高等級(jí)河道中的低埋承臺(tái)施工工藝選擇*

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

1 工程概況

1.1 概述

昆山中環(huán)青陽(yáng)港大橋主橋分為南幅、北幅，其中北幅起止樁號(hào)FBK7+950.2～FBK8+814.0，南幅起止樁號(hào)FCK8+018.0～FCK8+822.0，主橋跨徑為54 m+90 m+54 m，總長(zhǎng)198 m，橋型為變截面的雙箱預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。由于主橋墩（FB13、FB14、FC11、FC12）位于青陽(yáng)港河內(nèi)，施工難度較大，選擇合適的施工工藝是本工程順利施工的關(guān)鍵。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)本次鉆探資料，結(jié)合各土層室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果，按土的成因、性質(zhì)和特征從上到下分為8 個(gè)主要工程地質(zhì)層，自上而下依次為：①填土，②1粉質(zhì)黏土，②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，③1黏土，③2粉土夾粉砂，⑥1粉質(zhì)黏土夾粉土，⑥2粉砂夾粉土，⑦1粉質(zhì)黏土與粉土，⑧1粉質(zhì)黏土，⑨粉砂，⑩粉細(xì)砂。

該施工范圍內(nèi)主要以砂土為主，在-18.02～-19.52 m就進(jìn)入粉土夾粉砂層，在-37.02～-41.72 m進(jìn)入粉砂夾粉土層，其下有1 層粉質(zhì)黏土與粉土互層，平均厚度約為12 m，其余均為砂層，地質(zhì)情況比較差。

1.3 水文情況

新建大橋與青陽(yáng)港相交80.05°，其中水中墩號(hào)為FB13、FB14、FC11、FC12，共4 座。承臺(tái)底標(biāo)高最低為-6 m，常水位為1.1 m，最高通航水位為2.717 m。根據(jù)航道單位提供的近幾年最高水位為2.15 m，常水位為1.1 m，最低通航水位為0.33 m。承臺(tái)尺寸為10 m×10 m×3 m，承臺(tái)位于水中施工。

2 圍堰施工工藝的選擇[1,2]

2.1 圍堰施工工藝分析

圍堰的類型及使用條件如表1所示。

通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件和水文情況的分析可以看出土石圍堰達(dá)不到施工的要求，本工程主橋墩位于青陽(yáng)港河道內(nèi)，承臺(tái)底標(biāo)高最低為-6 m，常水位為1.1 m，最高通航水位為2.717 m。因此本次施工適合考慮3 種備選方案。方案1：鋼套箱圍堰；方案2：?jiǎn)螌永摪鍢秶?；方?：雙層拉森鋼板樁圍堰。

鋼套箱圍堰施工周期短，施工安全，是一種很好的施工方法，但是不適合本工程的實(shí)施。原因如下：本工程施工河道內(nèi)（青陽(yáng)港）船運(yùn)頻繁，鋼套箱施工作業(yè)船需要合理的協(xié)調(diào)，需要協(xié)調(diào)的部門較多；河道內(nèi)的管線復(fù)雜，不利于沉箱施工；施工后封底混凝土用量大，鋼套箱不能全部取出，不利于循環(huán)使用。綜合上述考慮不適宜采用鋼套箱圍堰。

單層拉森鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式一般為矩形、圓形等結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部根據(jù)水位情況設(shè)置支撐，是一種比較傳統(tǒng)的深水基礎(chǔ)施工方法。施工技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，鋼板樁圍堰可多次重復(fù)使用。它是一種施工簡(jiǎn)單、快捷、成本較低的圍堰形式。但是，該圍堰也有很大的局限性：由于是組拼式結(jié)構(gòu)，整體剛度較小，因此其抗水流及沖刷能力差，不宜在流速較大的情況下使用；由于其本身強(qiáng)度、剛度的局限，在承臺(tái)較深時(shí)，需設(shè)置強(qiáng)而密的支撐，對(duì)后續(xù)的承臺(tái)及墩身施工干擾很大，不宜在水位較高的情況下使用；因?yàn)橐貜?fù)使用，不宜澆筑封底混凝土，因此，在既要滿足底部支撐力，又要滿足較小滲流的情況下，對(duì)河床提出了較高的要求，不宜在透水性強(qiáng)，承載力小的地層條件下使用。

