汉宜铁路彭市汉江特大桥主墩基础钢板桩围堰施工技术-东合南岩土.pdf

桥梁收稿日期:2010-11-16;修回日期:2010-11-26作者简介:张俊庆(1972)，男，工程师，2009 年毕业于西北工业大学土木工程专业。汉宜铁路彭市汉江特大桥主墩基础钢板桩围堰施工技术张俊庆(中铁十二局集团第一工程有限公司，山西临汾041000)摘要:介绍新建汉宜铁路彭市汉江特大桥主跨承台设计参数及近 8 年现场水位变化情况，在承台施工中根据现场地质、水文情况及工期需要对深水、低桩承台围堰施工的方案进行比选;阐述了钢板桩围堰的设置、围堰安装、围堰变形控制、承台及墩身施工、围堰拆除的施工方法，围堰变形控制方法涉及常见问题插打钢板桩预防倾斜、钢板桩锁口漏水的处理，钢板桩围堰变形控制网的建立，变形观测点设置、变形观测频率，围堰变形控制措施及关键控制工况的选择。结论为:在黏土层地质条件下，钢板桩围堰施工较钢套箱围堰施工在成本、工期上具有优越性。关键词:铁路桥;钢板桩;围堰;承台;施工中图分类号:U445.55+6文献标识码:B文章编号:1004-2954(2011)04-0070-041工程概述1.1工程概况新建汉宜铁路彭市汉江特大桥位于仙桃市沉湖镇汉江桥上游约 33 km 处，桥梁中心里程为 DK108+536.025。主桥以 1 联(102.8 m+168 m+102.8 m)预应力混凝土连续刚构跨越汉江河道。其中 119 号墩位于堤岸边坡上，120 号墩位于汉江河道中，河道四季有水。主墩承台平面尺寸为 26.9 m 21.1 m，高度为 5m，墩座平面尺寸为 13.5 m 18.4 m，高度为 2.5 m。河床土层以粉质黏土、粉土为主。大桥桥位处左侧河堤顶高程为 37.1 m，右侧河堤顶高程为 38.3 m，河床底最低高程为 20.58 m，设计施工水位为 26.5 m。根据水文资料，近 10 年最低水位为 21.33 m(2008 年 3月 21 日)，最高水位为 33.84 m(2003 年 9 月 8 日)。左右大堤间宽 545 m，最高通航水位 36.26 m，最低通航水位 23.43 m。通航孔通航净空尺度:航道等级为级，净宽不小于 150 m;净高在最高通航水位以上不小于 10 m。1.2施工水位的确定因水位变化对水中墩施工有直接的影响，对水文站近 8 年的水位情况进行了初步调查统计。根据总工期要求，结合现场实际情况，主桥桩基计划在 2008 年12 月至 2009 年 3 月初前完成，承台在 2009 年 5 月中旬完成，墩身在 2009 年 5 月底前出水(墩顶施工高程高于 30 m)，根据总体施工计划，施工水位按近 8 年同期最高水位为 25.37 m 确定，考虑行船、风浪引起的水流冲击，钢板桩顶高增加到 28.0 m，施工检算按 26 m进行设防1。2围堰方案比选水中施工常用钢围堰有钢板桩、钢套箱、钢吊箱等形式2。从基础结构形式看，119 号、120 号墩主墩承台属低桩承台，施工宜采用钢板桩、钢套箱 2 种方案。彭市汉江特大桥水中墩是我标段管理重点，必须紧抓枯水期施工，确保 2009 年汛期前墩身出水面，方便后续工程施工，为早日完成彭市汉江特大桥奠定基础和创造条件。因此方案选择在保证安全的前提下要确保“2009 年 5 月 27 日前墩身出水面”。2.1钢套箱围堰119 号墩钢套箱围堰地处岸边斜坡，沿桥纵向两侧高差 8 m，套箱下沉须将地面整平，但因桩基已施工，桩间距离较小，加上施工平台影响，河床整平困难。河床土层为黏土及粉质黏土，水下开挖难度大，围堰下沉周期长。120 号墩钢套箱围堰需下沉 15 m，吸泥下沉周期长。16 m 套箱分 3 节，现场需要接高 2 次，浇筑配重混凝土辅助下沉，工序多，时间长，成本加大。