沮漳河特大桥99#水中墩钢板桩围堰施工关键技术研究与实践

1、沮漳河特大桥99水中墩钢板桩围堰施工关键技术研究与实践葛洲坝集团第五工程有限公司 王章忠 汪少雄 陈三华【摘 要】：该围堰内承台深埋，跨枯水期和初汛施工，设计抽水水头14m，堰内开挖深达9.4m，与6层围囹安装干扰极大。如何顺利完成钢板桩插打合拢、如何结合围囹安装进行超深覆盖层的快速开挖，如何结合承台、墩身施工分层拆除围囹以及利用墩身作为围堰的水上拆除平台是项目成败的关键因素。【关键词】：方案比选 钢板桩围堰 超深覆盖层开挖 墩顶拔桩1 工程概况沮漳河特大桥地处江汉平原西缘，全长6034.15m，是汉宜高速铁路线上长度最大的桥梁之一，99#、100#墩是（48m+80m+48m）连续梁中跨主墩，分别采用数百米钢栈桥与两岸相连。桥位河段为平原性河流，航道。受下游长江顶托及上游支流山洪的影响，枯水期水深变化3m8m，主汛初期水深可达12m以上，施工较困难。99#墩在主河槽东侧，采用121.5m群桩基础、14.60m10.60m3.5m的承台及20.5m高圆端形实体墩。承台底部+26.099m，在冬季最大枯水位37.32m以下11.22m，墩身淹没7.7m。沿线均为第四系冲洪积地层覆盖，底部

2、为第四系上中更新统冲积土（Q23）。墩位河床+28.78m，其上至+34.5 m高程，为前期桩基筑岛平台的粉质粘土回填层，承台深埋达8.4m。图-1 99#水中墩工程地质柱状图由于工期及基础施工进度的原因，99#墩的承台墩身将不得不在主汛初期（实际是在46月，墩位最大河床水深约12m）高水位时施工。墩身施工能否安全抢出洪水位以上，直接关系到本桥总工期目标的实现。2 水中墩施工方案比选99#墩承台深埋，施工期间水深变化大，工期紧迫。工程前期研究了明渠导流、无底钢套箱围堰、沉井、单层钢板桩围堰等常规的水中墩施工工艺，经反复比选后认为：明渠开挖、恢复量太大，且两岸钢栈桥各单跨跨度仅9m12m，无法保证过流，加上93#98#各墩承台浅埋，抗冲防护量大；无底钢套箱一般也适宜水深10m以下砂卵石及砂层河床，符合本墩地质情况，工艺成熟，但施工内容多，周期太长，且钢围堰在墩身浇筑完后需进行水下切割，成本高；沉井方案工期长、成本高；采用钢板桩围堰具有插打快、成本低、工艺相对简单等诸多优势，但缺点是入土较深、需要做好水下堵漏、须在汛期拔出，若租用浮吊，受航道和水位影响太大，需要认真研究拔出方案。经过多次方

3、案讨论，决定采用单层超长钢板桩围堰施工工艺，先桩后围堰方案施工，即抢抓冬期低水位筑岛至34.5m，宝峨BG25旋挖钻机成桩，再施打钢板桩围堰，在围堰保护下分2层完成承台及首节10m墩身施工，6月份搭设墩顶钢平台，吊车上墩顶拔出钢板桩。总工期3个月。3 99水中墩钢板桩围堰设计施工3.1 设计概述通过综合相关水文资料和实地调查，拟定 6月中旬最高施工水位+38.80m，洪水水头13.9m。该围堰水头高、入土深，选用SKAP-型拉森桩(日标)，截面刚度大，小锁口，止水能力强。设计桩长21m。（实际施工中，底部卵石土地层浅于地勘报告，核算后减小了嵌固深度，采用18m桩长，桩底高程+21.6m）采用16.8m13.6m矩形围堰，因上游侧距钢栈桥仅1.5m，扣除振动锤作业空间后板桩距承台边沿0.7m，其余三边各留1.5m的作业空间。共设6层围囹，底层位于承台内，顶层距围堰顶1.6m，层间间距2m。第一三层围囹为角隅支撑型，第四六层为格构式（井字形）。围囹分别采用HN588300 、HN700300型钢，斜撑和内撑采用426mm800mm螺旋焊接钢管。图2： 钢板桩围堰立面结构示意图。 图3 钢板

