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沉箱围堰施工工法

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灵昆大桥沉箱围堰施工工法

目 录
1、 前言
2、 工法特点
3、 适用范围
4、 工艺原理
5、 施工工艺流程
6、 操作要点
7、 材料与设备
8、 质量控制
9、 安全措施
10、 环保措施
11、 资源节约
12、 效益分析
13、 应用实例

沉箱围堰施工工法
1、 前言
, 浙江省交通勘察设计有限公司检测到温州灵昆大桥桩基础存在冲刷、 漏筋、 缩径等问题。
主管单位温州龙湾区交通局根据岛内正在建设的深水港的要求, 提出将桥梁进行提高荷载标准等级加固处理, 即将原桥的通行能力提升为一级公路, 满足集装箱卡车的通行, 下部桩基的加固由中建七局交通公司组织施工。
在对现场进行了查看、 分析, 结合设计图纸要求, 我们提出采用沉箱围堰的施工方法对该桥的存在缺陷的桩基进行加固处理。
2、 工法特点
沉箱围堰的施工方法是新型的施工工艺, 与传统的钢板桩围堰、 土围堰、 小围堰相比具有不可代替的优点。另外, 因在海水中作业, 土围堰无法实现。这里就不再赘述, 现将另外三种围堰施工方法进行对比, 具体比较见下表。
三种方案的比较
方案
比较类型

沉箱围堰方案
钢板桩围堰方案
小围堰方案
( 设计)
技术优点
能够一次性彻底解决所有桩基存在的问题
能够一次性彻底解决所有桩基存在的问题
无法彻底解决所有桩基存在的问题
设备投入
共需投入3套大沉箱、 2套小沉箱
共需投入4套钢板桩大围堰、 2套钢板桩小围堰
共需投入18套小围堰
施工成本
用钢514吨, 623万
用钢量643吨, 679万
用钢量少, 190万
施工工期
150天
162天
200天
安全问题
有保障
有保障
无保障
经过以上比较, 我们发现沉箱围堰不但能够一次彻底解决所有桩基存在的问题, 而且所用材料成本相对低, 需要的施工工期最短, 且安全有保障, 我们选择了使用沉箱围堰作为施工处理措施。
3、 沉箱围堰施工方法适用范围
沉箱围堰施工方法主要适用于深水基础施工, 处理深度10m以内, 开挖深度1.5m, 实行深水处干处作业, 沉箱围堰还能够作为钻机等设备的工作平台在水面平移进行水上作业。
地质情况能够为粘土、 砂土等III类土以下情况, 便于下插板插入土中。
4、 工艺原理
本施工方法是钢结构结合基坑处理的方法设计施工, 沉箱是采用钢结构, 自重138吨, 几个箱体空腹时的浮力达到360吨, 沉箱浮起后, 利用动力拖船( 80T) 在平潮时将沉箱拖到指定地点注水下沉。落潮过程中, 自重不变沉箱浮力减小, 自重加大的情况下, 沉箱下插板插入滩涂中, 沉箱坐正后, 再在箱体内侧打设一周高压旋喷桩, 起箱底止水帷幕作用, 最后压密两浆( 水玻璃、 水泥) 封底, 实行箱体内的闭水, 从而达到围堰内干施工作业。
由于箱体有下插板, 能够自己稳定, 一旦下沉后, 箱体能够稳定座在滩涂面上, 且整个箱体地面落在最低滩涂面, 故不需要进行整体稳定性验算, 箱体之间全部用高强螺栓连接, 不需要进行单个箱体踢脚稳定性验算, 根据施工主要治理的问题是坑底隆起和渗流、 箱体浮力、 高压旋喷桩厚度的验算。
4.1 坑底突涌验算
考虑到围堰内的基底在覆盖土的作用下不足以抵抗下部的水压力, 基坑就会失稳, 出现突涌现象, 我们对基坑的突涌稳定性进行验
算。

最高潮水
挡水板
潮水Υw
箱体
Υw
下插板
H
砂土Υ土
Υ
Υ
t
坑底突涌验算计算简图

验算平衡公式:
Υ土×t＝Υw×Η
式中: Υ土: 土的容重
t: 不透水层的厚度
Υw: 水的容重
H:承压水头高于含水层顶板的高度8m
当t＞Υw×Η/Υ土时, 不会产生突涌
其中没有考虑覆盖土层的重量和覆盖层与支护结构的摩擦力, 此计算偏向安全。一般取值安全系数大于1.2。

