深水复杂地质钢板桩围堰施工技术

摘要：针对松陶铁路第二松花江特大桥的地质及水文条件，总结了钢板桩围堰类型及施工机具选型，以及插打钢板桩时相应的注意事项，对插打钢板桩围堰施工过程中出现的问题给出解决方案，对钢板桩围堰施工技术进行阐述，对今后类似工程有借鉴作用。

关键词： 深水 钢板桩 围堰施工

中图分类号： TU74 文献标识码： A

1工程概况

松陶铁路第二送花江特大桥为单线直线桥。中心里程DK100+228.868，水中桥墩为57#-61#采用矩形实体墩。承台为三层或两层矩形承台。墩台基础均采用钻孔灌注桩基础。

钢板桩围堰施工主要为解决57#―61#水施工，水下部为桩基础及承台、矩形实心片墩，上部连续梁采用悬臂挂蓝施工。其中以58#承台为例介绍钢板桩围堰插打施工过程。

水文类型：

桥址区位于第二松花江河谷平原区，线路与第二松花江斜交，斜交角度为75°，河道两岸有明显的陡坎台地。最大水深约14m。

地质类型：

河底为淤积沙性土，主要为粉土，粉砂，细砂，中砂，粗砂，砾砂。

2钢板桩围堰设计及布置

2.1钢板桩围堰选型地质分析

主桥57-61号墩，均位于松花江主河道中，水深达6～7m，且承台顶面位于河床面以下，承台施工时需水下开挖河床，因此，承台施工采用打入钢板桩围堰方案进行。水中承台以59号台为例，平面尺寸为10.6m×22.6m的四边形三层结构，承台底标高为123.075m，混凝土需分层浇筑完成。

根据第二松花江特大桥主桥工程地质报告显示：河床顶面（标高131.65m）至标高126.64m处土质均为河底搬运、饱和态的淤积细沙；标高126.64m至一般冲刷线（标高124.828），为粉细沙层，标高124.828至承台底标高（标高123.075m）处土质均为流塑、饱和态中沙；方案设计计算时，取最高水位为标高136.26。

河床底部为第四系全新系统，以粉质土与砂土为主，厚度不一，渗透力强。

2.2钢板桩围堰施工结构设计

钢板桩围堰适用条件：深水或深基坑，流速较大的砂类土、粘质土、碎石土等坚硬的河床。防水性能好，整体刚度较强。钢板桩围堰是承台及墩身部分施工时的防水围堰，其主要是钢板桩和封底混凝同形成围堰起防水作用。因此要求钢板桩围堰结构密实，不漏水或漏水很少。

根据第二松花江江特大桥水中主桥的地质情况，进行了钢板桩围堰施工方案的结构设计，其要点如下：

（1）围堰采用钢板桩围堰，由单层钢板桩和一层NH700（H型钢）、ф630大直径钢管组成的围笼、内撑梁组成；

（2）围堰平面为矩形，钢板桩单根长18m，被打入后，其底端标高为117m，顶面标高为135m；

（3）采用国标SP-U600×210型钢板桩，套型锁口，锁口内涂上黄油，两桩锁口联结转角10～15°，摩阻力小，防渗性较好，四个转角位置采用焊接的T形钢板桩；

（4）履带吊配合DZ-90型振动锤进行打入，施工完成后拔除；

（5）围笼分别安放在设计标高位置处，焊接在钢板桩的牛腿上，内撑梁外缘两端与围笼相撑住，以加大围堰抵抗土侧压力及水压力的能力。

（6）考虑到围堰所受的三角形土压力和水压力在承台高度范围内比较大，为了保证承台混凝土分次浇注完成，只在标高132.5m的位置设置一处围笼支撑。

（7）钢板桩围堰内淤泥采用抽吸式水下吸泥机进行清淤。

（8）因承台底面下的地层为沉积淤沙，为确保混凝土封底质量，防止封底混凝土内形成淤泥夹层，在清淤完成后先铺设一层厚50cm的片石垫层，然后进行1.5m厚水下封底混凝土的灌注。

