基于填土平臺工藝的鋼板樁圍堰施工

張東山，李向東

(中交一公局第一工程有限公司，北京 102205)

0 引言

目前水中工程施工采用的圍堰形式主要有鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、混凝土圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、鋼吊箱圍堰等［1-3］。其中，鋼板樁圍堰具有防滲性能好、容易打入、強(qiáng)度高、可重復(fù)使用等特點，被廣泛應(yīng)用在市政、公路、鐵路橋梁的水下承臺施工中［4］。國內(nèi)很多學(xué)者也對鋼板樁圍堰的穩(wěn)定性、施工技術(shù)及工藝進(jìn)行了研究和總結(jié)，如徐輝等［5］應(yīng)用有限元軟件對鋼板樁進(jìn)行了受力和穩(wěn)定性驗算;王玉果［6］結(jié)合唐津高速海河大橋承臺施工實例，介紹了鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)驗算的方法;安關(guān)峰等［7］結(jié)合工程實踐提出了深水逆作法鋼板樁圍堰綜合成套技術(shù);邢振華等［8］介紹了雙層鋼板樁土芯組合圍堰施工技術(shù);徐順平等［9］基于東湖通道圍堰工程實例，對雙排鋼板樁圍堰“前短后長”和“前長后短”2種結(jié)構(gòu)形式的變形特性進(jìn)行了分析和探討，分析了軟土地基雙排鋼板樁圍堰在5種不同抽水速率下的變形及受力情況。然而，目前所有介紹鋼板樁圍堰的文章都是基于鋼平臺進(jìn)行的樁基施工;本文結(jié)合工程實踐，首次采用基于填土平臺工藝的鋼板樁圍堰，大大減少施工所需鋼材的用量，同時縮短鉆孔樁基施工平臺的搭拆時間，并可解決鋼板樁插打困難和垂直度不易控制的難題。

1 工程概況

西安涇河特大橋是聯(lián)系涇河新城和西安市區(qū)南北大動脈的重要交通樞紐，也是西咸高速項目的控制性工程。橋梁全長1 300 m，共9聯(lián)，其中跨越?jīng)芎拥虊蔚牡?聯(lián)、第8聯(lián)和主河槽范圍附近的第7聯(lián)均采用50 m跨徑，其余采用30 m跨徑。全橋等寬，單幅橋面寬20.75 m，下部結(jié)構(gòu)均采用柱式墩、樁基礎(chǔ)。大橋的31號墩位于涇河河道位置，河道寬約50 m，最大水深為 2.5 m，水面標(biāo)高 369.1 m，河面水流速度較小，無通航要求。水中施工內(nèi)容主要包括12根直徑1.8 m的樁基、2個低樁承臺及6根立柱。樁頂標(biāo)高359.1 m，承臺頂標(biāo)高361.6 m。此處水下地質(zhì)斷面從上至下依次為4 m厚的中砂層、5.5 m厚的黏土層、約50 m厚的黃土層。

2 施工方案及工藝流程

根據(jù)設(shè)計要求并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，31號墩下部構(gòu)造及樁基礎(chǔ)施工采用鋼板樁圍堰方案，施工時間節(jié)點安排在涇河枯水期。

相比常規(guī)的鋼板樁圍堰施工工藝［10-16］，本鋼板樁圍堰施工方案中增加了圍堰內(nèi)設(shè)填土平臺施工樁基的技術(shù)工藝，具體工藝流程如圖1所示。

3 鋼板樁圍堰設(shè)計

本項目鋼板樁圍堰設(shè)計輪廓尺寸為42 m×10.8 m×18 m，圍堰由264塊鋼板樁、4道內(nèi)圍檁、4道內(nèi)支撐、1道外圍檁及對拉精軋螺紋鋼構(gòu)成。鋼板樁采用標(biāo)準(zhǔn)拉森 SP-Ⅳ型鋼板樁，內(nèi)、外圍檁采用2I50a雙拼工字鋼，內(nèi)支撐采用Φ630 mm鋼管，對拉鋼筋采用Φ32 mm精軋螺紋鋼，此鋼板樁圍堰的具體平面布置見圖2。

圖1 鋼板樁圍堰施工工藝流程

圖2 鋼板樁圍堰平面示意

根據(jù)設(shè)計計算和以往的施工經(jīng)驗，圍堰鋼板樁頂標(biāo)高370.6 m，底標(biāo)高352.6 m。封底混凝土厚2 m，鋼板樁入土深度為4.5 m，其中外圍檁和對拉精軋螺紋鋼為填土平臺施工過程中的臨時支撐，在樁基施工完成并開始挖土?xí)r拆除，圍堰立面布置如圖3所示。

