鋼板樁圍堰施工工藝在橋梁工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

張基成

（徐州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 徐州 221000）

1 工程概況

某橋梁總長度設(shè)計(jì)為467.30m，跨越江寬175m，橋梁流域的深度為5.5～6.5m，橋下水流速較慢，橋梁區(qū)域內(nèi)每年4～9月份降雨量較大，屬于汛期，水位波動(dòng)會對橋梁的7～10 號橋墩施工造成影響。橋梁跨越的流域?qū)儆冖黾壓降?，該流域的通航水位設(shè)計(jì)為27.31m，通航的凈高度設(shè)計(jì)為6.0m，凈寬設(shè)計(jì)為2×46m。河床部位的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為砂礫石層、圓礫土、卵石土、風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖石、弱風(fēng)化巖石、弱風(fēng)化角巖。2009 年，某地質(zhì)勘查單位對該橋梁區(qū)域內(nèi)的河床部位進(jìn)行了勘查，勘查范圍為橋梁軸線兩側(cè)以外20m。

鋼板樁圍堰屬于應(yīng)用較為廣泛的板樁圍堰之一，不僅具備強(qiáng)度高、優(yōu)良的防水性能等優(yōu)勢，而且可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要組成不同外形的圍堰，并且能夠多次重復(fù)使用。將其與鋼圍堰進(jìn)行比較，具備縮短工期、降低施工難度、經(jīng)濟(jì)效益良好的優(yōu)勢，在橋梁工程中廣泛使用在沉井圍堰，管柱基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、明挖基礎(chǔ)的圍堰等項(xiàng)目中。

2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

2.1 圍堰設(shè)計(jì)

結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙來看，圍堰的幾何尺寸設(shè)計(jì)為：橫橋方向15.5m，順橋方向12m，其中10 號橋墩部位10.8m，鋼板樁圍堰與承臺外緣之間的距離為1.2m。

該項(xiàng)目中適用的鋼板樁是拉森Ⅳ型鋼板樁，長度為16m。鋼板樁頂部高程為+22.67m，鋼板樁的屈服強(qiáng)度為215MPa。

2.2 鋼板樁圍堰計(jì)算

在設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰的支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，流域水位確定為+22.67m，鋼板樁圍堰的計(jì)算參數(shù)參照表1。

表1 鋼圍堰計(jì)算參數(shù)

鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性可以使用抗傾覆計(jì)算式確定：

式（1）中：G為鋼板樁重量，包含內(nèi)支撐+封底混凝土自重+樁基總重量（kN）；F為河水向上的浮力（kN）。

Ks=1.285＞1.2，滿足抗傾覆安全要求。

3 鋼板樁圍堰施工技術(shù)要點(diǎn)

通常，在水中基礎(chǔ)的鋼板樁圍堰施工中，一般用“圍囹”作為鋼板樁的導(dǎo)向和支承結(jié)構(gòu)。82#墩如若采用圍囹方案，不僅其結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，而且還需用大量錨碇設(shè)備和工程船舶（如圍囹拼裝船、導(dǎo)向船、定位船等），很不經(jīng)濟(jì)。該墩靠近岸邊（其中心至河南岸河堤約100m），施工水深一般只有6～7m，最深時(shí)約10m，覆蓋層厚度一般為6～8m。項(xiàng)目土質(zhì)為淤泥砂質(zhì)黏土，這對于打入樁施工是很方便的，因此改用鋼樁平臺代替了“圍囹”。鋼樁系由2-[20 或2-[22 組成箱形合槽，長度約15.0m，入土深度5～6m。為提高其單位樁承載力，特在距樁尖約5m 處的樁身上，加焊了用槽鋼構(gòu)成的水平橫擔(dān)，以增大樁身在土中的承載面積。鋼樁間距一般為2.0m（φ3.0m 鉆孔樁范圍內(nèi)約4.0m），鋼樁之間用型鋼焊聯(lián)成整體，使之形成一個(gè)樁基平臺，其頂面為鉆孔樁施工平臺，四周則設(shè)置了2 層由I36 組成的上、下內(nèi)導(dǎo)環(huán)。實(shí)踐證明，這一方案在特定條件下是經(jīng)濟(jì)合理的。

