超长钢板桩围堰的施工技术2010-9-20.doc

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 N1～N4#、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 承 台 ＋ 10.5＋－ 50.平 面 图图 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 8～10m 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 1865～2004 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 16.89m1.4 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＋ 0.78 泥 面 标 高平 面 图＋ 1.5 泥 面 标 高＋ 4.5＋ 0承 台 顶 标 高承 台 ＋ 19.0-5.0＋ 1.0＋ 8.5＋ 16.0＋ 75施 工 时 抽 水 水 位＋ 14.0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 210.1MPa<252MPa（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 H700×300mm 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加 劲 钢 板异 形 钢 板 桩图 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。