4.2 坑底抗隆起稳定性验算
hdKpe∏lgф＋δ( Kpe∏lgф－1) /tgф

参照基坑支护6-2-74计算基坑抗隆起安全系数
1+ω+hd

Kst＝

式中: hd—嵌入深度
h—基坑开挖深度

4.3 验算旋喷桩的厚度
旋喷桩上口连接箱体, 上部的水平力主要由箱体下插板承受, 墙体承担外围土体和潮水的压力, 墙体的厚度采用抗倾覆稳定验算确定。
挡水板
箱体
下插板

hwa

∑eai
ai
h=1

eaik
ai
ha
∑Epj
Hwp
hd

hp
b

高压旋喷桩墙体厚度计算简图

10( 1.2Υ0ha∑ai－hp∑pj)
b≥

5Υcs( h＋hd) －2Υ0Υw( 2h＋3hd－hwp+2hwa)

式中: ∑Eai—水泥墙底以上基坑外侧水平荷载标准值的合力之和;
∑Epj—水泥墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和;
ha—合力∑ai作用点至水泥墙底的距离;
hwp—合力∑pj作用点至水泥墙底的距离;
Υcs—水泥土墙的平均容重;
Υw—水的容重
Υ0—安全系数取1
hwp—基坑内侧地下水位高度
hwa—基坑外侧地下水位高度
水平标准荷载计算∑Eai
作用在高压旋喷桩基上的荷载包括土压力、 水压力。按照以下公式进行计算:
eajk=σaikКai－2cik√Кai＋〔( zi－hwa) －( mj－hwa) ηwaКai〕Υw
式中: σaik—作用于深度zi处的竖向应力标准值( )
σaik＝σrk＋σok＋σlk
Кai—第i层的主动土压力系数;
Кai＝tg2( 45°－ψik/2)
ψik—第i层的内摩擦角标准值;
cik—三轴试验确定的第i层固结不排水剪粘聚力标准值;
zi—计算点深度;
mj—计算参数;
hwa—基坑外侧地下水位深度;
ηwa—计算系数;
Υw—水的容重
水平抗力标准值∑Epi:
epj＝σpjkКpi－2cik√Кpi＋〔( zj－hwp) ( 1－Кpi) 〕Υw
式中: σpjk—作用于基坑底面以下zj处的竖向应力标准值;
Кpi—第i层的被动土压力系数;
Кpi＝tg2( 45°＋ψik/2)
σpjk＝Υmj×zj
Υmj深度zj以上土的加权平均天然容重。
4.4 浮力验算
由于沉箱的排除海水体积较大, 在潮水最高位置时, 沉箱的理论排水量远大于沉箱自重, 需要对沉箱受到的浮力进行验算。

承台

a上

a下
a上
b箱
h1

a箱
a下

b下

h2
b箱
h挖
沉箱排水体积计算平面简图
沉箱排水体积计算立面简图
a箱
a箱
a箱

反压梁

挡水板

b上

箱体

下插板

沉箱围堰采用正方形设计, 经过计算其自重G＝138t, 浮力F浮就是沉箱围堰排开水的体积减去箱体自重, 此浮力仍旧很大, 需要施加外力防止沉箱上浮:
F浮＝a下×b下×h2+( a下－0.5) ( b下－0.5) h挖＋a上×b上×h1－G
式中: a、 b是沉箱的内平面尺寸;
0.5m是高压旋喷桩的宽度;
h1、 h2、 h挖是沉箱最高水位到箱体顶、 箱体高度、 开挖深度;
G是沉箱自重。
防止沉箱上浮是采用H45钢梁置在原桥的承台下, 反压沉箱箱体, 注意沉箱箱体要进行适当加固, 使得反压力均匀传递至整个箱体。从上式, 我们没有计算箱底的吸力和潮水涨过箱体后潮水对箱体外沿的作用力, 故此计算偏于安全。

5、 施工工艺流程
沉箱制作
沉箱试拼装
沉箱设计
沉箱转移至施工点
沉箱对角拆分
修改
沉箱围墩组合
箱体注水下沉
将所有螺栓拧紧
搭设平台
以承台为工作面
准备两只80t拖船
最高潮水位、 无风
高压旋喷施工
压密注浆施工