3.3钢板桩方案比对

方案初期确定59#平台采用钢套箱施工，通过方案比对及结合场地、工期、经济优越性、地质情况，经多方比选，钢板桩围堰较钢套箱围堰方案优越性有以下几个方面：

（1）占用空间小，无须准备大的制作钢套箱场地；

（2）对设备要求相对较底，无须配置大型托运和下沉钢套箱的设备；

（3）可多次周转且打设速度较快，加快施工进度；

（4）钢板桩围堰基底清淤、拆除等较钢套箱围堰安全，拆除方便，对原河道恢复较容易；

（5）钢板桩围堰在施工投入、工期、施工安全等方面均比钢套箱围堰优越。

（6）采用振动锤插打钢板桩具有操作简便，移动快速，振动锤兼有拔桩功能，对成桩竖直度不好的的钢板桩，以及钢板桩合拢段未能闭合时皆可迅速拔桩。节约器材，减少了驳船施工，可直接利用搭设的钢栈桥进行钢板桩插打施工。

3 钢板桩围堰的插打

3.1施工准备

将新旧钢板桩运到工地后，详细对其检查、丈量、分类、编号，同时对两侧锁口用一块同型号长2～3m的短桩作通过试验，锁口通不过或桩身有弯曲、扭曲、死弯等缺陷，采用冷弯、焊补、割除、接长等方法加以整修。为保证插打过程顺利，在锁口处涂以适量的堵漏材料（黄油：锯末：膨润土；5:5:3）。

3.2导向架安装

先进行定位测量。导框采用牛腿式底托，牛腿使用[20槽钢焊接在钢护筒上。导框采用现场的钢板桩制作，固定在牛腿上，在钢板桩上设置定位卡盘，限制钢板桩的平面位移。

插打钢板桩

3.3钢板桩插打

钢板桩采用单根插打。将钢板桩运至指定位置，然后用履带吊起吊钢板桩，使钢板桩成垂直状态，插入已就位的钢板桩锁口中，靠自重插如土层中脱钩，之后更换DZ90振动锤，用液压钳夹住钢板桩竖直向下进行激振。

激振过程中随时控制钢板桩的竖直度，采用3m水平靠尺进行纠偏，倾斜度控制在1%以内才允许继续下打，钢板桩在淤沙质地段挤进过程中，受到淤沙中块石或其它不明障碍物等侧向挤压作用力大小不同容易发生偏斜，采取以下措施进行纠偏：在发生偏斜位置将钢板桩往上拔1.0～2.0m，再往下锤进，如此上下往复振拔数次，可使大的块石等障碍物被振碎或使其发生位移，让钢板桩的位置得到纠正，减少钢板桩的倾斜度。由于58#台钢板桩插打施工时，冻土层还未开化，多次拔起再插打也不能调整，导致竖直度控制困难，后采用先进行冻土开挖，并配合高压冲水，再次插打钢板桩，得以解决冻土插打钢板桩的困难。

钢板桩插打流程

3.4钢板桩围堰合拢

第二松花江特大桥钢板桩围堰合拢方式采用边角合拢，选在下游处小里程角进行合拢（距离边角4-5片），这样受水流影响较小，在距离合拢约有10-15片钢板桩时开始进行精细测量，开始重新调整导向框间距，为了防止合拢时角桩与合拢片不在一个平面，需角桩一面锁口与对面钢板桩保证在一条直线上。

在第二松花江特大桥钢板桩围堰合拢时出现过无法合拢的现象，对此我们采取对相邻钢板桩“隔一抽一”的方法进行合拢调整。先把边上的钢板桩每隔一个拔起一个，完后将合拢钢板桩向下打入，最后将拔起的钢板桩依次重新打入进土层。

