钢板桩围堰设计与施工

钢板桩围堰设计与施工 提要该文叙述了水中承台施工中采用钢板庄围堰进行维护 挡水的设计情况与施工方法以及施工中易出现的问题和解决措施。 关键词钢板桩设计 施工方法 控制措施1、 工程概况*市*县*撤渡建桥工程*大桥Q1标位于*省*县境内，该桥全长605.3米。跨径组合为（4-25）+（3-25+20）+（42+75+42）+（20+4-25）+（5-25）m，其中主桥上部为（42+75+42）m三跨预应力混凝土变截面单箱单室连续箱梁，下部承台几何尺寸为5.4米*5.4米，墩身几何尺寸为4.4米*2.0米。主墩9#、10#位于运粮河中，运粮河属于国家二级河道，不能断航。平时水深保持在3米左右，雨季时水深在6米以上，地质情况自上而下依次为素填土、亚粘土、淤泥质亚粘土、粘土等。地质-40.4米为淤泥质亚粘土，正好处于承台下部和桩基顶部。2、 水中墩施工情况回顾2004年11月，我单位中标*大桥Q1标，当时运粮河处于枯水期，水位比较浅，水流速度较小。根据当时情况，采用围堰筑岛。堰顶高出水面0.5米，筑岛面积为10米*10米。后来由于建设单位配套施工服务设施迟迟不能解决，开工日期一再延期。到2005年3月，我项目部施工完10#墩第一根桩后，运粮河河水提前上涨，将围堰及没来得及撤回的钻机淹没，施工被迫停止。根据现实情况，重新选择施工方案。根据以上情况及*大桥总体工期安排，结合我项目部技术水平以及我单位以前施工类似情况，拟采用以下施工方案：2.1水中墩桩基采用钢管桩型钢支架固定平台施工。 2.2 水中承台和墩身采用钢板桩围堰施工。3、水中墩施工方案选定水中承台和墩柱的施工拟采用钢板桩围堰的施工方案。根据此桥的水深、水文、地质等相关情况和我单位多年进行水中施工的经验，我们对各类施工方案进行综合比选后认为：采用钢板桩围堰施工方案与钢套箱围堰相比具有工期短、施工成本低、工艺简单、较少占用水面、安全、施工风险易于控制等诸多优势。4、钢板桩围堰设计一、钢板桩围堰示意图 水中钻孔桩成桩后，选用12m拉森a型钢板桩进行围堰施工，围堰尺寸定为：7.2m×7.2m。方形围堰钢板桩采用方形导向架，在围堰的内侧打4根定位桩，焊接牛腿，再安装导向框。该工程由于在施工水中钻孔桩时，固定平台4根管桩可兼作定位桩用，故水中钻孔桩完成后，利用钻孔用固定平台（8.0m×8.0m）作钢板桩插打导向架装置。二、钢板桩围堰尺寸为7.2m×7.2m。设置两层相同内支撑，边梁用2I40工字钢，斜撑（45度）用2I40工字钢。第一道设在水面7.5米标高处，第二道设在承台顶面2.5米标高处。桩底标高-4.5米，桩顶标高7.5米。开挖清泥后，一般不进行砼封底（视情况而定，施工承台时需打2030cm砼垫层）。如果涌沙，采用水下混凝土封底，封底厚度为50厘米。围堰受力按静水压力和土压力计算。三、钢板桩围堰受力计算： 1、资料数据：河床标高为+2.0米，根据«水碧桥19952004年5月最高水位»资料，水位标高暂定为+7.0米，水深5.0米，承台顶标高+2.0米，承台尺寸5.4m*5.4m*2.5m。围堰拟采用拉森IIa型钢板桩，截面抗弯模量W=849cm3,长度为12米，顶标高+7.5底标高-4.5米。根据地质钻探资料（ ZK06）,土的物理性质指标为：Gs=2.71,e=0.868,=18.3KN/m3,c=8.6,=21.6。2、荷载计算：取1米宽板桩计算其侧面荷载，计算至超开挖-0.8米处。-0.8米处水压力为：w(h1+h2)=(5.0+2.8)*10=78KN/m2,-0.8米处土压力为：=(Gs-1)*w /(1+e)=(2.71-1)*10/(1+0.868)=9.15,*h2tg2(45。-/2)=9.15*2.8*tg2(45-28/2)=9.25KN/m2(为偏于安全，按不考虑土层粘着力c影响计算)。故-0.8米处总侧面荷载为：p=78+9.25=87.25KN/m23、第一层受力：第一层内支撑设在标高为7.0米处，其受力最不利情况在开挖清泥抽水至第二道内支撑下0.5米时，即便于施工第二道内支撑时受力最大，围堰内水位2.0米，简化成如下图示：5.0米2.8米5.1米2.7米F合 F1 =5.0 t/m2 F1 F砼 F砼则F合=5.0×5.0×8.7/2+5.0×2.8×8.7=230.6吨，经计算，F1=79.8吨，F砼=151吨。（F砼为假定围堰内土层总受力，不考虑土层受力的不稳定性，按固端受力考虑）4、第二层受力：其最不利情况为开挖清泥抽水至比设计承台底低2030cm时，即超开挖2030cm。此时水、淤泥全部清完，受力图示简化为： F1 4.5 0.7 2.6 F1 F2 F砼=7.8t/m24.5米3.3米F砼F2F合 偏于安全考虑，水中土压力取w=0.915 g/cm31.0g/cm3,假设此时受力 全由第二层内支撑承受，经计算可得：F合=7.8*7.8/2*8.7+2.8*2.8/2*8.7=298.7吨， F2=235.3吨， F砼=63.4吨。四、钢板桩抗弯计算：查«桥涵»施工手册 图5-45板桩计算图（四） 曲线5-5最大弯矩Mmax=H3=0.21*7.83=99.6KN.m,=Mmax/W=99.6*103/849=117MPa<180MPa.故钢板桩满足抗弯要求。五、钢板桩围堰坑底涌砂检算：当坑底为粉沙、细沙时，基坑内抽水时，如果桩入土深度不足有可能引起涌沙的危险。根据钻探地质资料知基底为亚粘土层，不会出现涌沙的危险。