高压旋喷就位

压密注浆就位

反压梁施工
养护3天

抽水、 基坑开挖

桩基处理
沉箱上浮转移
拆除反压梁

Y
N

5.1 沉箱制作
沉箱的制作在厂家进行, 先按照设计图纸下料, 并作记号, 钢板采用切割下料, 不得使用氧气乙炔高温切割, 防止钢板变形。箱体所用阀门设置在箱体内, 阀门要采取防漏水处理, 阀门设置在离沉箱底80cm以上。箱体之间连接处要焊接牢固, 拆除的位置要设置止水带, 止水带用螺丝连接在箱体上, 做到不能因挤压损坏。沉箱焊接完成后, 在场地进行拼装, 做到没有问题后下水。
5.2 沉箱就位
沉箱就位前要将墩台位置清理平整, 特别是将承台周钢管清理至滩涂下, 原承台周边的滩涂要基本在一个水平面上, 确保箱底下插板能全部插入土中, 遇到原桥钢管时, 采用外套小护筒在最低潮位时切除钢管。
沉箱拖移时间控制在涨潮基本结束前的一个小时, 同时基本拆除沉箱之间( 对角) 的连接螺栓, 留下的螺栓不要超过设计的30％, 便于靠近墩台后及时分解沉箱, 为就位二次组合留下时间。
分解后要将沉箱及时按照方位就位, 一个边长度7m顺桥方向下靠, 一个边长度11m横桥方向下靠墩台。
分解并靠近墩台的沉箱用尼龙绳拉紧, 防止落潮时沉箱漂移。必要配置5吨手拉葫芦4根, 2吨手拉葫芦2根, 第一时间将沉箱用高强螺栓连接, 连接时沉箱部分螺栓孔会漏水, 用小水泵抽除。
等到所有箱体的连接螺栓连接牢固并加强后将沉箱注水下沉。螺栓的连接先外后内, 按照顺时针或逆时针加强螺栓。
5.3 反压梁施工
当沉箱下沉就位后, 开始反压梁的施工, 我们注意到在沉箱下沉成功时, 沉箱的浮力达到680吨, 一旦潮水过了箱体, 会产生箱体上浮, 利用反压钢梁能够有效解决沉箱的浮力, 加载钢梁前先对沉箱箱体进行加固, 使浮力均匀传递到箱体, 本次采用的钢梁共计4根, 单根长度12m, 钢横梁顺桥向设置。钢梁与承台之间用小槽钢顶住, 之间的孔隙用三角木楔塞紧。
5.4 箱底止水帷幕和压密封底
高压旋喷桩平均桩径为φ900mm、 桩间距700mm, 长度700cm。高压旋喷钻机采用XPZ－50型单管高压旋喷桩, BWT100／30高压注浆泵机, 当钻机钻到设计标高后, 用高压旋喷机把安有水平喷嘴的注浆管下到孔底, 利用高压设备使喷嘴以24Mpa的压力把浆液喷射出去, 冲击切割土体, 并与土体搅拌混合, 随着注浆管的旋转和提升而形成圆柱桩体, 浆与土体经过一系列的物理化学反应, 固结成桩, 从而达到支护、 止水的作用。
压密注浆采用二重管压密注浆。注浆孔的间距为1.5m。采用的钻探设备为XY-1型钻机, 钻孔直径110mm, 孔深为4.00m, 进入桩基处理面下1.5m。注浆液采用425#硅酸盐水泥, 水灰比为1: 1～0.5: 1。注浆设备采用HB80/10型泵, 注浆压力0.3MPa～1.0MPa, 在注浆初期水灰比采用1: 1, 若”吃浆”均匀, 可增大水灰比的浓度, 直至0.5: 1。当注浆压力达1.0MPa, 并不”吃浆”, 应停止注浆。

