淺談一種組合式圍堰施工方案

詹彪

摘要： 某橋梁1#墩深埋承臺施工采用下部鋼筋混凝土+上部鋼板樁的組合式圍堰結(jié)構(gòu)施工方案，既解決了常規(guī)圍堰施工方法工期長、成本大的問題和鋼筋混凝土井壁后期拆除困難的難題，也考慮了成橋后墩位處通航疏浚的需求。其施工方案的成功應用為同類型深埋基礎的施工積累了寶貴經(jīng)驗。

Abstract： The construction scheme of combined cofferdam structure of lower reinforced concrete and upper steel sheet pile is adopted in the construction of deep-buried bearing platform of pier 1 of a bridge， which not only solves the problems of long construction period， high cost and difficult removal of reinforced concrete shaft lining in later stage of the conventional cofferdam construction method， but also considers the requirement of navigation dredging at pier position after completion of the bridge. The successful application of the construction scheme has accumulated valuable experience for the construction of deep foundation of the same type.

關(guān)鍵詞： 鋼筋混凝土；鋼板樁；組合式圍堰

Key words： reinforced concrete；steel sheet pile；combined cofferdam

中圖分類號：TU473.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0158-03

1 工程概況

某橋梁1#墩承臺為24×9.2×3.5m矩形承臺（頂標高+16.0m，底標高+12.5m），墩位處原地面標高均在+26.5m左右，承臺埋深高達10.5m，結(jié)合墩位處通航疏浚需要，同時考慮到鋼筋混凝土井壁后期拆除較困難，經(jīng)檢算比選，承臺施工最終采用下部鋼筋混凝土+上部鋼板樁的組合式圍堰結(jié)構(gòu)。圍堰采用矩形結(jié)構(gòu)設計，混凝土圍堰平面尺寸為29.8m×15.4m，高度為7.5m，井壁厚度為1.6m；鋼板樁井壁平面尺寸28.0m×13.6m，高9m，采用SP-U400×170型鋼板樁施工；鋼筋砼井壁與鋼板樁之間采用內(nèi)槽鑲嵌的方式連接，搭接長度為0.5m。

2 施工方案

底節(jié)混凝土圍堰采用就地制作下沉的施工方法，先對圍堰范圍內(nèi)地基進行換填，制作混凝土圍堰，井內(nèi)射水吸泥下沉至標高+19.5m。安裝鋼板樁形成組合圍堰，進行組合圍堰內(nèi)射水吸泥下沉至設計標高+10.5m?；炷羾弑诟叨确较蚍謨纱螡仓瓿?，一次下沉。第一次澆筑4m（含刃腳），第二次澆筑3.5m。待砼強度達到設計強度后，采用射水吸泥設備與人工相結(jié)合的方式取土排水下沉鋼筋混凝土圍堰。鋼筋混凝土圍堰下沉至頂面距離地表0.5m處，在第二節(jié)圍堰井壁的預留槽內(nèi)安裝鋼板樁井壁，采用水泥砂漿將槽內(nèi)空隙填滿壓實，安裝內(nèi)支撐，采用排水、吸泥下沉，下沉至設計標高后，進行1.5m厚混凝土封底。

當封底達到設計要求后，抽水，鑿除樁頭，對基底進行清理，綁扎承臺鋼筋，立模板，布置溫控設施，澆筑承臺混凝土并養(yǎng)護。具體施工方案如下：

2.1 鋼筋混凝土圍堰基底清理

鉆孔樁施工完成后進行場地清理，地表高程清理至+26.5m。對圍堰進行測量放樣定位，根據(jù)放樣位置換填砂墊層，布置承墊木。

考慮現(xiàn)場實際地形情況，從下游向上游側(cè)設置橫向排水坡，通過地表排至墩旁河道里。

2.2 圍堰墊層施工

由于地基承載力較低，為保證圍堰制作時的穩(wěn)定，刃腳底部采用砂墊層進行換填，以提高地基承載力。砂墊層的厚度根據(jù)整體的圍堰重量和墊層底部地基土的承載力計算而定。

①砂墊層厚度設計：hs≥（G/fa-L）/2tgθ=（282/100-2）/（2×tg26°）=0.84m

式中：G-混凝土圍堰7.5m高單位長度的重量（282kN/m）；

fa-砂墊層底部淤泥質(zhì)粘土層的承載力標準值（100kPa，碾壓后淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土）；