本工程河道內(nèi)水流較急，河內(nèi)淤泥較深，防滲要求較高，對(duì)鋼板樁的強(qiáng)度、防滲要求高。單層拉森鋼板樁圍堰施工存在施工隱患，為確保施工安全，順利完成施工任務(wù)，綜合考慮采用18 m雙層拉森鋼板樁圍堰并搭設(shè)棧橋配合施工（圖1），以解決對(duì)施工航道的占用，棧橋也作為施工便道為后續(xù)樁基、承臺(tái)、立柱的施工提供作業(yè)條件。

2.2 本工程施工圍堰的選擇

本工程主墩圍堰采用18 m雙層Ⅳ型拉森鋼板樁，2 層鋼板樁間距為1.5 m，中間采用黏性土填充。支撐設(shè)置2 道，在承臺(tái)頂部以及底部各設(shè)置1 道，第1道圍檁的頂標(biāo)高取+2.3 m，第2道圍檁的頂標(biāo)高取-0.5 m，鋼板樁樁頂標(biāo)高取+2.8 m，板樁打入深度13～14 m（含淤泥層）。圍檁采用雙拼40#工字鋼，支撐鋼管采用φ609 mm。具體見(jiàn)圖2。

2.3 圍堰安全分析

2.3.1 基本分析

圍堰外常水位為+1.1 m，水深3～4 m，圍堰內(nèi)外水位差約為2.8 m。圍堰處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和泥土層中，其相對(duì)密度（平均）為18（19.8），黏聚力（快剪、平均）15.3 kPa（52.4 kPa）；內(nèi)摩擦角（快剪、平均）5.9°（15.5°）。計(jì)算采用PKPM軟件，將坑底以上的主動(dòng)土因素去除，模擬水中圍堰的實(shí)際情況。

2.3.2 最大彎矩

按挖土深8.80 m，支撐分別設(shè)置在標(biāo)高2.30 m、-0.50 m處。

圖1 棧橋、圍堰平面布置

圖2 承臺(tái)圍堰示意

最大正彎矩：Mumax=1.00×179.99=179.99 kN·m，發(fā)生在標(biāo)高-2.34 m處；

最大負(fù)彎矩：Mdmax=1.00×-35.36=-35.36 kN·m，發(fā)生在標(biāo)高-6.90 m處。

2.3.3 抗隆起、抗傾覆、抗?jié)B流驗(yàn)算

抗隆起安全系數(shù)為7.62，安全系數(shù)2.20，合格，基坑底最大隆起量 0.01 mm。

抗傾覆安全系數(shù)為11.30，安全系數(shù)1.26，合格。抗?jié)B流安全系數(shù)k=3.59，安全系數(shù)1.50，合格。

2.3.4 內(nèi)力及位移驗(yàn)算

全部工況下的最大內(nèi)力位移如下：（采用m法計(jì)算）

最大樁（墻）頂部位移為98.49 mm，最大樁（墻）位移為98.49 mm，最大正彎矩為114.30 kN·m；最大負(fù)彎矩為-254.00 kN·m；最大正剪力為95.00 kN；最大負(fù)剪力為-121.00 kN。

2.3.5 主要結(jié)論

1）圍堰圍護(hù)計(jì)算結(jié)果為：本次實(shí)施的基坑各項(xiàng)安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

2）根據(jù)內(nèi)力及位移驗(yàn)算支撐系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等都滿足規(guī)范要求。

3）根據(jù)整體驗(yàn)算，本圍堰采用拉森IV鋼板樁可行，在施工階段需要做好鋼板樁打設(shè)的垂直度控制、圍檁支撐的安裝和圍堰內(nèi)外水位差的控制。