3.5 振动锤插打钢板桩控制要点

（1）履带吊停在离打桩点就近的钢平台，侧向施工，便于测量人员观察。挂上振动锤，升高，理顺油管及电缆。

（2）锤下降，开液压口，拉一根桩至打桩锤下，锁口抹上油，起锤。

（3）待钢板桩尖离开水面30cm时，停止上升。锤下降，使桩至夹口中，开动液压机，夹紧桩。上升锤与桩，至打桩地点。

（4）对准桩与定位桩的锁口，锤下降，靠锤与桩自重压桩至淤泥以下一定深度不能下降为止。

（5）试开打桩锤30秒左右，停止振动，利用锤惯性打桩至坚实土层，开动振动锤打桩下降，控制打桩锤下降的速度，尽可能的使桩保持竖直，以便锁口能顺利咬合，提高止水能力。

（6）板桩至设计高度前40cm时，停止振动，振动锤因惯性继续转动一定时间，打桩至设计高度。

（7）打桩前一般应在锁口内涂以黄油、锯末等混合物，在打完钢板桩后，开始进行钢板桩围堰内的止水处理。

4钢板桩围堰内支撑安装

在确保安全的前提下，基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合本钢板桩工程的特点，只有两层支撑。基坑支撑安装的顺序如下：向内进行吹沙――抽水至内第一层内支撑标高――安装第一层内支撑――抽沙至第二层内支撑标高――安装第二层内支撑――抽沙至封底标高――进行水下混凝土封底――排水堵漏。

支撑结构的内力计算：在支撑结构的土压力、支撑力和钢板桩的插入深度确定后，即可根据静力平衡条件确定任意截面上的支撑结构所受的弯矩。

支撑设计通常有等反力和等弯矩布置法，考虑到本工程实际情况，设计时按实际所须间距计算，不等反力也不等弯矩。

一共分为四种工况：

工况一：两层内支撑已安装，围堰内吸泥清淤完成，准备打封底混凝土；

工况二：封底完成后，抽干围堰内积水，准备施工承台；

工况三：第一层承台施工完成后，在+125.825高程处设置临时支撑；拆除底层内支撑，施工承台；

工况四：施工过程中考虑围堰外涨水至+135.0，围堰内外水头控制在5m以内。

钢板桩强度计算

①假设钢板桩在封底砼面以下0.5m处铰接；

②顶层内支撑作只受压支座模拟；

利用程序Midas Civil2006建施工阶段计算，各控制工况计算结果如下：

“×”表示内支撑未安装或已拆除

由上表中的各工况可按多跨连续梁，用力矩分配法计算出各支点的支反力及各点各跨中的弯矩并找出最大弯矩以验算钢板桩的截面。支反力即为作用于横向支撑上的荷截，进而验算支撑的强度和刚度。

内支撑受力计算：

围堰两层内支撑采用相同的截面形式，内支撑圈梁均采用2根HN700组焊，内支撑钢管采用Φ630×10mm钢管，根据前面计算，内支撑最大受力:q=232.0kN/m；

计算模型如下：

计算结果：

组合应力图（单位：MPa）

剪应力图（单位：MPa）

位移图（单位：mm）

由以上计算有：圈梁最大应力，满足要求；内支撑钢管应力，考虑折减后，满足要求。

5钢板桩围堰内吸沙封底

5.1钢板桩围堰水下吸沙作业

根据松花江地质条件为采砂迂回区，多为粉细砂覆盖层，确定了钢板桩围堰内开挖采用水下吸沙作业进行施工，采用吸沙船进行等水压吸沙。开始吸沙前需先对钻孔灌注桩施工及钢板桩围堰施工时所遗留物进行清理，防止有铁器等杂物坠入。吸沙作业时需注意保持围堰内外水头一致。

(1)吸沙时吸出的泥土严禁堆放在钢板桩四周，需及时用船外运，以免增大堰外侧压力。

(2)吸沙后堰内土面平整度应控制在±15cm左右。

(3)吸沙后要注意桩头周围土后板桩槽内土必须清除干净，须经验收合格后方可终止。清基时不要过分扰动钢板桩边缘土层。靠近钢板桩附近的泥砂较难吸出，可由软管射水，用0.3～0.5mpa的水压将泥砂冲向吸沙机附近吸出。施工中应随时使用标准测量绳对基底标高进行复核，尤其注意钢板桩角隅泥土应清除到位。