六、板桩最小入土深度计算： 查«桥涵»施工手册 图5-45板桩计算图（四） 曲线5-5最小入土深度h=H=0.18*7.8=1.4m.实际入土深度3.7m满足最小入土深度。七、内支撑设计及受力验算: 内支撑共设两层，布置相同，因F2=235.3吨 >F1=79.8吨，故只需要验算第二层支撑受力是否满足受力要求即可。 F2max=235.3吨，水平撑及45度斜撑用的是2I40b工字钢，单片截面积为71.7cm2,边梁用2I40b工字钢, 单片截面积为71.7cm2,截面抗弯模量为W=949.2cm3（详见钢板桩围堰施工示意图）。 最大受力面2I40b工字钢斜支撑可承受的总允许压力为：（2×71.7×0.71×2）×1.6 ×0.8=260吨>235.3吨，满足受力条件。 边梁工字钢最大自由长度为2.5米，承受的弯矩为M=117KN.m.故ó =M/W=117×103/949.2/2=61.6MPa<160MP，满足受力条件。 5钢板桩围堰施工5.1施工准备：）A、插打钢板桩前的准备工作a 钢板桩经过装卸、运输、会出现撞伤、弯扭及锁口变形，钢板桩在拼组前必须进行检查，剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩；剔除钢板桩表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤b、在钢板桩锁口内涂抹黄油以减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏。c 插打钢板桩的导向设备按照施工方法，一般先打定位桩，在定位桩上安置导梁，组成框架式的围笼作为插桩时的导向设备，因此在施打前必须制作导向架。B 检查振动锤振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要进行专门检查，确保线路畅通，功能正常。振动锤的端电压要达到 380420 V，而夹板牙齿不能有太多磨损。5.2插打钢板桩5.2.1、插打第一片钢板桩为了确保插打位置准确，第一片钢板桩是插打的关键。插打在导向架上设置一个限位框架，大小比钢板桩每边放大1cm，插打时钢板桩背紧靠导向架，边插打边将浮吊钩缓慢下放。这时在互相垂直的两个方向用经纬仪观测，以确保钢板桩插正、插直，然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称插打钢板桩。在整个钢板桩围堰施打过程中，开始时插一根打一根，即将每一片钢板桩打到设计位置，到剩下最后5片时，要先插后打，若合拢有误，用倒链或滑车组对拉使之合拢，合拢后，再逐根打到设计深度。5.2.2、钢板桩的插打作业步骤和技术要点a、在钢板桩锁口内涂黄油，安置吊点，根据浮吊起重高度可在桩顶利用拔桩孔系千斤顶，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，胶皮以防滑移和受力后吊点处锁口变形。b、 在钢板桩下端系揽风绳二根，浮吊起吊钢板桩接近垂直状态时，利用揽风绳控制正反方向。c、 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。d、 移动浮吊，将桩夹住后，进一步复核桩的垂直度、位置，认可后进行插打。使钢板桩（第一片或第一组）下沉到河床设计标高，其它钢板桩则以插打好的桩为准。对准锁口，控制好方向，利用自重下插，当自重不能迫使下插时，可利用配重或滑车组加压。5.2.3、合拢A、合拢前的准备在即将合拢时，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，计算出所需钢板桩的片数，按此确定下一步钢板材如何插打（是增加钢板桩，还是钢板桩插打时向外绕圆弧）。B、合拢时桩的调整处理为了便于合拢，合拢处的两片桩应一高一低。方形钢围堰有4个面，打完的每一片钢板桩都要沿导向架的法线和切线方向垂直，合拢应选择在角桩附近（一般离角桩45片），如果距离有差距，可调整合拢边相邻一边离导向架的距离。为了防止合拢处两片桩不在一个平面内，一定要调整好角桩方向，让其一面锁口与对面的钢板桩锁口尽量保持平行。5.3、 安装内支撑当围堰合拢后，抽水施工前还须进行内支撑的安装，以防水压力过大影响围堰内的施工安全。 内支撑的设置，除了考虑受力外，还应考虑不妨碍堰内施工。内支撑自上而下设置，一边抽水，一边安装，根据水压力和土压力计算决定支撑数量。内支撑周边梁采用2I40型钢，顶杆立柱采用六五式军用墩，上下间距3.0米，支撑拟采用二道（见图四）。围堰内排水用抽水机，抽水机采用大于围堰内渗水量的1.52.0倍（抽完后留12台备用）。5.4、围堰挡水效果基坑抽干水后，可清楚观察到围堰挡水止水效果：钢板桩围堰内表面基本没有漏水，只 有少数较残旧的钢板桩由于接头不紧密导致少量漏水；基坑内也没有出现渗漏、管涌等现象 。说明钢板桩围堰是成功的。5.5、拔桩水中墩施工结束，立即拔除钢板桩。拔桩前向围堰内灌水，自下而上拆除内支撑，先拆除下部支撑，将水灌进一层，再拆处上部支撑。拔桩时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，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，先振动1min2min后再往下锤0.5m1.0m再往上振拔，如此反 复既可将桩拔