淺灘河槽中橋梁基礎(chǔ)筑島鋼板樁圍堰施工技術(shù)應(yīng)用

羅溪溪

（中交一公局第七工程有限公司，河南 鄭州 451450）

0 引言

橋梁基礎(chǔ)多數(shù)位于水中或深切峽谷中，水中基礎(chǔ)作業(yè)均需在干施工環(huán)境下進(jìn)行，通常采用圍堰的方式進(jìn)行施工，如筑島土石圍堰、鋼板樁圍堰、鋼結(jié)構(gòu)圍堰等工藝最為常用。筑島圍堰具有施工快、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)，鋼板樁圍堰施工方法具有強(qiáng)度高、施工方便、止水效果好等特點(diǎn)[1-2]。本文依托工程實(shí)例，結(jié)合項(xiàng)目所處環(huán)境，將常規(guī)圍堰工藝進(jìn)行組合，并對(duì)組合工藝的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

古宋河大橋中心樁號(hào)為K6+771.5，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用20m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，全橋跨徑組成為4×20m+4×20m，分兩聯(lián)。橋梁下部采用柱式墩、柱式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計(jì)。橋墩墩柱直徑為120cm，樁基直徑為150cm。橋梁全長(zhǎng)166.04m，橋?qū)?×17.5m。

橋址處于豫東黃河沖洪積平原區(qū)地帶，地貌相對(duì)簡(jiǎn)單。地層結(jié)構(gòu)基本為“上細(xì)下粗的兩元結(jié)構(gòu)”，均為第四系全新統(tǒng)黃河沖積層。上部地層工程性質(zhì)一般，下部地層工程性質(zhì)較好，場(chǎng)地工程地質(zhì)條件中等。場(chǎng)區(qū)地下水為淺層潛水，水位埋深一般在3～6m之間，水量較豐富，屬中等富水區(qū)。

路線在K6+771.5處跨越古宋河，與河道夾角120°，沿路線方向河口寬度達(dá)150m，最大水深約4.5m，擬建8～20.0m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋位鉆孔在鉆探深度范圍內(nèi)，自上而下可劃分為9個(gè)工程地質(zhì)單元層，依次為粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉土、黏土、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土和黏土層。

為了快速進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)施工，結(jié)合道路施工棄土特點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有資源，項(xiàng)目決定采用筑島土圍堰和鋼板樁圍堰相結(jié)合的方式進(jìn)行橋梁墩柱等下部結(jié)構(gòu)施工。

2 筑島與圍堰設(shè)計(jì)

2.1 筑島設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)筑島頂寬48m，邊坡1∶1，筑島頂面高出實(shí)測(cè)水面標(biāo)高1m，按5m水深、島高6m設(shè)計(jì)。筑島采用中間高兩側(cè)低的設(shè)計(jì)，利用筑島平臺(tái)兩側(cè)水溝用于排出下雨匯集在筑島平臺(tái)上的積水，筑島斷面見(jiàn)圖1。

圖1 古宋河橋筑島斷面圖

古宋河橋在小樁號(hào)側(cè)開(kāi)挖4m寬溝渠進(jìn)行導(dǎo)流，地面高程比實(shí)測(cè)水面高程低3.4m。古宋河5年一遇非汛期設(shè)計(jì)流量為7.08m3/s，水流力PWF為133.77kN/m，水流力對(duì)島產(chǎn)生的傾覆力矩MWF為490.49kN/m。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63—2007）、《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DLT 5395—2007）等規(guī)范，對(duì)圍堰土堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，計(jì)算斷面如圖2所示。

表1 圍堰土堤計(jì)算參數(shù)（第二列和第三列之間家兩道豎線隔開(kāi)）

圖2 圍堰土堤計(jì)算斷面

（1）圍堰土堤抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算按照式（1）計(jì)算：

式（1）中：k0為抗傾覆系數(shù)，安全允許值為1.3；W為施工荷載（kN）；b為作用寬度（m）；Ex和Ey為y方向的作用合力（kN）；h為土堤的高度（m）。

根據(jù)表1計(jì)算得：k0=283.14＞1.30，滿足要求。

（2）圍堰土堤抗整體滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算

整體抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算按式（2）計(jì)算：

式（2）中：kc為抗滑系數(shù)，安全允許值為1.3；μ為取值系數(shù)；Pi為沿滑動(dòng)面的抗滑力（kN）；Ti為沿滑動(dòng)面的下滑力（kN）。