根据我单位天兴洲大桥 061 号墩类似经验，围堰下沉到位和承台施工，共需 90 d 时间。2.2钢板桩围堰在天兴洲正桥施工中，桥位地质和水文条件与汉江桥相似，河床土层以粉质黏土、粉土为主，承台尺寸与水文条件也大致相同。119 号墩地处坡地，与天兴洲大桥 065 号墩施工情况相同;120 号墩水深条件和地形与天兴洲大桥 060 号墩接近。汉江桥施工在相似条件下进行方案优化，承台采用一次性浇筑，可以在60 d 之内完成。2.3初步比选结论经比选，两墩采用钢板桩围堰方案能满足工期07铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2011(4)东合南岩土 张俊庆汉宜铁路彭市汉江特大桥主墩基础钢板桩围堰施工技术桥梁需要。3钢板桩围堰布置钢板桩采用拉森型，119 号墩采用 20 m 钢板桩，120 号墩采用 22 m 钢板桩。119 号、120 号墩内支撑根据挖深不同分别采用 2 道和 3 道。支撑系统采用H588 型钢作为圈梁，平面支撑采用 530 mm(10mm)、630 mm(12 mm)钢管结构，竖向采用 270mm 钢管与内支撑连接形成三维空间体系，增强支撑结构稳定性2 6。119 号墩钢板桩的具体布置如图 1 图 3 所示。图 1围堰立面(单位:mm)图 2第一道支撑平面布置(单位:mm)图 3第二道支撑平面布置(单位:mm)120 号墩钢板桩的具体布置如图 4 图 7 所示。4钢板桩围堰施工方法和工艺钢板桩围堰施工承台工艺流程见图 8。4.1插打钢板桩前的准备工作钢板桩插打前准备工作包括:拆除钻孔平台，对河床进行清理，避免在钢板桩插打位置遇到障碍物;钢板桩的整理、接长;钢板桩变形检查，振动锤检查;涂刷黄图 4围堰立面(单位:mm)图 5第一道支撑平面布置(单位:mm)图 6第二、三道支撑平面布置(单位:mm)图 7内支撑竖向连接(单位:mm)油混合物油膏:为了减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏，在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏(质量配合比为沥青黄油滑石粉锯末=4 6 10 1)。4.2钢板桩围堰的吊运、插打拆除平台顶面妨碍插打钢板桩的部分平台及部件。先在护筒上焊接牛腿，安装顶层内支撑，做为钢板桩插打的定位系统。安好内外导框及木塞等，并保证17铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2011(4)东合南岩土 桥梁张俊庆汉宜铁路彭市汉江特大桥主墩基础钢板桩围堰施工技术图 8钢板桩围堰施工承台工艺流程其牢固。检查插打钢板桩的振动锤、浮吊、船只、履带吊等设备，使之配套，以供使用。钢板桩的插打利用起重机配合 DZ90 型振动锤的方法逐片插打。起吊前，锁口内填嵌黄油沥青混合料。钢板桩的插打应该从上游中心开始为宜，向两侧对称依次插入，在下游侧合龙。钢板桩插打至设计高程后，立即与导向架进行焊接，以抵抗水流冲击。插打钢板桩时应保证其倾斜度不大于 0.5%，且要紧靠内导框，其间隙不得大于 20mm7。否则要采取措施，检查加固内外导框等。插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的原则。4.3钢板桩的合龙由于各种因素的影响，钢板桩合龙口不可能与设计尺寸丝毫不差，当误差不大时可采取千斤顶互顶、滑车组张拉等办法调整合龙口尺寸，然后插入合龙钢板桩。当误差较大采取上述措施仍无法合龙时，可制作异形钢板桩进行合龙。钢板桩围堰合龙后，必须将外导环与钢板桩之间空隙逐个以硬木塞紧。