3.1 鋼板樁整修和接長

鋼板樁進(jìn)入施工現(xiàn)場以后，對鋼板樁表面進(jìn)行平整處理，具體將鋼板樁表面的銹跡清理干凈，并清除表面的雜物，確保鋼板樁足夠順直，鎖口部位連接牢固。因鋼板樁的分節(jié)長度無法達(dá)到實(shí)際施工的需求，所以在施工現(xiàn)場對鋼板樁進(jìn)行接長處理，保證焊接部位足夠牢固。妥善保管接長后的鋼板樁，便于后期施工使用。

3.2 鉆孔平臺拆除和圍檁導(dǎo)向架安裝

當(dāng)樁基礎(chǔ)施工完成后，則可以拆除貝雷梁與鋼主梁，沿著鋼護(hù)筒的外沿依次安裝導(dǎo)向架，將導(dǎo)向架作為吊裝內(nèi)支撐、圍檁的限位裝置。導(dǎo)向架與圍檁底部設(shè)置牛腿，以此支撐底部的圍檁。

在開展沉樁作業(yè)時(shí)需設(shè)置導(dǎo)向架，其具體由導(dǎo)向樁和導(dǎo)梁構(gòu)成，以此保證沉樁垂直度與施打板樁墻面平整度滿足規(guī)范。鋼板樁導(dǎo)向架位置的精準(zhǔn)性會對沉樁的質(zhì)量造成顯著影響，導(dǎo)向架的強(qiáng)度與剛度也要符合設(shè)計(jì)要求，在設(shè)置導(dǎo)向架的過程中必須重視以下幾點(diǎn)：①使用全站儀、水平儀控制導(dǎo)向梁的位置；②導(dǎo)向梁的高度必須具備合理性，以此提升沉樁作業(yè)的效率；③導(dǎo)向量必須保持筆直，且不得與鋼板樁發(fā)生碰撞。

3.3 圍檁內(nèi)支撐整體制作和起吊安裝

圍檁使用3HN700mm×300mm 型鋼加工制作而成，內(nèi)支撐采用1000mm×14mm 鋼管。底部及中間部位的圍檁頂部設(shè)置豎向鋼管，將其作為上層圍檁的支撐構(gòu)件。逐層安裝圍檁，并保證圍檁安裝位置精準(zhǔn)。

（1）鋼板樁打樁作業(yè)完成后測量圍堰的凈尺寸。結(jié)合測量的實(shí)際尺寸拼裝，加工制作斜支撐型鋼。在鋼板樁表面測量標(biāo)記圍檁的底部標(biāo)高，并焊接牛腿。

（2）及時(shí)安裝型鋼的內(nèi)支撐，開挖一部分、安裝一部分內(nèi)支撐。內(nèi)支撐安裝的過程中需保證鋼管內(nèi)支撐與圍檁交接點(diǎn)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求?？梢栽趦?nèi)支撐與圍檁交接部位設(shè)置20mm 厚的鋼墊板，發(fā)揮出調(diào)節(jié)受力作用。

3.4 插打鋼板樁

鋼板樁的插打方法會對圍堰的平整度、剛度造成影響。所以，鋼板樁插打時(shí)，必須合理選擇施工機(jī)械，同時(shí)保證插打方法的合理性。根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，適當(dāng)提高鋼板樁的防滲漏性能，待樁基礎(chǔ)施工完成，使用50t 吊機(jī)吊掛90kW 振動(dòng)錘進(jìn)行作業(yè)，拆除一部分作業(yè)平臺后則開始拆除一跨鉆樁平臺，施打一部分鋼板樁，直至合龍完畢。