5.5 维护加固
在桩基抽水, 开挖前还需要对桩基进行外围的加固, 防止潮水重复冲刷处理。
潮水流速高, 容易对箱底形成冲刷, 导致箱底出现脱空, 在沉箱下沉到位后, 安排水上挖机对箱体外进行堆土作业, 堆土范围为箱体外1.5m范围内, 堆土高度1m, 必要时在箱体的两个迎水面打设钢管, 里面填装装土蛇皮袋。
6、 材料和设备
6.1 沉箱围堰施工用的材料
序号
材料名称
材料规格
使用部位
备注
1
钢板
t＝8
顶板、 腹板、 底板、 隔舱板、 加劲板

2
钢板
t＝30
端头板箱体连接

3
槽钢
〔12.6
箱体与挡水板连接面

4
角铁
L50×5
挡板加强

5
角钢
L75×50×5
箱体通长

6
钢板
t＝6
挡水板面板

7
角铁
L63×5
挡水板加强肋

8
角钢
L50×5
剪刀撑

9
钢管
219×6
注水口

10
高强螺栓
M20×110
沉箱连接

11
普通螺栓
M16×40
挡水板连接

12
高强螺栓
M16×50
挡水板连接

13
橡胶垫
10-12mm
挡水板、 箱体间止水

14
角钢
L50×5
钢爬梯

15
H型钢
H45
反压箱体

沉箱围堰主要包括箱体、 挡水板、 下插板、 反压梁等部分。

6.2 沉箱围堰施工用的设备
按照要求投入了3套沉箱, 高压旋喷设备1套, 压密注浆设备1套。
序号
机械或设备名称
型号规格
数量
性能
1
大沉箱
2.5×11m
3