θ-砂墊層的壓力擴散角，取26°；

L-圍堰刃腳下枕木有效計算寬度，取2.0m；

hs-砂墊層的厚度（m），經(jīng)上式計算得：hs≥0.84m，實際取1.0m。

②砂墊層寬度設計： B≥L+2hstanθ

式中：B-砂墊層的寬度（m）；

L-圍堰刃腳下枕木有效計算寬度，取2.0m；

hs-砂墊層的厚度（m）；

θ-砂墊層的壓力擴散角，取26°；

經(jīng)上式計算得：B≥2.975m，實際取4.0m。

③刃腳墊木的鋪設數(shù)量設計。墊木采用斷面尺寸220×160mm的枕木，單根長2.5m。沿刃腳每米鋪設墊木的根數(shù)n可按下式計算：n=G/（A·fa）

式中：G—混凝土圍堰7.5m高單位長度的重量（282kN/m）；

A—每根墊木與砂墊層接觸的底面積（m2），取0.55m2；

fa—砂墊層的承載力設計值（kN/m2），估值為中密砂，取200kPa；

因此：n=G/（A·fa）=282/（0.55×200）=2.56根。即：墊木中心間距為0.39m，取0.35m。

圍堰刃腳需鋪設墊木數(shù)量計算：（29.8+10.8）×2/0.35=234根。

圍堰底隔墻下需鋪設墊木數(shù)量計算：10.8/0.35=32根。

砂墊層分層鋪設、夯實，同時進行水平測量和修整，驗收合格后，定位放線，鋪設枕木。

2.3 鋼刃腳安裝

根據(jù)設計圖紙在枕木上組拼鋼刃腳，現(xiàn)場抄墊利用75角鋼焊接成三角形支架。通過測量放線，確定鋼刃腳的平面位置，然后從上游側(cè)刃腳部分開始兩面對稱的往向下游側(cè)刃腳進行拼裝。在拼裝刃腳的過程中，隨時測量和糾正刃腳的平面位置，以保證鋼刃腳的順利合攏和圍堰位置的準確。

2.4 鋼筋、模板及混凝土施工

鋼筋混凝土圍堰分兩次澆筑成型，圍堰內(nèi)外搭設鋼管腳手架作為施工人員操作平臺，模板采用15mm厚度竹膠板作為面板，普通鋼管作為主次背楞，根據(jù)計算間距設置對拉螺栓。圍堰混凝土采用泵車泵送入模，分層澆筑，及時振搗，澆筑完成后及時進行覆蓋養(yǎng)生。

2.5 鋼筋混凝土圍堰下沉

待圍堰底節(jié)砼強度達到設計強度100%時，按圍堰布置圖安裝圍堰撐管。下沉前對圍堰結(jié)構(gòu)上的雜物進行清理，嵌補好對拉螺栓的預留孔，施工接縫外壁涂刷瀝青；復核測量控制點（包括軸線和水準點），在圍堰周圍布置沉降觀察點，圍堰側(cè)面下沉標尺刻度繪制完成，記錄初始標高；在圍堰北側(cè)底隔墻處設置內(nèi)外安全通道。承墊木抽墊前按設計擬訂的次序用紅漆對承墊木分組編號。

2.5.1 混凝土圍堰下沉計算

①圍堰自重：Gk1=956.82×25=23920.5kN

②摩阻力：圍堰在原地面處開始下沉，原地面高程為+26.5m，下沉至頂面距離地面0.5m，此時圍堰底口高程為+19.5m，下沉深度為7m。地表土層為粉質(zhì)粘土層，層厚為4.0m，極限摩阻力為40kPa；以下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，極限摩阻力為20 kPa。

則井壁總的摩阻力為：Fk=（29.8+15.4）×2×[1/2×5×（1.34×0+3.66×40）/5+2×（0.34×40+1.66×20）/2]=10848.0kN