圖3 鋼板樁圍堰縱斷面示意

由工程現(xiàn)場實際情況和鋼板樁的設(shè)計需求可知，該圍堰施工的難點是鋼板樁的插打和垂直度控制。

4 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)分析

4.1 圍堰計算模型的建立

本文基于MIDAS/Civil有限元軟件，結(jié)合圍堰內(nèi)設(shè)置填土平臺的施工工藝，建立其鋼板樁圍堰施工的計算模型。其中，鋼板樁與鋼護(hù)筒采用板單元模擬，圍檁、支撐、對拉精軋螺紋鋼采用梁單元模擬，圍堰內(nèi)封底混凝土采用實體單元模擬。圍堰的支撐、圍檁、鋼板樁、對拉精軋螺紋鋼、封底混凝土之間采取共節(jié)點建模，鋼板樁、鋼護(hù)筒的底部采取全部固結(jié)約束，建立的計算模型離散后共有21 332個節(jié)點，17 974個單元。鋼板樁圍堰填土平臺施工和挖除回填土階段的計算模型見圖4。

4.2 圍堰結(jié)構(gòu)仿真分析

根據(jù)工程實際情況，此鋼板樁圍堰施工荷載考慮內(nèi)部填土壓力、施工機(jī)械壓力、外部靜水壓力、土壓力及動水壓力。對于圍堰的施工過程模擬而言，最為關(guān)鍵的工作是根據(jù)合理的施工工序分析確定最不利工況［17-20］。此圍堰的結(jié)構(gòu)驗算可按以下6種工況進(jìn)行:圍堰內(nèi)填土及樁基施工(工況1);挖土并安裝第1、2道內(nèi)圍檁及支撐(工況2);挖土并安裝第3道內(nèi)圍檁及支撐(工況3);挖土并安裝第4道內(nèi)圍檁及支撐(工況4);挖土至設(shè)計基坑底(工況5);澆注封底混凝土(工況6)。對以上6種工況進(jìn)行分析可知，工況1和工況5為2個最不利工況，在施工中要特別注意，此2種工況下鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐等的變形和應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

圖4 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)計算模型

表1 最不利工況計算結(jié)果

從軟件分析計算結(jié)果可知，圍堰在施工全過程中，各構(gòu)件都處于安全狀態(tài)，圍堰結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、剛度也滿足要求。在挖土至設(shè)計基坑底、封底混凝土澆注前，整個圍堰處于最不利受力狀態(tài)，設(shè)計與施工時都需特別注意。

5 施工應(yīng)用與效益分析

5.1 關(guān)鍵施工技術(shù)

(1)本項目在監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上，利用履帶吊和振動錘以“釣魚法”對圍堰的四角進(jìn)行定位鋼管樁的插打，再在鋼管樁上安裝牛腿，布設(shè)圍堰導(dǎo)向框架。

(2)為了解決鋼板樁插打困難和垂直度不易控制的問題，圍堰施工在加設(shè)導(dǎo)向框架的基礎(chǔ)上采用了鋼管樁引孔和鋼絞線對拉工藝。具體施工布置見圖5。

(3)為了保證填土平臺及樁基施工過程的安全穩(wěn)定，填土前應(yīng)對圍堰設(shè)置一道外圍檁，并穿插精軋螺紋鋼對拉錨固，安裝時應(yīng)嚴(yán)格控制對拉鋼筋與樁基平面的相對位置，避免影響后序樁基的正常施工。

圖5 鋼板樁圍堰現(xiàn)場施工

(4)外圍檁與對拉鋼筋安裝完后進(jìn)行圍檁內(nèi)抽水封堵作業(yè)。抽水時要檢查鋼板樁、導(dǎo)向框架、木楔、角樁之間是否頂緊，抽水速度不宜過快，要隨時監(jiān)控圍堰的變化情況并及時做出相應(yīng)處理。采用棉絮在縫內(nèi)側(cè)堵塞，縫外側(cè)撒大量木屑或谷糠，以控制板樁鎖扣滲漏。

(5)待抽水完畢后立即將圍堰底淤泥清除干凈，直至露出砂土層，再利用自卸車配合挖土機(jī)向圍堰內(nèi)填土。填土宜采用分層填筑、分層壓實的方式，以保證土平臺滿足樁基施工的承載需要。

(6)樁基施工完成后，第一次挖土至對拉鋼筋相應(yīng)位置時，應(yīng)拆除外圍檁和對拉鋼筋，同時安裝好第一道內(nèi)圍檁及支撐，然后繼續(xù)開挖，依次逐層安裝余下幾道內(nèi)圍檁及支撐。開挖至承臺底標(biāo)高以下2 m位置后，使用C25混凝土澆筑2 m厚的封底層，封底完成后即可割除護(hù)筒、破除樁頭，繼而進(jìn)行承臺墩身施工。