4、桩围堰平面结构示意图3.2 围堰计算概述（1）、板桩嵌固点计算： =1.93m（见港口工程桩基规范附录C）嵌固深度： （）取= 4.5m（2）主动土压力及静水压力计算，考虑水位为+38.80m，土层顶标高+34.50m，土层参数取加权平均后（水位以下）：=409kpa（3）、被动土压力计算考虑围堰内水位为+25.10m，土层顶标高+25.10m，土层参数取加权平均后（水位以下）： =294kpa（4）工况设定工况一：抽水至+37.00m标高位置，第二层围囹未安装；工况二：抽水至+34.00m标高位置，第三层围囹未安装；工况三：吸泥至+31.50m标高位置，第四层围囹未安装；工况四：吸泥至+29.00m标高位置，第五层围囹未安装；工况五：吸泥至+27.00m标高位置，第六层围囹未安装；工况六：吸泥至+25.10m标高位置，所有围囹安装完成；（5）、钢板桩、内支撑设计及受力验算：a、边界条件：钢板桩在嵌固点固接，围囹支撑处铰接。计算考虑1m长度的钢板桩。依照公路桥涵钢结构及木结构设计规范，临时工程Q235-B钢材的容许应力：弯应力、综合应力剪应力。计算结果如下：工况支座反力(kN)最大位移

5、(mm)钢板桩应力(MPa)136kN1152298kN4363184kN4484360kN91005563kN81186761kN9152b、示例一：第四、五层围囹结构验算用ANSYS软件建立计算模型，分析后发现，在工况五时，围囹从上至下的第四、五层结构应力最大，围囹的最大荷载为563kN/m。 图-4 第四、五层结构计算模型及应力计算结果c、示例二：第五层围囹630mm8mm支撑稳定性验算最大轴应力150MPa，最大弯应力3MPa。最大轴力N=2349kN 计算长度 lo=l=4m，属于b类截面；查表得: =0.973，=158MPa=188MPa,稳定性满足设计要求。x截面塑性发展系数，取1.0 ； NEX欧拉临界力mx等效弯矩系数，取1.0d、抗浮及围堰坑底涌砂等检算略。 3.3 总体施工流程因内撑多达6层，围囹安拆、堰内开挖和墩台分层的交错施工，是本围堰工况设计的首要问题。总体施工流程（钻孔桩、围堰、承台、墩柱）如下：施工准备水中筑岛桩位放样旋挖钻就位钢护筒埋设钻孔完成下钢筋笼灌筑围堰施工准备测量定位导向框施工（钢板桩内支撑1）打钢板桩钢板桩内支撑2水下开挖浇筑水下封底混凝土

6、逐层抽水、焊接第三六层内撑清基堵漏破桩桩检浇筑第一层承台砼2m第一次回填（中粗砂），拆除第六层内撑浇筑第二层承台砼1.5m第二次回填，拆除第五层内撑，安装连续梁临时墩浇筑第一段10m墩身砼第三次回填，拆除第四层内撑浇筑第二段10.5m墩身砼焊接临时墩附墙支撑浇筑临时墩砼（按水下砼工艺）逐层充水、拆除第一三层内撑拔桩、撤场。3.4 单层超深钢板桩打入施工要点采用履-50吊车、DZ90振动锤、配250kW发电机。3.4.1 定位桩及内外导向框6308mm定位桩8根，内侧4根均打入封底混凝土以下，作为围堰抽水时的抗浮连通管。上层内导向框利用第一层围囹，下层内外导向框设置在定位桩露出水（地）面50cm处，架设在定位桩的钢牛腿上。实际施工时，两层导向框间距加大至4m，有效地保证了超深板桩的入土顺直度。3.4.2 插打与合拢施工钢板桩打入总体施工流程打桩前先在上下导向框上均分钢板并划线定位。从河西（宜昌）侧围堰中心开始插打，在河下游（短边）合拢。首桩以导梁为定位，反复校正打设位置和方向，以起到样板的作用。每进尺3m测量校正1次，确保垂直度。首桩插打到设计标高后，即用加劲板与导梁焊接牢固。图5 钢板