3 主要施工技術(shù)要求和措施

3.1 棧橋施工

本工程青陽(yáng)港位于河中的承臺(tái)共4 座，施工承臺(tái)水深為2～3 m，為保證整個(gè)工程的施工，在便道與承臺(tái)作業(yè)平臺(tái)之間修筑棧橋連接，棧橋橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為6 m。棧橋修筑需結(jié)合地方的實(shí)際情況，以滿足通航的要求。

1）棧橋設(shè)計(jì)：最大設(shè)計(jì)運(yùn)輸荷載為60 t，橋面寬度為6～10 m。

2）樁組設(shè)計(jì)：根據(jù)河中承臺(tái)位置確定便道棧橋走向，樁基采用φ300 mm的空心鋼管立柱，樁長(zhǎng)15 m、入土長(zhǎng)度為7 m、縱向間距為3 m、橫向?yàn)?.5 m、上部縱向?yàn)殚L(zhǎng)12 m的40#工字鋼，每根樁頂設(shè)置1 根，鋼管樁上部用橫向木方墊平。橋面用30#槽鋼縱向滿鋪，兩端用螺旋固定，使便橋連接順暢，行車時(shí)無(wú)明顯的晃動(dòng)，平臺(tái)面層欄桿采用φ48.5 mm腳手管做防護(hù)欄桿，棧橋鋼管樁縱橫向剪刀撐采用10#槽鋼，用來(lái)保證車輛通行。

3）便橋的安裝方法（考慮便橋的集中荷載）：上部縱向?yàn)殚L(zhǎng)12 m的40#工字鋼，每根樁頂設(shè)置1 根。

4）橋面鋪設(shè)：橋面用30#槽鋼型鋼平向滿鋪，兩端用螺旋（或鋼筋焊接）固定，使便橋連接順暢，行車時(shí)無(wú)明顯的晃動(dòng)，用來(lái)保證車輛通行。

5）護(hù)欄用鋼管扶手，焊成高1.2 m的簡(jiǎn)易護(hù)欄，固定在縱向型鋼上，用紅白油漆刷好，起到警示作用。

3.2 鋼板樁施工

1）根據(jù)本工程地質(zhì)情況的需要，4 座承臺(tái)采用拉森鋼板樁，拉森樁型號(hào)為：SKAP-Ⅳ型、日標(biāo)，寬400 mm、高170 mm、厚15.5 mm，截面積為95.99 cm2，每米理論質(zhì)量為76.1 kg。

2）鋼板樁的施工順序?yàn)椋簱?jù)施工圖及高程放設(shè)沉樁定位線→根據(jù)定位線控設(shè)沉樁導(dǎo)向樁（臨時(shí)鋼板樁）→設(shè)置導(dǎo)向圍檁定位樁→打設(shè)圍護(hù)樁→將圍護(hù)樁送至指定標(biāo)高→重復(fù)下根樁。

3）本工程考慮到為便于基礎(chǔ)施工，即在基礎(chǔ)最突出的邊緣外留有支模、拆模的余地，按照留有承臺(tái)1.5 m凈距工作面進(jìn)行打樁。在打設(shè)鋼板樁時(shí)盡量保證基坑護(hù)壁鋼板樁表面平直整齊，避免不規(guī)則的轉(zhuǎn)角，以便于標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁的利用和支撐設(shè)置。

4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用封閉打入法，即：設(shè)置導(dǎo)向樁（在四角位置先打樁定線），而后將鋼板樁依次在導(dǎo)向樁中全部插好，成為一個(gè)高大的鋼板樁墻，待四角實(shí)現(xiàn)封閉合攏后，再按階梯形逐漸將板樁打入設(shè)計(jì)標(biāo)高。