(7)墩身施工完成后，可進(jìn)行圍堰拆除工作，內(nèi)支撐及圍檁拆除時宜由下至上逐層拆除。拆除前應(yīng)先向圍堰內(nèi)回填土，當(dāng)內(nèi)部填土面至剩余支撐底0.5 m時，方可割除該層圍檁和內(nèi)支撐，以此循環(huán)，依次拆除所有圍檁及內(nèi)支撐，然后按插打的逆順序?qū)摪鍢吨鹌纬觥?/p>

5.2 施工控制要點

(1)當(dāng)鋼板樁長度不夠時，可采用同型號鋼板樁焊接接長，焊接時先對焊，再焊加固板，相鄰鋼板樁接長焊縫應(yīng)錯開，經(jīng)過焊接接長或是修整過的鋼板樁應(yīng)做鎖口并通過試驗檢測。

(2)導(dǎo)向框架安裝時需采用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀控制、調(diào)整其相應(yīng)位置，且高度要適宜，不可隨著鋼板樁打入而出現(xiàn)下沉或變形的現(xiàn)象，導(dǎo)向框架應(yīng)緊貼定位鋼管樁，盡量保持垂直向下，且不能影響鋼板樁正常插打。第1片鋼板樁是整個圍堰的基準(zhǔn)，沿導(dǎo)向框架下插時必須反復(fù)測量檢查，保證位置準(zhǔn)確、方向垂直。

(3)考慮到鋼板樁鎖口間縫隙較大和插打的工作原理，每插打4～5根鋼板樁就應(yīng)進(jìn)行測量校正，將鋼板樁的傾斜度控制在1%以內(nèi)，否則需進(jìn)行倒鏈糾偏，如果一次性糾偏太多易引起鎖口卡死，影響后續(xù)插打，因此只能采取多次糾偏逐步減小樁身的偏移量。

(4)圍堰四角采用角樁鎖接，以便讓整個圍堰更好地閉合。通過現(xiàn)場實測的角度和尺寸數(shù)據(jù)，將一塊鋼板樁縱向切割開后，在切縫處用角鋼或彎制鋼板焊接形成符合現(xiàn)場實際的角樁。

(5)為了使圍堰合龍順利，合龍?zhí)庝摪鍢稇?yīng)一高一低。另外，合龍時經(jīng)常出現(xiàn)開口上小下大的情況，鋼板樁插入前應(yīng)借助2個“走四”滑車組將合龍口向兩側(cè)拉開，直至合龍樁兩側(cè)樁頂?shù)木嚯x與鋼板樁等寬為止，再將合龍樁插入，打到設(shè)計標(biāo)高。

(6)圍堰拆除時必須邊填邊拆，回填的高度以保證圍堰內(nèi)外壓力基本平衡且不影響最低一層內(nèi)支撐的拆除為準(zhǔn)，待填土與河床平齊后，要邊往圍堰內(nèi)抽水邊拆除。

(7)圍堰施工的整個過程中要進(jìn)行實時監(jiān)控，掌握鋼板樁圍堰的變形和受力情況，通過監(jiān)控及時發(fā)現(xiàn)鋼板樁、圍檁、內(nèi)支撐可能出現(xiàn)的異常情況，以便采取相應(yīng)的加固措施。

5.3 工程效益分析

圍堰內(nèi)設(shè)置土平臺代替鋼平臺所帶來的效益主要體現(xiàn)在材料和工期2個方面。為了更加直觀地說明采用土平臺施工的經(jīng)濟(jì)效益，筆者對滿足實際施工需要的2種平臺進(jìn)行了工程造價對比分析，填土平臺與鋼平臺的工程造價見表2。

表2 填土平臺和鋼平臺的工程造價

由表2可知，設(shè)填土平臺的工程造價明顯比鋼平臺低。另外，采用填土平臺可以縮短工期，搭設(shè)鋼平臺增加的工期為40天，設(shè)填土平臺增加的工期只有10 d。所以圍堰內(nèi)設(shè)置填土平臺，不僅節(jié)約了成

本，又縮短了工期，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

(1)通過MIDAS/Civil軟件對鋼板樁圍堰進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，圍堰整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、安全性均滿足要求，圍堰內(nèi)設(shè)填土平臺的施工工法安全可靠，對于構(gòu)件變形和應(yīng)力較大的位置，應(yīng)在施工中重點控制。

(2)涇河特大橋31號墩成功采用本方案施工，證明了圍堰內(nèi)設(shè)置填土平臺的做法可行。相比搭設(shè)鋼平臺而言，本方案大大縮短了工期，節(jié)約了成本，取得較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)鋼板樁圍堰施工采用鋼管樁引孔及鋼絞線對拉工藝，成功解決了鋼板樁插打困難和垂直度不易控制的難題，保證了圍堰施工的進(jìn)度和質(zhì)量。

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