2
大沉箱
2.5×13m
3

3
挖泥船
0.3方
1

4
泥浆泵
45kw
3

5
高压泵
3.5kw
3

6
单管高压旋喷桩机
XPZ－50
1

7
钻 机
XY－1
2

8
砂轮切割机

2

9
冲击电锤

2

10
附着式振捣器
HZ6Z－50
8

11
电焊机
BX1-300
4

12
小型运输船
80t
4

13
内陆式挖机

1

7. 质量控制
7.1 箱体接头质量
箱体是钢结构, 可是钢结构间的连接需要进行密水处理, 我们在钢箱体( 包括挡水板、 箱体) 之间设置安装了橡胶垫圈作为止水材料, 并用高强螺栓连接牢固, 螺栓的间距不得大于10cm。
其它需要焊接的部分焊接牢固, 不得有焊接孔洞, 连续焊接。
沉箱下水前要在场地进行试拼装, 拼装检查螺栓孔的位置是否在一个位置, 能否确保沉箱的连接钢板密实连接, 不漏水。
箱体内的背肋是否焊接牢固, 应该不连续分段焊接, 焊缝长度不小于5cm, 焊接的间距不大于5cm。
7.2 反压系统质量控制
反压梁压紧在箱体上, 防止箱体上浮, 由于潮水的来回影响箱体
潮水的浮力不均匀, 造成箱体不均匀的上浮, 由于反压梁限制箱体的上浮, 其压力必然作用于软的地基, 造成箱体向下移位, 落潮时, 箱底出现脱空, 容易引起漏水。因此要经常检查反压梁上的调平木楔, 一旦松动就及时打紧。
7.3 地基的处理
原来的海涂面是一个高低不平的表面, 沉箱就位前需要进行开挖整平, 经过开挖处理发现桩周存在大量的钢管, 钢管埋置入土较深, 且在最低潮位时, 不满足海涂下降的要求。最后决定采用小护筒切割钢管。将钢管处理到最低海涂下50cm。
7.4 高压旋喷桩及压密注浆的处理
高压旋喷施工前将沉箱围堰内的水位要保持水平, 防止潮水由箱底涌进箱体围堰内。 冲刷高压成桩, 有效形成了箱底止水帷幕。
施工时控制提管速度, 提管的速度直接影响成桩质量, 提管大致控制在每12分钟一节( 1.5m) , 成桩的有效直径0.7m, 桩基的间距沿着围堰内侧环向为0.7m。由于沉箱外侧角隅处潮水冲刷严重, 容易引起管涌, 施工时在围堰内侧垂直角的位置适当加2根桩。
施工时, 拉线控制桩基的线性和间距, 放线时, 桩基紧贴着围堰内侧施工, 有效将桩体和沉箱下插板成为一体。
8. 安全措施
安全措施是本工法控制的难点, 施工前及施工过程要加强安全的教育, 避免不熟练工作引起事故。我们主要从水上作业、 桥面作业、 机械及用电三个方面对施工人员进行了教育。本次施工无事故发生。
8.1 水上安全安全事项
8.1.1 施工人员进入施工现场必须戴好安全帽扣好帽扣, 登高2米必须戴好安全带扣好安全扣, 禁止醉酒作业。
8.1.2 施工前对沉箱, 船只必须进行检查, 合格后方可使用, 严禁机械带病作业。
8.1.3 水上作业必须穿救生衣, 特别在沉箱外面施工注浆, 堵漏, 小围堰和其它桩基作业, 作业处必须保证一艘船在作业面附近, 随时救生。
8.1.4 船只由专人驾驶, 并按期保养( 修理) , 每天做一次清理检查。
8.1.5 人员临近船边作业, 要注意防止落水, 上下爬梯防止踏空。
8.1.6 人员上下班用的爬梯要设置安全防护网。
8.1.7 沉箱移动时要防止沉箱被水流冲击引起倾覆。
8.1.8 沉箱拼装时要注意箱体稳定, 人员不得站在箱体结合处, 防止被挤压伤害。
8.1.9 保持行走通道干净、 整齐, 及时清理踏板上的泥巴, 防止人员滑倒。
8.1.10 箱体抽水完成后, 由于自重及水压较大, 注意观察箱体下土体的稳定性。
8.2 桥面作业安全事项
8.2.1 施工现场晚上必须设有专人值班, 各施工点设标记标识, 特别桥面施工点设置明显的安全警示标志。
8.2.2 桥上人员横过桥面注意来往车辆
8.2.3 做好防盗防火安全工作, 宿舍严禁使用明火, 贵重物品自己保存好。
8.2.4 本工程为多工种, 集体配合的工程, 而且是地面和水上交叉作业, 因此要求各工种紧密配合, 统一协调指挥。
8.2.5 开挖的基坑要设置临时防护网和警示标志, 防止其它人员意外跌落。注意观察基坑稳定情况
8.2.6 桥上要注意设置安全保护墩, 同时施工人员穿反光服装。
8.2.7 桥上东西往下放的时候, 注意下面人、 物的安全, 桥面设置安全警示标志。
8.2.8 桥面施工作业在晚上进行时, 确保场地明亮。
8.3 用电机械安全作业
8.3.1 机械操作人员按照操作规程进行操作, 对外来临时用的有关吊车司机, 必须进行安全教育,
8.3.2 机械发生故障时, 必须停电维修。
8.3.3 每天定时按照要求检查漏电保护器的灵敏性, 对存在问题的开关, 保护器及时更换。
8.3.4 电线要与施工人员保持安全距离, 避免潮湿造成触电伤害。
8.3.5 加强配电箱的管理, 一个漏电保护器对应开关控制一台机械。
8.3.6 施工现场用电设施的安装必须有专职电工操作, 其它人员不得乱接线, 规范接线。
9. 环保措施
沉箱围堰使用的材料主要是钢板、 水泥、 水玻璃等材料, 由于水泥、 水玻璃的用量都比较少, 且大部分都在滩涂下面作业, 对环境几乎不造成影响。可是施工过程中要尽量控制水泥、 水玻璃材料的用量, 水泥浆采用边搅拌边使用, 不得浪费和随意倾倒。
10. 资源节约
本工法使用的材料尽量采用能二次利用或多次使用的钢板, 钢板在本工程完了以后, 能够再去其它地方循环使用。同时不去开挖土地, 不会造成土地资源的浪费, 处理范围仅局限在围堰内。
11. 效益分析
本项目经过分析相对其它几种措施而言存在其它措施不能打到的效果, 首先保证了安全施工, 其次资金的最佳利用, 达到施工质量要求。
12. 应用实例
本工法的利用主要在灵昆大桥桩基础处理上, 灵昆大桥需要处理的桩基共150根, 其中16#、 17#、 18#、 19#、 25#、 30#、 32#、 33#、 36#墩共9个墩采用沉箱围堰措施进行处理, 共投入了沉箱围堰3套, 施工时间从 4月1日到5月23日, 终于在台风季节前全部处理完成, 历时53天。处理水下深度6m, 滩涂下80cm, 该处地质情况为砂土。