5）采用液壓振動(dòng)沉樁機(jī)（450型打樁機(jī)）在棧橋上進(jìn)行鋼板樁的打入（棧橋需進(jìn)行預(yù)壓），作為沉設(shè)拉森樁的主要?jiǎng)恿Α?/p>

3.3 圍檁施工

1）本工程圍檁施工與基坑土方開(kāi)挖是交叉進(jìn)行的?；油练介_(kāi)挖的程序：先行抽水至第1道支撐標(biāo)高50 cm以下，安裝第1道支撐、圍檁。再抽水、挖土到第2道支撐標(biāo)高以下50 cm，安裝第2道圍檁、支撐，最后開(kāi)挖至坑底標(biāo)高-6.15 m。

2）圍檁及支撐設(shè)置在標(biāo)高2.3 m和-0.5 m處，圍檁安裝采用在鋼板樁內(nèi)壁上焊圍檁托架，然后吊裝40#雙拼H型鋼鋼圍檁并焊接加固。支撐與角撐安裝前測(cè)定出該道支撐兩端與圍檁的接觸點(diǎn)，以保證支撐與墻面垂直，位置適當(dāng)，量出2 個(gè)相應(yīng)接觸點(diǎn)間的支撐長(zhǎng)度來(lái)校核地面上已拼裝好的支撐，兩頭分別擱在三角支座上，一頭與圍檁焊接，焊接完成后再對(duì)另一頭圍檁與支撐之間的空隙進(jìn)行處理（采用鋼墊塊焊接）。

3.4 土方開(kāi)挖及運(yùn)輸

1）土方開(kāi)挖施工為分層連續(xù)施工，對(duì)稱開(kāi)挖。土方隨挖隨運(yùn)，開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)關(guān)注支護(hù)體系的變形，棧橋通道采用鋪墊鋼板以擴(kuò)散壓力。抽水、挖土和支撐的架設(shè)施工過(guò)程緊密配合，在保證安全的前提下，加快了挖土進(jìn)度，為支撐施工創(chuàng)造了工作條件，使支撐結(jié)構(gòu)盡早形成整體剛度。兩者的配合施工較好的利用了軟土施工中的時(shí)空效應(yīng)，有效地控制圍護(hù)體系在受力后的變形。

2）采用臂長(zhǎng)12 m挖土機(jī)開(kāi)挖，土方隨挖隨運(yùn)。施工中嚴(yán)禁超挖，及時(shí)施加支撐，土方開(kāi)挖施工要求分層均勻高效，以使支護(hù)結(jié)構(gòu)處于正常的受力狀態(tài)，坑底20 cm采用人工挖土鏟平，避免超挖，并及時(shí)設(shè)置排水溝和集水井對(duì)坑內(nèi)積水進(jìn)行抽排。

3.5 防滲堵漏

1）本工程鋼板樁打入之前在鎖口內(nèi)涂以黃油、鋸末等混合物。當(dāng)鎖口不緊密而漏水時(shí)，用棉絮等在內(nèi)側(cè)嵌塞，外側(cè)包裹一層防水彩條布，起到防水和減小水壓力的雙重效果。

2）鋼板樁圍堰抽水過(guò)程中要加強(qiáng)止水堵漏措施。抽水時(shí)同時(shí)在外側(cè)水中漏縫處撒大量木屑或谷糠和爐渣的混合物，使其由水夾帶至漏水處自行堵塞，在樁腳漏水處，采用局部混凝土封底等措施。對(duì)局部漏水嚴(yán)重、堵漏困難的地方在鋼板樁外側(cè)補(bǔ)打木樁圍堰，木樁圍堰內(nèi)側(cè)鋪設(shè)彩條布，在彩條布與鋼板樁圍堰間填筑黏土進(jìn)行封堵。

3）鋼板樁施打過(guò)程中設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)和儀器跟蹤，避免圍堰偏位，尤其板樁的偏位累積很難校正。施打前，在圍堰上下游一定距離和兩岸陸地上設(shè)置全站儀觀測(cè)點(diǎn)，用于控制圍堰長(zhǎng)短方向鋼板樁的的施打定位。

