水中基坑單壁鋼板樁圍堰設計與施工

車亞紅

1 工程概況

某雙幅四線鐵路橋，上部結構為2×24 m+8×32 m后張法預應力混凝土T梁，下部為圓端形實體橋墩，鉆孔灌注樁及承臺基礎。本橋跨渭河，河內(nèi)常年有水且水流較急，水深為1.3 m～2.0 m，本橋4號～8號墩均位于水中，施工中須采取措施保證水中墩基礎施工質量。

2 基礎施工方案選擇

本橋6號墩位于河道中央，若采用草袋圍堰施工，則堰體較長，對河道壓縮較嚴重，墩位處水位抬升較大，基坑開挖方量大，支護結構復雜，且開挖后基坑內(nèi)滲水量較大影響基礎施工質量;考慮到鋼板樁圍堰施工周期短，止水效果好，打拔容易，與內(nèi)部支撐結合后整體剛度大，入土深度滿足要求后無需封底等優(yōu)點，進行技術、經(jīng)濟比較后，決定采用單壁鋼板樁圍堰來施工位于河道中央的6號墩基礎。為保證施工時堰體結構穩(wěn)定與基礎施工質量，在施工前對鋼板樁圍堰進行了設計計算。

本工程鋼板樁圍堰采用德國Larsson-Ⅳ型，寬度40 cm，厚度17 cm，長16 m，重量75 kg/m，截面模量W=2037 cm3，容許應力[σ]=180 MPa。采用單支撐結構，支撐設于距板樁頂0.5 m處，內(nèi)支撐環(huán)梁采用HPH400×400型鋼，斜撐采用槽鋼組合截面壓桿。鋼板樁樁頂標高高于施工中可能出現(xiàn)的最高水位0.5 m，環(huán)向支撐設于樁頂以下0.5 m處。

6號墩處河床地質分布主要為亞砂土、粉砂、軟粘土和粘土，硬塑粘土埋藏較深，給鋼板樁入土部分的受力及計算帶來了一定問題和困難。考慮到施工中水位可能上漲，為保證安全，以施工中可能出現(xiàn)的最高水位(水深2.5 m)進行計算。6號墩處的地質資料及計算簡圖見圖1。

圖1 6號墩處地質資料及鋼板樁計算簡圖

3 鋼板樁圍堰設計計算

鋼板樁圍堰設計計算的內(nèi)容主要包括鋼樁板所受土壓力及入土深度的計算，樁板及支撐強度采用等值梁法進行計算，取1 m寬板樁進行計算，確定樁板的入土深度，以此來確定樁板的長度，并驗算樁板強度。

1)土壓力計算。由于河床由層狀土組成，為簡化計算，土的容重γ、土的內(nèi)摩擦角φ、主動土壓力系數(shù)Ka與被動土壓力系數(shù)Kp值均按各層土的加權平均值進行計算。根據(jù)以往施工經(jīng)驗先粗略估計鋼板樁入土深度，取河床以下14.0 m范圍內(nèi)土層進行加權平均計算。計算得:

考慮墻土間摩擦力作用，將板樁的被動土壓力乘以修正系數(shù)(為安全起見，主動土壓力則不折減)，查表1得被動土壓力修正系數(shù)見表1。

表1 鋼板樁的被動土壓力修正系數(shù)表

查表并進行內(nèi)插計算得被動土壓力修正系數(shù)為K=1.533，KKp=1.533×2.462=3.774。

基底處樁板后的主動土壓力:

2)土壓力零點位置計算。設土壓力零點位于距基底以下y的O點，則:

3)支撐反力計算。由土壓力零點位置O近似代替反彎點。由∑MO=0有:

得 Ra=134.77 kN/m。

由∑H=0有:

P0+134.77=(76.00/2)×(8.2+1.22)，得 P0=223.19 kN/m。

4)樁板入土深度計算。最小入土深度:

入土深度取 t=1.2t0=1.2×5.9=7.1 m。

選用16 m長樁，實際入土深度為7.3 m。

5)板樁截面驗算。求鋼板樁所受最大彎矩。

先求剪力Q=0的位置，再求該點Mmax，設剪力為零的位置距環(huán)向支撐的距離為h1，則由∑Q=0有:

得h1=5.39 m(距環(huán)向支撐)。

則Mmax=134.77×5.39－76.00×5.393/(6×8.2)=484.52 kN·m。

因為用等值梁法計算板樁是偏于安全的，實際計算時將最大彎矩予以折減，折減系數(shù)取為0.74，則板樁所需截面模量W=0.74×484.52×1000/(180×106)=1992×106m3=1992 cm3。

德國拉森Ⅳ型鋼板樁斷面模量W=2037 cm3＞1992 cm3，滿足。因板樁插入軟、硬塑性粘土較深(不透水層)，故不作基底抗涌砂穩(wěn)定驗算。

4 鋼板樁圍堰的施工

鋼板樁使用前須進行鎖口通過檢查和樁身缺陷、焊接檢查，并分類、編號堆放，不合格的嚴禁使用。單塊樁兩側鎖口在插打前均涂以黃油或熱的混合油膏(質量配合比為:黃油∶瀝青∶干鋸末∶干粘土=2∶2∶2∶1)，以減少插打時的摩阻力，并增加防滲性能。