4.4钢板桩围堰可能遇到的问题及预防措施44.1插打钢板桩预防倾斜的措施在插钢板桩前，除在锁口内涂以润滑油以减少锁口的摩擦力外，同时在未插套锁口下端打入铁楔或硬木楔，防止沉入时泥沙堵塞锁口。采用复式滑车组纠正钢板桩的倾斜。在坚实土地带插钢板时，可将桩尖截成一定角度，利用其反力，使已倾斜的钢板桩逐步恢复正常。44.2钢板桩锁口漏水处理钢板桩由于插打不当、吊装不慎撞击等作用，致使锁口发生变形，出现渗漏。其补救措施是:在漏水锁口处的围堰外侧利用导管投撒细煤渣，煤渣沉至漏水高度处即可堵塞漏水。或用麻袋盛装细煤渣沉入水中，用活扣反倒在漏水部位，亦可堵漏。4.5围堰内抽水、吸泥、安装内支撑及水下封底钢板桩插打完毕后，开挖过程中及时进行内支撑的安装。围堰内开挖采用长臂挖机或小型挖机配合吸泥开挖的方法进行。进入钢板桩围堰底部施工时，由于水深压力大，可采用有水开挖，采用长臂挖机或小型挖机配合吸泥开挖的方法进行，以确保施工安全。开挖施工中，随时检查支护，做好防、排水工作，并加强底部渗水观测，防止突然涌水现象的出现。水下吸泥、清淤到设计高程后，即可进行水下封底混凝土施工，封底混凝土强度等级为 C30，119 号墩围堰的封底厚度为 2.5 m，120 号墩围堰的封底厚度为3.0 m。封底混凝土须一次性浇筑完成。混凝土由拌和站集中拌制，由混凝土罐车运至现场并通过汽车泵泵送。封底混凝土的浇筑顺序:先低处，后高处(先将低处混凝土灌高，避免高处灌注的混凝土往低处流，使导管底口脱空而进水或导管埋深过浅)。混凝土的浇筑应先四周后中间，并确保混凝土表面大致水平。待水下封底混凝土达到设计强度后，抽除围堰内的水，凿除、修整封底混凝土垫层，并在围堰四周作排水槽、集水井，用以在承台施工期间抽排渗水。4.6围堰变形观测46.1测量控制网的建立平面控制网采用 GPS 测设加密，高程采用三等水准附合水准线路。依据现有观测点新建 4 个观测控制点，建立的方法按普通标石埋设，标石用混凝土现场浇筑，中央埋设圆钢筋作为标志，钢筋头设有“”字线作为标志中心。各测量控制点距墩位距离不大于400 m。46.2变形观测点设置变形观测控制点为:钢板桩顶高程(围堰 4 个角桩，每边中点)。每两道内支撑之间长短边尺寸(两头中间，共 3 个尺寸)。46.3变形观测频率及主要控制工况变形观测频率为每天或每开挖 1 m 深度观测 127铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2011(4)东合南岩土 张俊庆汉宜铁路彭市汉江特大桥主墩基础钢板桩围堰施工技术桥梁次，当发现异常时，需要增加观测频率。根据围堰施工工序、验算资料、施工工艺，制定围堰变形观测控制工况:119 号墩工况一第一层内支撑安装完成并开挖至+25m 时;工况二围堰内抽水、吸泥到+20.5 m 高程时;工况三围堰内吸泥、清淤到+13.454 m 高程时;工况四围堰内抽水到承台底高程准备施工承台时。120 号墩工况一第一层内支撑安装完成并开挖至+25m 时;工况二围堰内抽水、吸泥到+21.5 m 高程时;工况三围堰抽水、吸泥到+18.5 m 高程时;工况四围堰内吸泥、清淤到+10.986 m 高程时;工况五围堰内抽水到承台底高程准备施工承台时。4.6.4围堰外形尺寸控制标准钢板桩倾斜度变化不应大于 0.5%，钢板桩位移偏量2 5 cm，板桩顶高程 20 cm，钢板桩与内支撑间隙不大于 20 mm7。4.6.5变形控制措施当围堰变形观测结果出现异常时应及时通知现场指挥及相关技术人员，共同制定相应控制措施。具体控制措施有:围堰外荷载限制(根据现场情况清理围堰外材料堆放，限制起重及运输车辆行走)、围堰外减压(根据水位情况及施工进度制定减压方案，降低围堰外施工平台高程减小土压力)、内支撑加固(在 2 道内支撑之间设置三角撑，加强内支撑作用范围)、钢板桩临时固结(在钢板桩之间焊接横向连接型钢，减小锁口受力，使钢板桩形成稳固受力平面增强稳定性)。