7、桩插打及合拢总体施工流程示意图逐片起吊各片钢板桩，人工扶持插入前一片钢板桩锁口，然后用振动锤振动贴紧导梁下沉。插打一片或几片后，将已插好的钢板桩点焊固定于导梁上。整个施工过程中，要用锤球始终控制每片桩的垂直度，发现倾斜，及时调整。调整工具有千斤顶、木楔、导链等。插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。合龙段，到剩下最后一部分时，先插后打，若合拢有误，用倒链或滑车组对拉合拢，对拉时不要过猛，以防止合拢段缝隙过大。合拢后，再逐根打到设计深度。钢板桩合龙通过精确计算，确定龙口位置，可采用配桩法合龙。配置相应规格的异形钢板桩，现场实测异形钢板桩的角度和尺寸，根据实际切割焊接异形钢板桩，以确保整个围堰的密封性。本项目插打校正准确，未使用异型合拢桩。其他尽可能的使桩保持竖直，严防超深状态下，锁扣撕裂，确保锁口能顺利咬合，提高止水能力。板桩沉至设计高度前40cm时，停止振动，振动锤会因惯性继续转动一定时间，打桩至设计高度。在打完钢板桩后，开始进行钢板桩围堰内的止水处理。钢板桩打入之前需在锁口内涂以黄油、锯末等混合物。当锁口不紧密漏水时，用棉絮等在内侧嵌塞，外侧包裹一层防水彩条布

8、，起到防水和减小水压力的双重效果。钢板桩施打过程中应设置观测点和仪器跟踪，避免围堰偏位，尤其超深板桩的偏位累积很难校正。施工中曾有多片拔出重打。4 99水中墩超深覆盖层开挖与封底混凝土施工4.1 堰内开挖施工覆盖层以粉质粘土、砂层为主，挖深达9.4m。原设计为水下开挖，成本偏高，效果较差。河道中的钢板桩整体性较好，若做好预案，即使发生管涌型渗透破坏，也不会对结构造成不利影响，遂按水位变动，灵活采用干处和水下开挖相结合的方案。第一阶段：第13层围囹采用角撑式布置，可采用小反铲明挖，开元KY60-7型配自制2m3吊土斗两个，50t履带吊及1台16t汽车吊出土。因卸土较快，台班开挖能力150 m3，总开挖方量1200m3，有效作业时间约70h。第二阶段：第46层围囹采用格构式，空间狭窄，且部分桩头超高达3m，反铲开挖困难。因此改用采用射水吸泥，总挖深4.1m。2台水泵高压射水，2台100m3/h 泥浆泵吸泥。参考有关文献及以往施工经验，类似开挖时平均排浆浓度约15%20%，本项目按最低值15%预计，则每小时有效开挖能力约30m3，总开挖方量936m3，理论有效作业时间32h。施工中试验了增设

9、泥浆罩的措施，进一步提高了吸浆浓度。当吸泥过低出现涌砂迹象时，立即停止围堰内干施工吸泥，并向围堰内补水至适当高度，再进行水下射水吸泥，最后吸泥到设计标高-24.9m 。开挖后即派专人探测基底高程，做好各处的测深记录，用碎石补填整平到设计标高。该方案有效开挖时间102小时（4.5天），36层围囹安装时间各约12h，合计约6.5天。顺利实现了工期要求。4.2 抽水堵漏与围囹安装的结合施工止水堵漏抽水时同时在外侧水中漏缝处撒大量木屑或谷糠和炉渣的混合物，由水夹带至漏水处自行堵塞，在桩脚漏水处，采用了局部砼封底措施。漏水严重堵漏困难时，在钢板桩外侧补打木桩围堰，木桩围堰内侧铺设彩条布，在彩条布与钢板桩围堰间填筑粘土进行封堵。围囹内撑开挖时尽量保持泥面均匀下降。挖到每层支撑面以下lm 后，及时安装围囹和内撑，以确保围堰及人员设备安全。各层围囹在堰内接长拼成整根围囹，以12512510角钢短牛腿作为临时支撑，待各层安装并连接就位后，再与钢板桩焊接牢固。4.3 封底混凝土浇注若采用水下混凝土封底，需制作大型钢平台，投入大量导管。因开挖完成后河道水位降至33m左右，机遇难得，迅速抽干围堰，改用干处浇筑封底混凝土的方案。浇筑前对板桩内壁及桩基泥皮快速清理，并用高压水冲洗干净。采用C30混凝土，厚度1.0m，浇筑时底部出现2处较明显管涌，在加强排水和采取掺配速凝剂的混凝土压制后，加快天泵入仓速度。顺利完成了封底混凝土浇筑。钢板桩支护止水完成后，利用四角预留的集水坑

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