③下沉系數(shù)：圍堰考慮排水下沉，則下沉過程不計浮力，則下沉系數(shù)為：k=Gk1/Fk=2.21>1.05，滿足下沉要求。

④下沉穩(wěn)定系數(shù)：k=Gk1/（Fk+R1）=23920.5/（10848+21696）=0.74<0.9，滿足要求。

2.5.2 混凝土圍堰下沉

①抽除承墊木：承墊木抽除時先抽除“定位枕木”以外承墊木，并逐漸擴大其抽除范圍，最后抽除“定位枕木”。

②刃腳內(nèi)外回填：當抽出承墊木出現(xiàn)空擋后，立即用砂回填。以后每抽出一組即應回填。回填時采用人工搗實，每層20～30mm?；靥顟軐?，以減少圍堰下沉量和定位枕木折斷數(shù)量，防止圍堰產(chǎn)生較大位移和傾斜。

③圍堰下沉作業(yè)。出土方式采取人工射水、吸泥，排水下沉，出土順序由內(nèi)向外：先取靠近中間底隔墻處的土體，再取遠離底隔墻的土體，嚴格控制底隔墻兩側(cè)井格取土面高差。

圍堰起沉階段圍堰四周刃腳采用人工分層（每層20cm左右）射水吸泥，射松散的砂先集中于圍堰中央，然后用吸泥機排出。起沉階段通過水平儀和全站儀兩種手段對下沉量、四角高差、偏位進行測量，及時了解下沉速度和偏差量，使圍堰在初沉階段平穩(wěn)下沉，形成初沉階段的良好軌跡，使刃腳埋在土層中，降低圍堰重心。

圍堰取土采用分層、均勻、對稱方式進行。取土要點是：先從圍堰中間開始逐漸向四周，每層射水取土厚度為0.4～0.5m，沿刃腳周圍保留0.5～1.5m的土堤，然后再沿圍堰井壁每2～3m一段向刃腳方向逐層全面、對稱、均勻地削薄土層，每次削10～20cm，當土層經(jīng)不住刃腳的擠壓而破裂時，圍堰便在自重的作用下擠土下沉。

圍堰內(nèi)吸出的砂流入泥漿池1（東下游側(cè)），砂可回收利用，吸出的土方流入泥漿池2（東上游側(cè)），沉淀后及時用挖掘機掏出外運，不得堆放在圍堰旁，以免造成圍堰偏斜或位移。圍堰下沉到標高+19.5m時，需向圍堰內(nèi)補水，保持內(nèi)外水頭平衡，待汛期后再施工。

2.6 鋼板樁安裝及組合式圍堰下沉

2.6.1 施工準備

汛期后水位下降至+24m時，將第二節(jié)圍堰井壁預留槽內(nèi)雜物清理干凈，采用吊機從上游往下游依次對稱安裝鋼板樁，安裝時需做好鋼板樁臨時固定（可利用型鋼或木楔將鋼板樁底部與槽口間空隙臨時抄死），在伸入混凝土圍堰井壁范圍的鋼板樁外表面涂瀝青隔離，并把鋼板樁與混凝土井壁連接處采用水泥砂漿填充密實。待砂漿強度達到設計要求時，安裝鋼板樁內(nèi)的支撐牛腿以及內(nèi)支撐，并緊固錨固鋼筋。

2.6.2 設置排水溝

測量放出組合式圍堰外地面開挖的四個角樁，在地面四周邊緣向外設排水溝，基坑邊緣2.0m范圍內(nèi)嚴禁堆放材料、棄土，禁止機械車輛通行。

2.6.3 組合后圍堰下沉計算

①圍堰自重：Gk2=Gk1+G′=23920.5+1789.8=25710.3kN

②摩阻力：組合后開始下沉之前，將圍堰外側(cè)土面開挖至+23.0m處，圍堰整體下沉至底口設計高程+10.5m，下沉深度為9m。此時，經(jīng)圍堰外側(cè)開挖后，粉質(zhì)粘土層層厚為1.84m，則井壁總的摩阻力為：Fk2=Fk1′+F′=（29.8+15.4）×2×7.5×20+129.3×1/2×5×（1.84×40+3.16×20）/5=22417.1kN

③下沉系數(shù)：組合圍堰考慮不排水下沉，則下沉過程需扣除浮力fw。圍堰在下沉時的下沉系數(shù)為：k=（Gk-fw）/Fk=（25710.3-11014）/22417.1=0.66<1.05，不滿足下沉要求。

組合圍堰考慮排水下沉，則下沉過程不計浮力。圍堰在下沉時的下沉系數(shù)為：k=Gk/Fk=25710.3/22417.1=1.15>1.05，滿足下沉要求。

④下沉穩(wěn)定系數(shù)：k=Gk/（Fk+R1）=25710.3/[22417.1+（29.8+15.4）×2×（0.4+0.6）×240]=0.58<0.9，滿足要求。

