C25封底砼达到设计强度；工况5：围堰内抽水至+13m标高,加固上层围檩；工况6：围堰内再次抽水至+10.5m标高，加固下层围檩；工况7：围堰内抽水至封底混凝土+4.5m，（全部抽完）。工况8：浇筑承台混凝土6m（砼顶标高至+10.5m），待强度达到设计强度后，在承台与钢板桩之间的空隙内填充细砂并加水密实，至标高为+9.5m； 工况9：拆除底层围囹及支撑系统，进行钢板桩受力体系转换；工况10：墩身施工出水后，再次受力转换，并拆除上层围檩及支撑系统；拔除钢板桩。经过受力验算，钢板桩最大应力210.1MPa252MPa（设计允许应力），型钢围檩最大应力为111.2MPa 205MPa（设计允许应力），钢管支撑最大应力77.7 MPa 185 MPa（设计允许应力），1#钢板桩围堰可以满足施工要求。4 钢板桩围堰施工技术4.1 钢板桩插打导向设置导向装置直接决定钢板桩插打质量。传统做法都是在插打钢板桩前施工临时导向，钢板桩插打闭合后，采用逆作法，边抽水，边焊接围檩和支撑。本工程中直接采用围堰内围檩支撑作为导向装置。由于围檩刚度大，不容易变形，可以保证钢板桩插打的垂直度和平面位置，导向效果好。（1）在护筒外壁上焊接导向梁。采用H700300mm型钢制作导梁。导梁通过上部牛腿与钢护筒焊接，下部与钢护筒挤靠安装固定。围檩平面位置通过桩基实测偏位和桩径计算所得。（2）分层制作及吊装围檩。根据设计围堰尺寸，在平台上整体加工围檩及支撑系统，待导梁安装完毕后利用150吨浮吊整体起吊并运至现场进行安装。 图3 围檩整体安装4.2 钢板桩插打施工4.2.1 钢板桩插打设备的选择钢板桩单根重量最大2862kg、长度27m。钢板桩插打和拔除采用DZ120电动锤与70吨履带吊配合。4.2.2 钢板桩插打顺序为减少水流力对已插钢板桩的影响，首根钢板桩选择在上游中部，由两侧向下游施工，合拢口选择在下游角部。图4 钢板桩插打顺序图4.2.3 钢板桩插打准备 （1）钢板桩检查清理钢板桩运到工地后，需进行检查整理。首先将钢板桩锁口中的锈渣、杂物进行彻底的清除。用50cm长的锁口尺来回拖动清除浮锈，然后用2米长锁口尺试通过锁口直至合格（合格标准：以两人顺利拉通为合格）。为确保每片钢板桩的两侧锁口平行，同时尽可能使钢板桩的宽度都在同一规格内。需要进行宽度检查，方法是：对于每片钢板桩分为上中下三部分用钢尺测量其宽度，使每片桩的宽度在同一尺寸内，每片相邻数差值以小于1cm为宜。对于肉眼看到的局部变形可进行加密测量。对于超出偏差的钢板桩应尽量不用。对于检查出的锁口扭曲及“死弯”进行校正，可用千斤顶进行纠偏调平。剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩。对于检查合格的钢板桩，为减少插打时锁口间的摩擦和钢板桩围堰的渗漏，每片钢板桩锁口都须均匀涂以混合油或黄油，混合油体积配合比为黄油：干膨润土：干锯沫5：5：3。为避免锁口内进砂将黄油挤出，可在钢板桩锁口底焊接一小块斜向钢板，以阻止砂的进入。（2）钢板桩接长本工程采用的钢板桩定尺长度为18m，钢板桩设计长度有24m、27m两种，采用18m+6m、18m+9m两种接长方式。4.2.4 钢板桩插打（1）钢板桩插打因第一根钢板桩是其他钢板桩的导向桩，故插打质量至关重要。在导向梁上设置一个限位框架，大小比钢板桩每边放大1cm，钢板桩背紧靠导向梁，沿着导向自重下沉，直至稳定。测量观测钢板桩垂直度和平面位置，满足要求后开启振动锤一边振动，一边插打下沉。每下沉3米挂线或在互相垂直的两个方向用经纬仪观测校正1次，发现有倾斜和偏位及时调整，确保钢板桩方向垂直、位置准确。下沉到位后，及时与导向梁焊接固定。其余钢板桩插打时注意对准桩与定位桩的锁口，人力将桩插入锁口，动作缓慢，防止损坏锁口。插打工艺与首根相同。（2）钢板桩插打垂直度控制由于钢板桩锁口和锁口之间缝隙较大，在插打过程中，在土压力的作用下，上端会向远离第一根钢板桩的方向倾斜。因此，每根钢板桩要把倾斜度控制在1以内，超过的应予纠偏。一次性纠偏不能太多，以免锁口卡住，影响下一片钢板桩的插打。当钢板桩偏移太多时，采用多次纠偏的方法逐步减少偏移量，纠编困难时，可采用滑轮组纠偏。图5 钢板桩垂直度控制（3）拐角处理围堰转接处钢板桩采用定型异性钢板桩或现场加工制作的异形钢板桩，见图9。图6 拐角处异型钢板桩（4）合拢工艺合拢位置选择在下游侧角部，几乎不受水流影响。钢板桩插打剩下最后20片时，要先插后打。在围堰即将合拢时，开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离，再根据钢板桩的宽度，计算处所需钢板桩的片数，并按此确定下一步钢板桩的插打工艺。围堰合拢时两侧锁扣不一定平行，根据现场实际情况采用相应的技术措施调整合拢。通过测量观测两端钢板桩顶端偏位情况，然后在钢板桩顶端使用千斤顶或滑车组调整平行，也可以采取异型钢板桩合拢法，即在钢板桩合拢时发现两侧锁口不平行，在两端相距一定范围内时开始采取插打异型钢板桩合拢。