4.1 鋼板樁的插打與合龍

1)導梁安裝:施打鋼板樁前先制作和安裝導梁，用以鋼板樁的導向，內(nèi)外導梁凈距離比鋼板樁墻厚度尺寸大8 mm～10 mm。導向梁用較大規(guī)格的槽鋼或其他型鋼制作，必須具有一定豎向和側向剛度，保證打樁時不變形，正確導向。導梁在岸邊組成，浮運到位以纜索錨碇，先打定位樁，再在定位樁上掛裝導梁。

2)鋼板樁插打:根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件和地質資料，采用浮吊懸掛振動錘插打鋼板樁。插打前先將浮吊準確定位拋錨，每根樁尤其是第一根樁打入時加強定位和雙向垂直度檢查控制，保證位置準確，垂直下沉。板樁插打順序:先插打圍堰迎水面的板樁，再由上游分兩頭向下游合龍，逐塊依次插打至設計深度。施工中隨時檢查樁身是否垂直，不符合要求時立即糾正或拔起重新施打。至下游合龍前預留5塊～7塊板樁寬度，利用這個區(qū)間作為調(diào)整合龍間距的伸縮余地，將這幾塊板樁先插合龍后，再逐塊打至設計深度。

3)支撐安裝:用HPH型鋼作為水平環(huán)撐，斜撐用雙槽鋼組合截面，與環(huán)梁連接處四周滿焊，建立圍堰支撐系統(tǒng)。斜撐端部采取有效措施對焊縫加強，防止剪切破壞。圍堰支撐在鋼板樁合龍后設置，并在基坑開挖時隨時檢查其穩(wěn)定性，必要時增加環(huán)向支撐數(shù)量。

4.2 基坑開挖

先將圍堰內(nèi)水抽到河床面后，采用高壓射水、吸泥的開挖工藝開挖河床土方，由中心向四周開挖，嚴禁超挖，在基底角部留置2個～4個集水坑，坑深視基底滲水量決定，并用水泵排水，確?；觾?nèi)不積水。在開挖和整個施工過程中注意對鋼板樁墻的位移、沉降進行觀測，若遇異常情況立即停止開挖及其他作業(yè)，通知坑內(nèi)人員迅速撤離，并采取回灌、加撐等措施處理，加固后方可繼續(xù)施工，以確保安全。基坑開挖完畢，抽干積水，整平基底土后，澆筑10 cm厚混凝土墊層。

4.3 支撐拆除及板樁拔除

在完成承臺和橋墩施工后，安裝墩旁托架、管樁等結構，然后拆除圍堰。拆除之前先抽干堰內(nèi)積水，用料斗裝沙回填圍堰樁墻與承臺之間空間，填砂頂面距承臺頂面40 cm，整平后灌注混凝土至承臺頂面，形成厚度40 cm的環(huán)梁支撐，灑水養(yǎng)護至設計強度后，拆除環(huán)撐，然后向堰內(nèi)回灌水使內(nèi)外水面一致再用浮吊和振動錘以先下游后上游再側面的順序逐個拔出鋼板樁。將拔出的鋼板樁清刷干凈、修補整理、涂刷防銹油后按板樁類型、長度分別編號、登記、堆放整齊待用。

4.4 施工時常見問題及預防處理措施

1)板樁插打時傾斜。

第一根鋼板樁起定位樁的作用，其打入位置及垂直度非常重要，吊起后將其下口適當插入導向梁內(nèi)，保證各個方向的垂直度和中心的定位準確，檢查無誤后將浮吊鎖死，卷揚機放到空擋讓板樁與振動錘靠自重自由下落豎直插入河床中2 m～3 m，然后振動達到設計標高。其余樁插打前在鎖口內(nèi)涂以潤滑油以減少鎖口的摩阻力，同時在未插套的鎖口下端打入鐵楔或硬木楔，防止沉入時泥砂堵塞鎖口。每根樁打入時須隨時糾偏，保證其豎直度，如傾斜嚴重，拔起重打。在防偏與糾偏均無效時，采用特制楔形樁合龍。

2)鋼板樁鎖口漏水。

鋼板樁由于插打不當或在壓力下變形，會使鎖口發(fā)生變形、脹縫等而出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，其補救措施是在漏水鎖口處的圍堰內(nèi)側用棉絮、麻絨等塞縫，同時可輔以外側水中拋撒鋸末、礦渣等堵漏。如水流較急，可在外圍包裹彩條布，在彩條布與板樁之間漏水位置撒下鋸末、粉煤灰、礦碴、粘土混合物等，隨水夾帶至滲漏部位實現(xiàn)堵漏，效果明顯。

3)合龍困難。

準確計算好堰體尺寸、樁的數(shù)量，并準確放樣、精心施工是順利合龍的保證。但實際施工中很難控制好，一般在合龍前預留5塊～7塊板寬度作為調(diào)整合龍間距的伸縮余地，大致量測合龍口各個深度位置的寬度，并分析合龍口寬度變化的趨勢，將一根整樁縱向一分為二，根據(jù)合龍口尺寸在中間加焊一條厚1 cm的角形鋼板，使其寬度方向可伸縮調(diào)整，形成一根合龍樁，將這幾塊樁先插合龍后再逐塊打至設計深度即可。

5 結語

本橋6號墩基礎采用鋼板樁圍堰施工取得了成功，基坑開挖后無需封底，基底干燥，施工周期短、止水效果好、打拔容易，保證了施工質量，取得了良好的經(jīng)濟效益。

[1]湯康民.巖土工程[M].武漢:武漢工業(yè)大學出版社，2001:78-86.

[2]溫利強，高順平.淺談鋼板樁圍堰的設計與施工[J].山西建筑，2010，36(2):129-130.