考慮到施工成本以及工期的影響，在選擇插打方法時(shí)，優(yōu)先選擇使用單獨(dú)插打法，效率比較高。單獨(dú)插打過程中，應(yīng)著重把控鋼板樁插入的傾斜度。對此，應(yīng)提前測量放線出圍堰的軸線，然后安裝導(dǎo)向架。在使用90kW 振動(dòng)錘進(jìn)行插打作業(yè)之前，施工單位委派專人復(fù)核鋼板樁的尺寸，插打時(shí)鋼板樁不得出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。沉樁過程中注意控制標(biāo)高誤差，并避免發(fā)生溜樁等情況[1]。鋼板樁插打過程中不斷調(diào)整垂直度，保證垂直度偏差控制在2%以內(nèi)，否則換用其他機(jī)械設(shè)備施工。當(dāng)插打垂直度偏差比較大時(shí)，可能會出現(xiàn)累計(jì)誤差，導(dǎo)致施工難度進(jìn)一步增大，嚴(yán)重時(shí)可能需要返工，導(dǎo)致施工單位的成本增大，且延長工期。

3.5 體系轉(zhuǎn)換

鋼板樁插打結(jié)束后實(shí)施首次體系轉(zhuǎn)換作業(yè)，焊接加固鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐，并拆除臨時(shí)支撐牛腿，使用方木支撐圍檁、鋼板樁，確保圍檁受力均勻。

3.6 圍堰內(nèi)吸泥

（1）水下吸泥水位控制。封底混凝土表面以上的土層主要是黏性粉質(zhì)土、砂性土、粉砂，所以吸泥作業(yè)的難度不大。橋墩圍堰部位的河床底部標(biāo)高大致保持在-3.5～4.0m。當(dāng)?shù)谌纼?nèi)支撐安裝完成，安裝到位后確保圍堰內(nèi)外水位保持一致，再次進(jìn)行吸泥作業(yè)，吸泥至-6.0m 標(biāo)高部位，然后抽水并安裝第四道內(nèi)支撐。最簡易的施工方法是在鋼板樁上預(yù)留閥門孔來實(shí)現(xiàn)水體流動(dòng)的平衡，利用相關(guān)資料確定最低水位的標(biāo)高。

（2）墩位處封底混凝土底面以上的土層屬于砂、細(xì)砂層，具體通過吸泥機(jī)把圍堰內(nèi)側(cè)水位下降到封底混凝土表面標(biāo)高。在實(shí)施吸泥作業(yè)時(shí)，加強(qiáng)對鋼板樁、鋼護(hù)筒附近區(qū)域的補(bǔ)吸，若情況比較特殊，可以委派專業(yè)的潛水員下潛至鋼護(hù)筒部位進(jìn)行清理，確保水下混凝土的黏結(jié)力，避免出現(xiàn)管道滲漏現(xiàn)象。吸泥作業(yè)完成后，使用鋼絲繩測量高程，保證各控制點(diǎn)的高程不超過設(shè)計(jì)高程。

（3）吸泥后處置措施。如吸泥作業(yè)完成后圍堰底部仍然存在泥漿，可能會對混凝土與鋼板樁之間的密閉效果造成負(fù)面影響，所以需要通過人工進(jìn)一步清理。一般情況下，施工單位委派專業(yè)的潛水人員攜帶高壓水槍清理鋼板樁內(nèi)的淤泥、雜質(zhì)，并使用泥漿分離器將殘?jiān)斔椭聊酀{船上。