根據(jù)表1計(jì)算得：kc=6.15＞1.30，滿足要求。

（3）圍堰壩基滲流計(jì)算

圍堰壩基滲流計(jì)算參式（3）計(jì)算：

式（3）中：q為每秒滲水量，安全允許值為0.6；k為透水層的滲透系數(shù)；hw2為水頭高度（m）；h0為壩基滲透土層高度（m）；L1為壩基底部寬度（m）。

根據(jù)表1計(jì)算得：q=0.025m3/s＜S=0.6m3/s，滿足要求。

2.2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

筑島完成后，采用鋼板樁圍堰進(jìn)行施工。古宋河橋?yàn)樽笥曳蛛x式，每個(gè)墩3根樁，采取左右幅一排6根樁一起進(jìn)行支護(hù)。古宋河水位標(biāo)高45.105（汛期水位46.5），其中最不利位置為7#墩，按照該墩位結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)計(jì)算。古宋河橋鋼板樁圍堰的平面尺寸為3.5m×35.5m。圍堰采用9m拉森IV鋼板樁，圍檁為350×350×12×19（mm）H型鋼，橫撐為φ377×7mm鋼管。參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 50017—2003）、《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JT S152—2012）、《基坑工程手冊(cè)》等規(guī)范，對(duì)鋼板樁、圍檁和橫撐等結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表2，均滿足要求。

表2 鋼板樁圍堰計(jì)算結(jié)果

3 筑島與圍堰施工

3.1 筑島施工

筑島施工的關(guān)鍵工序是溝渠導(dǎo)流和筑島。

3.1.1 導(dǎo)流渠

導(dǎo)流溝渠進(jìn)出水口設(shè)置在上下游筑島平臺(tái)兩側(cè)。在導(dǎo)流溝渠兩頭靠近河岸處設(shè)置導(dǎo)流閥。導(dǎo)流閥設(shè)計(jì)為預(yù)留3～4m導(dǎo)流溝渠段不進(jìn)行開(kāi)挖，預(yù)留的原狀土體作為導(dǎo)流閥，最后挖除實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流。導(dǎo)流溝渠由中間向兩頭開(kāi)挖，開(kāi)挖土方可用于圍堰填筑施工。中間段導(dǎo)流溝渠開(kāi)挖完成后，對(duì)溝底和邊坡進(jìn)行修整夯實(shí)，需過(guò)便道位置，培土埋設(shè)直徑1.5m混凝土管涵。過(guò)導(dǎo)流溝渠涵管便道修筑完成后，將導(dǎo)流閥挖除，實(shí)施導(dǎo)流，即先挖除下游導(dǎo)流閥，再挖除上游導(dǎo)流閥[3]。

3.1.2 筑島施工

筑島平臺(tái)在開(kāi)挖導(dǎo)流溝渠時(shí)可利用開(kāi)挖溝渠土方填筑至半幅，在導(dǎo)流溝渠導(dǎo)流實(shí)施后，可填筑至全幅寬截流。筑島平臺(tái)采取進(jìn)占方式進(jìn)行填筑，填筑頂面高程控制高于水面1m，坡度按1:1控制。在平臺(tái)兩側(cè)隨填隨打設(shè)一排木樁，木樁間距為0.5m，在河道水深處無(wú)法打設(shè)木樁時(shí)，采用填筑磚渣和沙袋裝土的方式填筑，磚渣及沙袋填筑寬度為6m。在筑島平臺(tái)修筑完成后，在便道下方打設(shè)2排間距為0.5m的松木樁，作為便道加固以便重型車輛通行。

3.2 鋼板樁圍堰施工

鋼板樁作為基礎(chǔ)施工干環(huán)境轉(zhuǎn)換的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵施工工序?yàn)殇摪鍢恫宕?、圍檁及支撐安裝、開(kāi)挖和鋼板樁拆除等。

3.2.1 鋼板樁插打

對(duì)每排樁基中心點(diǎn)進(jìn)行放樣。對(duì)樁基中心點(diǎn)拉線形成軸線，再平行軸線兩側(cè)各偏離1.75m進(jìn)行拉線撒白灰標(biāo)出鋼板樁插打位置線，再兩端垂直軸線，從最外側(cè)樁基建筑邊線偏離出去1.18m標(biāo)出兩端鋼板樁插打位置線。通過(guò)放樣撒白灰線標(biāo)示出鋼板樁插打輪廓線。采用鋼板樁打拔機(jī)械手施打，采用20工字鋼焊接導(dǎo)向圈進(jìn)行輔助鋼板樁插打，確保線形順直，在鋼板樁圍堰4個(gè)角使用角樁，從一端沿合龍方向施打，確保圍堰尺寸與鋼板樁模數(shù)相匹配以及轉(zhuǎn)角位置的密封性。鋼板樁采用屏風(fēng)式插打方法。