图7 异型钢板桩角部合拢4.3 围堰内吸泥清淤当钢板桩插打合拢后，采用空气吸泥系统（空压机、高压水泵及砂石泵组合）进行水下射水吸泥作业。水下吸泥过程中，将一侧钢板桩上制作虹吸管（或提前将个别钢板桩水下部位开孔），以保持围堰内外水头基本一致，以保证围堰安全。图8 吸泥作业4.4 围堰抽水钢板桩围堰抽水一般前期比较困难，随着围堰内外水头增大，钢板桩受压变形，锁口拉紧，锁口止水效果开始发挥，渗水量逐渐减小。故抽水前期水泵配备要适当富裕，后期可关停部分水泵。在钢板桩围堰挡水期间，定期对钢板桩顶位移进行观测。4.5 钢板桩围堰止水钢板桩围堰施工关键是止水防渗，主要依靠锁口自身进行防漏。但是如果出现锁口不密、卷口、外侧水压力过大等情况，钢板桩围堰会出现渗漏。预防措施如下：（1）钢板桩插打时的预防渗漏措施。钢板桩渗漏一般出现在锁口位置，因此施工过程中重点加强对锁口的检查。施工前用同型号的短钢板桩做锁口渗漏试验，检查钢板桩锁口松紧程度，过松或过紧都可能导致钢板桩施工后渗漏。施打前在钢板桩锁口内抹黄油；施打时控制好垂直度，不得强行施打，损坏锁口。施工过程中重点加强对锁口的检查。（2）在抽水过程中密切监视围堰的渗水情况。钢板桩损坏的地方可用电焊补强。抽水后发现钢板桩锁口漏水，但不太严重时，可采在钢板桩锁口外侧下放黄沙、粘土与锯屑混合物，借助水压力将细砂吸入接逢内而达到堵漏的目的。个别锁口变形处漏水严重的可采用棉絮从钢板桩围堰内侧塞堵。也可以在外侧包裹一层防水彩条布，起到防水和减小水压力的双重效果，（3）对锁口撕开或其他大量涌水的情况，堵漏困难时，在钢板桩外侧补打木桩或型钢围堰，围堰内侧铺设彩条布，在彩条布与钢板桩围堰间填筑粘土或水下混凝土进行封堵。图9 完成抽水后的钢板桩围堰4.6 钢板桩围堰拆除为对钢围囹进行周转利用，除底层钢围囹切割拆除外，其余采取整体拆除的方法。所有围檩拆除后，钢板桩拔除前，先向围堰内回水，保证围堰内外无水头差。钢板桩的拔除，利用浮吊配合DZ120电动锤振动拔桩。先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min2min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化” ，减少土对桩的摩阻力，同时，也将钢板桩与封底混凝土之间的粘结力解除，然后慢慢的往上振拔。拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难或拔不上来时，应停止拔桩。可先行往下施打少许，再往上拨，如此反复可将桩拔出来。5 工效及成本对比分析5.1 工效对比采用钢板桩围堰几道主要工序所需时间如下：（1）钢板桩插打：共150根。每天（24h）插打35-40根，共5天。（2）围堰内吸泥：单台吸泥设备为12m3/h，每天3班24h运转可完成288m3/d。1#理论吸泥量约800m3,共用时3天（3）围堰内强排水：用时1天。（5）钢板桩拔桩：平均每天拔除24根，共用时近7天。从钻孔桩施工完成到封底混凝土施工完成采用钢套箱围堰一般需要66天左右时间，而采用钢板桩围堰仅需要30天时间，工期优势非常明显。5.2 成本比较 1#墩钢板桩围堰用钢量为589.3吨，原1#墩设计双壁钢套箱总用钢量为599.9吨，夹壁C30砼871方。从以上对比分析可以看出，钢板桩围堰施工方案比原钢套箱围堰施工方案略成本优势明显。钢板桩可以重复周转使用、可以回收，而且可以减少大型水上设备的使用6 结束语武汉二七长江大桥水中墩采用超长钢板桩施工长江深水、高流速区基础，取得了成功。钢板桩围堰施工的几个难关一一得到成功解决。 （1）钢板桩围堰设计结构简单，受力明确。（2）采用钢围堰内支撑围檩作为钢板桩插打导向结构，刚度大，导向效果好，且节约了临时导向材料。围檩采用整体安装、整体拆除的方法，工效高，损坏少，可以重复利用。（3）采用全新进口钢板桩，刚度大，锁口质量好，保证了围堰止水。（4）钢板桩插打采用确保第一根插打精度，打一根、校正一根、固定一根的方法，保证了钢板桩的平面位置和垂直度，围堰合拢顺利。（5）围堰内吸泥采用高压射水吸泥和普通砂石泵吸泥配合，对砂层覆盖层工效高。（6）对围堰漏水采取“防、堵、排”结合，效果好，保证了承台干施工。（7）无需大型设备，工期、成本优势明显。在类似的地质、水文条件下，钢板桩围堰较传统的钢套箱和钢吊箱工艺有明显的优势。不但解决了河床变动区深水基础施工的难题，还节约了成本，保证了工期。该方案从提案、形成到实施全过程，凝聚了施工企业工程技术人员的智慧。该工艺在武汉二七长江大桥的成功实施，拓展了深水基础的施工方法，具有较高的推广价值。作者简介：陈超华（1973），男，武汉二七长江大桥一标段项目总工程师，高级工程师。徐斯林（1967），武汉二七长江大桥一标段项目经理，高级工程师。