3.7 封底混凝土水下灌注

圍堰內(nèi)部區(qū)域吸泥作業(yè)完成后，使用鋼護(hù)筒澆筑作業(yè)平臺，并設(shè)置集料斗、導(dǎo)管。在安裝導(dǎo)管的過程中，兼顧水下混凝土的流動(dòng)半徑、鋼護(hù)筒與鋼板樁的邊角部位帶來的影響，結(jié)合實(shí)際情況，共設(shè)置23 個(gè)澆筑點(diǎn)，以保證澆筑面得到全面覆蓋。導(dǎo)管間距宜8m，導(dǎo)管底部出漿口距離泥面的距離為0.2～0.3m。由于圍堰內(nèi)的泥土表面凹凸不一，所以需要檢查每根導(dǎo)管的底口。第一批混凝土灌注結(jié)束后，導(dǎo)管埋設(shè)深度設(shè)計(jì)為1.3～1.6m。確保圍堰封底混凝土灌注一次成型。

封底混凝土施工過程中需要注意以下事項(xiàng)：

（1）導(dǎo)管水下澆筑混凝土的過程中，需要承受混凝土的自重以及拔管過程中的拉應(yīng)力，同時(shí)承受管壁與混凝土之間的摩擦力，加之管道自身的重量，所以導(dǎo)管必須具備足夠的強(qiáng)度。導(dǎo)管拼裝完成后進(jìn)行水密試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不得低于水壓的1.5 倍。導(dǎo)管使用法蘭盤螺栓進(jìn)行連接，并設(shè)置止水橡膠墊。

（2）該項(xiàng)目的圍堰尺寸較大，意味著封底混凝土的方量非常大，因此導(dǎo)管法澆筑混凝土?xí)r必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求展開作業(yè)，具體施工順序?yàn)椋貉刂鴿仓^(qū)域的四周緩慢向中間部位進(jìn)行澆筑，由低處向高處進(jìn)行澆筑。這種施工方式可以避免浮漿現(xiàn)象，同時(shí)保證導(dǎo)管底口不會進(jìn)水，提高混凝土澆筑的質(zhì)量[2]。

3.8 圍堰抽水、護(hù)筒割除、樁頭及墊層清理

封底混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求方可進(jìn)行圍堰內(nèi)部抽水施工。抽水過程中加大對內(nèi)支撐、鋼板樁、圍檁形變、應(yīng)力的觀測頻率。當(dāng)圍堰內(nèi)的水位下降后，圍堰的受力狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化，所以，應(yīng)不斷調(diào)整抽水的速度，以保證圍堰鎖口部位咬合[3]。

3.9 承臺施工

承臺施工可細(xì)分為兩次作業(yè)，首層承臺部位的鋼筋、模板施工完成后進(jìn)行二次體系轉(zhuǎn)換，把底層內(nèi)支撐轉(zhuǎn)移到首層承臺上，再拆除承臺范圍內(nèi)的底層內(nèi)支撐，完成后繼續(xù)開展第二次承臺施工。

3.10 第1節(jié)至第2節(jié)墩柱施工

承臺施工結(jié)束后開展第三次體系轉(zhuǎn)換施工，把頂層內(nèi)支撐轉(zhuǎn)移到第二層承臺上，再開展第1 節(jié)、第2 節(jié)墩柱施工。

3.11 鋼板樁圍堰拆除

當(dāng)橋墩施工完成且出水后，則開始拆除圍堰。圍堰內(nèi)的圍檁通過切割的方式拆除，吊運(yùn)至指定部位，回水水位應(yīng)與圍堰外側(cè)的水位保持一致，然后逐根拔出鋼板樁并整齊堆放。承臺施工完成后將臨時(shí)設(shè)施全部拆除，承臺驗(yàn)收后開始向基坑內(nèi)回填砂土至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再安裝上部結(jié)構(gòu)支架，支架安裝完成后拆除圍檁。基坑回填之前，在鋼板樁內(nèi)側(cè)涂刷機(jī)油，降低鋼板樁拔出過程中的摩擦阻力。在拔出鋼板樁的過程中，使用振動(dòng)錘夾住鋼板樁的端部振動(dòng)1～2min，促使周圍的土體松動(dòng)，降低周圍土體對鋼板樁的摩擦力，接著緩慢拔出鋼板樁。此外，密切觀測振動(dòng)錘的負(fù)荷狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)拔樁難度較大，立即暫停，采取有效措施處理，難度降低后繼續(xù)拔樁作業(yè)。