3.2.2 圍檁及橫撐安裝

基坑淺挖完成后，進(jìn)行圍檁及橫撐安裝。圍檁安裝高度為從鋼板樁頂往下50cm，在鋼板樁內(nèi)壁上焊接托架。在三角形鋼板托架與鋼板樁貼合面處，鋼板兩側(cè)與鋼板樁接觸位置進(jìn)行滿焊，然后將圍檁放置于托架上，采用鋼管進(jìn)行橫向支撐。在橫撐端頭頂部焊接2根20鋼筋擔(dān)于圍檁之間，2根鋼筋水平間距控制為14cm，正好保證鋼管與圍檁形心對(duì)中，確保鋼管橫撐安裝與圍檁相垂直。

3.2.3 開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度

采用長(zhǎng)臂挖機(jī)進(jìn)行基坑土方開(kāi)挖，每間隔5m在圍堰頂進(jìn)行高程量測(cè)，根據(jù)需開(kāi)挖至接樁低標(biāo)高計(jì)算開(kāi)挖深度。在圍檁及橫撐上可貼設(shè)反光貼標(biāo)識(shí)，以防機(jī)械臂碰撞。開(kāi)挖靠近鋼板樁土體時(shí)，不要碰撞鋼板樁。開(kāi)挖出的土體堆放在離基坑邊緣3m以外，堆放高度不得高于3m。

3.2.4 鋼板樁圍堰拆除

在墩柱混凝土澆筑完成且墩柱混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa后，開(kāi)始進(jìn)行鋼板樁圍堰拆除。鋼板樁圍堰拆除順序?yàn)椋号R邊防拆除→基坑回填→橫撐拆除→圍檁拆除→鋼板樁拔除。

待基坑內(nèi)人員、機(jī)械等全部撤離后，拆除臨邊防護(hù)，進(jìn)行基坑回填，橫撐拆除，將圍檁吊離。待圍檁及橫撐拆除完成后，進(jìn)行拔樁作業(yè)。

采用振動(dòng)打樁機(jī)進(jìn)行拔樁，即利用振動(dòng)錘產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)擾動(dòng)土質(zhì)，破壞鋼板樁周圍土的黏聚力以克服拔樁阻力，依靠附加起吊力的作用將樁拔除。拔樁時(shí)，可先用振動(dòng)錘振活板樁鎖口以減小土的黏附，然后邊振邊拔。及時(shí)回填拔樁后的土孔，當(dāng)把板樁拔至比基礎(chǔ)底板略高時(shí)暫停引拔，用振動(dòng)錘振動(dòng)幾分鐘，盡量讓土孔填實(shí)一部分。對(duì)引拔阻力較大的鋼板樁，采用間歇振動(dòng)的方法，每次振動(dòng)15min，連續(xù)振動(dòng)不超過(guò)1.5h。

4 方案實(shí)施效果

（1）采用筑島圍堰施工方案的實(shí)際造價(jià)為462.59萬(wàn)元，相對(duì)于常規(guī)的鋼便橋方案，節(jié)約了約130萬(wàn)元。同時(shí)筑島土方可以為后期綠化平臺(tái)及中分帶回填提供部分土源，實(shí)現(xiàn)土資源再利用，減少土資源開(kāi)采運(yùn)輸費(fèi)用，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，節(jié)省了施工成本。

（2）減少鋼便橋的投入，符合國(guó)家“碳達(dá)峰”“碳中和”的宏觀政策。同時(shí)，筑島圍堰采用土方，有利于環(huán)保。土方在拆除后可以用來(lái)填筑綠化平臺(tái)，節(jié)約了費(fèi)用，減少了土方運(yùn)輸過(guò)程中的安全環(huán)保問(wèn)題，減少了交通疏導(dǎo)和道路環(huán)保管理投入。

（3）北方平原地區(qū)無(wú)深山峽谷地帶，河流水系發(fā)達(dá)。筑島圍堰與鋼板樁圍堰相結(jié)合的方案能夠快速將水上作業(yè)轉(zhuǎn)為陸上作業(yè)環(huán)境，非常適用于北方平原地區(qū)施工。

（4）通過(guò)本項(xiàng)目淺水河道橋梁施工實(shí)例，針對(duì)筑島圍堰和鋼板樁圍堰相結(jié)合的施工過(guò)程分析可以看出，筑島圍堰和鋼板樁圍堰相結(jié)合的施工方法可以保證鋼板樁圍堰的減少不受水流力的沖擊，沒(méi)有河道漂浮物撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，筑島平臺(tái)方便機(jī)械設(shè)備施工作業(yè)，可有效減少水上作業(yè)難度，增加施工安全保障。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目采用筑島式鋼板樁圍堰施工技術(shù)較好地完成了位于淺灘河槽的水中橋梁基礎(chǔ)施工，將填土筑島與鋼板樁圍堰相結(jié)合克服了淺灘河床無(wú)通航船只配合的施工難題，同時(shí)減少了施工成本投入，縮短了工期，可為北方平原地區(qū)類似橋墩施工提供借鑒。