4）在鋼板樁圍堰擋水期間，定期對(duì)鋼板樁頂?shù)奈灰七M(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)樁頂向基坑內(nèi)外的偏移量。

4 施工監(jiān)測(cè)方案

4.1 監(jiān)測(cè)原則

工程實(shí)施時(shí)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)。施工監(jiān)測(cè)的成敗與監(jiān)測(cè)方法的選取及測(cè)點(diǎn)布置情況直接相關(guān)。根據(jù)我們積累的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)歸納為以下4 條原則。

1）可靠性原則：可靠性原則是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所考慮的最重要的原則。為了確保其可靠性，必須做到：采用可靠的儀器及監(jiān)測(cè)期間保護(hù)好測(cè)點(diǎn)。

2）多層次監(jiān)測(cè)原則：多層次監(jiān)測(cè)原則的具體含義有4 點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)對(duì)象上以位移為主，兼顧其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；在監(jiān)測(cè)方法上以儀器監(jiān)測(cè)為主，并輔以現(xiàn)場(chǎng)巡視的方法；在監(jiān)測(cè)儀器選擇上以機(jī)測(cè)儀器為主，輔以電測(cè)儀器；考慮分別在地表及鋼板樁上和圍堰上布點(diǎn)，以形成具有一定測(cè)點(diǎn)覆蓋率的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

3）方便實(shí)用原則：為減少監(jiān)測(cè)與施工之間的干擾，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝和測(cè)量應(yīng)盡量做到方便實(shí)用。

4）經(jīng)濟(jì)合理原則：考慮實(shí)用的儀器，不過(guò)分追求儀器的先進(jìn)性。

4.2 監(jiān)測(cè)目的

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，必須保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以確?；邮┕ぐ踩榇耸┕み^(guò)程中必須采取相應(yīng)的監(jiān)控保護(hù)措施，監(jiān)測(cè)的目的主要是：

1）了解圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形及坑周土體的沉降情況，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；

2）對(duì)基坑周邊河道水位等進(jìn)行監(jiān)控，了解基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響情況；

3）通過(guò)獲得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境在施工中的綜合信息，進(jìn)行施工的日常管理，對(duì)設(shè)計(jì)和施工方案的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為優(yōu)化和合理組織施工提供可靠信息，并指導(dǎo)后續(xù)施工。

4.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)（孔）布設(shè)在圍護(hù)墻頂，5 m設(shè)置一個(gè)點(diǎn)。

4.4 報(bào)警值

圍護(hù)體變形的報(bào)警值為：日變量≥2 mm或累計(jì)變量≥14 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

1）因地制宜，合理布置是順利施工的重要因素。本次高等級(jí)河道中低埋承臺(tái)施工工藝選擇，采用雙層拉森鋼板樁圍堰及搭設(shè)棧橋配合施工，是在對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行充分調(diào)查分析，在確保安全的前提下，為加快施工進(jìn)度而選用的方案。從整個(gè)施工過(guò)程和結(jié)果中看到，此次施工達(dá)到了預(yù)期的效果。

2）本次施工中的難點(diǎn)為圍檁支撐施工和監(jiān)控的實(shí)施，工作量大，工作順序復(fù)雜。支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工與土方開(kāi)挖密切聯(lián)系，控制好開(kāi)挖進(jìn)度和挖方量是施工的重點(diǎn)，在施工中圍檁的安裝與土方的開(kāi)挖交叉進(jìn)行，應(yīng)嚴(yán)格控制施工工序，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支撐的變形。

3）開(kāi)挖出來(lái)的土方填筑到雙層鋼板樁內(nèi)進(jìn)行防水圍護(hù)，因地制宜，合理地安排了施工工藝。這種做法符合工程實(shí)際，節(jié)約了施工成本，施工效果明顯，值得進(jìn)一步學(xué)習(xí)和推廣。