4 施工質(zhì)量控制措施

為了保證施工整體質(zhì)量，必須做好以下幾項(xiàng)控制措施：

（1）鋼板樁拼接過程中，兩端需使用夾具進(jìn)行加固和焊接，確保鋼板樁兩端的端頭間距不超過3mm，斷面錯(cuò)位控制在2mm 以內(nèi)。若使用的是新鋼板樁，則需要出具合格證，并測量鋼板樁的尺寸，檢查其是否符合設(shè)計(jì)要求。

（2）拼裝的鋼板樁兩端保證對齊，誤差控制在3mm 內(nèi)，鋼板樁自上而下保持一致，整體誤差控制在30mm 內(nèi)，所有鎖口部位均需涂刷防水材料，保證鎖口部位足夠密實(shí)。

（3）為確保插樁順利，保證樁身處于垂直狀態(tài)，且圍堰附近的鋼板數(shù)量滿足實(shí)際需求，第一組鋼板樁加固在導(dǎo)向鋼管樁上，沿著導(dǎo)向鋼管樁向下插打，由于上下組的鋼板樁寬度并非完全一致，所以鎖口之間的間隙可能會存在一定差異，樁身部位也可能會出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)樁身傾斜立即進(jìn)行調(diào)整，確保鋼板樁順著圍堰垂直方向的傾斜度控制在5%內(nèi)。

（4）鋼板樁插打過程中，需在鋼板樁的頂部安裝樁帽，保證鋼板樁頂部不會損壞。合理控制錘擊力度，避免樁尖彎曲，導(dǎo)致拔樁的難度增大。應(yīng)用振動(dòng)沉樁方式開展施工，沉樁時(shí)，需確保振動(dòng)錘、夾具、鋼板樁一直處于同一垂直線上，以此減少鋼板樁的偏移誤差。通過振動(dòng)錘夾緊鋼板樁慢慢吊起，使得鎖口插入在相鄰鋼板樁的鎖口內(nèi)，等鋼板樁穩(wěn)定后方可進(jìn)行下沉作業(yè)。

以下沉2～3m 為間隔，關(guān)注和檢查鋼板樁的垂直度，如果存在偏差需要及時(shí)調(diào)整。插打作業(yè)遵循“插樁正直，分散即糾，調(diào)整合龍”的原則進(jìn)行。導(dǎo)向樁安裝必須牢固，鋼板樁插打過程中保證平面位置的精準(zhǔn)性。初打時(shí)，采用慢打下沉的方式，這個(gè)過程中始終保證鋼板樁的垂直度。此外，為保證鋼板樁插打過程中鋼板樁自身不會損壞，鋼板樁自身需具備足夠的強(qiáng)度與剛度。如沉樁時(shí)下沉速度突然變慢，此時(shí)應(yīng)該暫停作業(yè)，提起鋼板樁約0.6～1.0m后重新快速下沉。

5 結(jié)語

在橋梁深水基礎(chǔ)施工中采用鋼板樁圍堰技術(shù)可以取得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，之后相關(guān)人員應(yīng)對其在水位更深、流速更大施工情況下的可行性進(jìn)行研究。鋼板樁圍堰施工是橋梁承臺施工過程中使用較為頻繁的一種施工方法，在實(shí)際施工過程中，圍堰內(nèi)支撐設(shè)置完成后，可以使用吊架下放、內(nèi)支撐后制作兩種方式。內(nèi)支撐后制作施工方式相對更為簡單，可以縮短施工工期，但是存在一定的安全隱患，需要采取有效的防護(hù)措施以保證施工順利展開。在本項(xiàng)目中，該方案得到了順利的實(shí)施，對以后同類項(xiàng)目的施工具有參考價(jià)值。