采用水力機械吸泥排水下沉。圍堰水力機械施工的主要特點是利用高壓水柱射水對井內(nèi)土體進行切割、沖刷、攪動使土形成泥漿，同時由吸泥泵將泥漿及土的碎塊吸排至井外，使圍堰下沉。圍堰下沉過程中，做好圍堰下游側(cè)棧橋沉降觀測，發(fā)現(xiàn)異常，立即停止下沉施工，并向項目安質(zhì)工程師、技術(shù)負責人和監(jiān)理工程師匯報，未采取有效防護措施前不得繼續(xù)下沉。

2.7 圍堰封底

2.7.1 封底技術(shù)措施

當圍堰下沉至距設計底標高10cm時，停止井內(nèi)挖土和排水，使其靠自重下沉至或接近設計底標高，經(jīng)過2～3天下沉穩(wěn)定或經(jīng)觀測在8h內(nèi)累計下沉量不大于10mm時，即進行圍堰封底。

封底前先對井底進行修整使其形成鍋底形狀，整理好鍋底和清除浮泥，對新老砼接觸面鑿毛清洗，再從刃腳向中心挖出放射形的排水溝，內(nèi)填卵石成為排水暗溝，在中間部位設2～3個集水井（深1～2m），井間用盲溝相互連通，井內(nèi)插入？覫600～800mm、四周帶孔眼的鋼管，四周填以卵石，使井底的水流匯集在井中，然后用潛水泵排出，以此保證圍堰內(nèi)的地下水位低于基底面0.5m左右。

混凝土封底一次澆筑、分格、逐段、對稱進行，不得中途停頓，避免產(chǎn)生施工縫而造成滲漏現(xiàn)象。素混凝土封底的同時集水井不得填埋，排水工作繼續(xù)進行，以保證混凝土在終凝前不滲水。素混凝土封底表面應平整。

封底混凝土澆筑后進行自然養(yǎng)護。在養(yǎng)護期內(nèi)，繼續(xù)利用集水井進行排水。待底板混凝土強度達到70%并經(jīng)抗浮驗算后，再對集水井進行封堵處理。集水井的封堵方法是：將井內(nèi)水抽干，在套管內(nèi)迅速用干硬性的高強度混凝土進行堵塞并搗實，然后上法蘭盤用螺栓擰緊，或用電焊封閉，上部再用混凝土墊實搗平。

2.7.2 封底混凝土計算

封底混凝土在圍堰下沉就位后施工，其主要受底部水的浮力及其自身的重力荷載作用。

圍堰封底混凝土施工時按枯水期水位考慮，取地下水位高程為+22.0m計算。則封底混凝土所受浮力為：FW=（22-11）×10=110kPa，封底混凝土厚度為1.5m。

扣除封底混凝土自重后受力：F=FW-G=110-34.5=75.5kPa

從計算結(jié)果可得混凝土最大拉應力σ=0.39MPa<[σt]=0.67MPa，滿足要求。

3 方案執(zhí)行情況評價

組合式圍堰施工過程中嚴格控制各關(guān)鍵工序，取得了較為明顯的效果：圍堰抽墊采取邊抽支墊邊回填密實；圍堰取土下沉過程采取分層對稱均勻取土，先取隔墻處土體，保持沉井下沉中，隔墻處于懸空狀態(tài)，同時根據(jù)地質(zhì)情況采取動態(tài)控制，采用排水取土和水下吸泥相結(jié)合的方法進行沉井下沉，有效防止了基底隆起或流砂等情況引起沉井傾斜以及對相鄰結(jié)構(gòu)物造成不利影響；圍堰下沉全過程測量監(jiān)控，圍堰糾偏控制做到了勤測、勤糾，下沉全過程將圍堰偏位很好地控制在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

組合式圍堰結(jié)構(gòu)結(jié)合沉井工藝的施工方案，將深埋承臺施工復雜工藝變得簡單可控，節(jié)約了工期和施工成本，同時也解決了鋼筋混凝土井壁后期拆除困難的難題和成橋后墩位處通航疏浚的需求。其施工方案的成功應用為同類型深埋基礎的施工提供了借鑒經(jīng)驗。

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