4.7承台、墩身施工基坑检验内容:基底的平面位置、尺寸和基底高程满足施工工艺要求，保证承台的设计尺寸和位置并满足承台施工所需的净空间。桩头凿除采用风镐配空压机进行，桩头凿除后顶高程应比设计承台底位置高 20cm 左右，要求桩头露出新鲜混凝土，表面清理干净，无浮渣，保证桩头顶端齐平无破损、无漏筋等现象。进行承台墩座、墩身和托架的施工。4.8围堰的拆除钢板桩围堰的拆除与安装工序相反，先向围堰内注水至待拆除支撑下 1 m 处，然后再拆除该道支撑;最后一道支撑拆除先向围堰内注水至围堰外水位高程，拔除钢板桩;待所有钢板桩均拔除后，再拆除第一道支撑。钢板桩拔除方法:先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动 1 2 min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化”，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢往上振拔。拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难时，可先往下打入少许再向上拔除。5结论(1)钢板桩插打过程中插打误差对钢板桩围堰能否顺利合龙非常关键，所以施工中必须坚持不断监测，发现倾斜偏位应及时纠正，以保证钢板桩顺利合龙。(2)钢板桩插打顺序应从上游经墩位两侧至下游合龙，这样可以减少钢板桩因水流阻力引起插打不便。(3)钢板桩施工过程中，必须设置专人负责围堰变形观测，出现异常时及时通知现场技术人员，以便采取相应加固措施。(4)要严格控制钢板桩围堰封底混凝土的质量和厚度，待水下混凝土达到设计强度后，方可进行抽水作业。(5)要严格控制钢板桩围堰外侧施工荷载，防止施工中出现超过设计施工荷载对围堰的破坏。总之，钢板桩围堰在深水基础施工是一种施工简单、快捷、成本较低的围堰形式8，9。119 号、120 号墩承台使用拉森型钢板桩在深水底桩承台且含有黏土层的情况下取得成功。119 号墩承台施工 69 d 完成，120 号墩承台施工 64 d 完成，现场控制基本达到预期效果，并且成功避免了钢套箱围堰在加工制作、现场拼装、黏土层中下沉等潜在的不确定因素，实现了墩身按计划出水的阶段性目标。119 号、120 号主墩承台施工顺利，未发生安全、伤亡事故;变形观测设置合理、控制及时，最大变形量 48mm;围堰拆除及时，减少材料浪费，节约材料费大约200 万元，值得类似工程借鉴。参考文献:1景兆德 京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术J 铁道标准设计，2010(4)2凌志平，易经武 基础工程M 北京:人民交通出版社，2004(7)3刘成宇 土力学和基础工程M 北京:中国铁道出版社，1981(4)4中华人民共和国建设部 GB500172003钢结构设计规范S北京:中国计划出版社，2003 5中华人民共和国建设部 GB50072002建筑地基基础设计规范S 北京:中国建筑工业出版社，2002 6汪正荣 简明施工计算手册M 北京:中国建筑工业出版社，2005 7中华人民共和国铁道部 TB102032002铁路桥涵施工规范S 北京:中国铁道出版社，2002 8陈永勇，亢士杰 钢板桩围堰在高桩承台施工中的应用J 铁道标准设计，2007(12)9韩跃国，陈永勇，皮海波 永修大桥主墩钢板桩围堰设计与施工J 铁道标准设计，2008(5)37铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2011(4)东合南岩土