(4)吸沙后围堰内土达到设计高程后立即用石子找平。

水下吸沙

5.2钢板桩围堰水下封底作业

5.2.1施工前的准备及检查工作

采用垂直导管法灌注水下混凝土。

在围堰内布置8-10根φ300mm导管（每根导管用6kg/cm2的水压与8.5t的拉力进行检查试验。10分钟后无破裂，漏水及显著变形为合格），长度11m至14m，具置见图导管布置图1，混凝土的流量半径R约2.5m左右。灌注强度采用0.15m/h左右，要求每小时产量约30m3。

导管作用范围覆盖全部围堰底部。每根导管的顶端均设一个容量为1m3的漏斗，每个漏斗下面接上阀门。

导管在平台上预先分段拼装，吊装时再逐渐接长，下放时保持轴线顺直。导管口下沉至岩面后提升到距离底面20―40cm，然后用链条葫芦固定在平台上。漏斗上方的工作平台上设置1个容量为 5m3的储料斗，出料斗出口设置溜槽，直接通到导管上方的漏斗内。

（1）围堰基底有淤泥等承载力极低的地质，应根据计算换填一定厚度的碎石和填砂，并经水下整平。为防止导管法灌注混凝土时首批混凝土将泥砂裹入其中，整平后的基底应铺上一层土工织物或石棉瓦。

(2)混凝土材料可参照钻孔灌注桩水下混凝土有关规定，混凝土的坍落度宜为180～220mm。

(3)同时灌注，当基底不平时，应逐步使混凝土保持大致相同的高程。

(4)每根导管开始灌注时所用的混凝土坍落度宜采用下限，首批混凝土需要数量应通过计算确定。

(5)在灌注过程中，导管应随混凝土面升高而徐徐提升，导管埋深应与导管内混凝土下落深度相适应。灌注深度≤10m时导管最小埋深一般不宜小于0.6～0.8m。用多根导管灌注时，导管埋深不宜小于表1的规定。

(6)在灌注过程中，应注意混凝土的堆高和扩展情况，正确地调整坍落度和导管埋深，使每盘混凝土灌注后形成适宜的堆高和不陡于1:5的流动坡度，抽拔导管应严格使导管不进水。混凝土面的最终灌注高度，应比设计值高出不小于150mm，待灌注混凝土强度达到设计要求后，再抽水凿除表面松弱层。

导管间距（m） ≤5 6 7 8

导管最小埋深（m） 0.6～0.9 0.9～1.2 1.2～1.4 1.3～1.6

表1 导管不同间距的最小埋深

5.2.2封底混凝土的有关规定及质量要求

（1）灌注封底混凝土之前，应将桩身和箱壁上附着的泥浆冲洗干净，钢护筒周围可焊接角钢或钢筋等，以加强封底混凝土与桩基的传力效果。

（2）封底之前，有关设施：如封底平台，储料设备，测量设施，安装就位完毕，由作业队检查组，全面进行检查。

（3）强度：封底混凝土水中强度为C25，水灰比应不大于0.60。

（4）坍落度：原则上用18-22cm。

混凝土试验人员，除按规定进行检查工作以外，每班皆检查坍落度并抽查砂石、水泥及水的用量的情况加以记录，至少应每2-3小时记录一次。

（5）混凝土拌合应有良好的粘滞性，静止沉淀2小时的相对泌水率B=0.012-0.018，拌合物无石碴下沉，砂浆浮起现象。

（6）水泥初凝时间不少于3小时，终凝时间不少于5小时。

（7）使用中砂、使用5-40mm碎石，含砂率为50%左右。

（8）为了改善混凝土的和易性，可添加外加剂，具体由试验室定。

（9）混凝土拌合物从出厂到灌注，应层层把好关（特别是混凝土试验人员及拌合机出料口扒混凝土的人员）发现离析、拌合不均、坍落度不对等应立即报告负责人处理，严禁把不合格的混凝土灌入导管内。

5.2.3灌注方法与操作要点

(1)开始灌注前，检查导管内水面上有无木片等杂物，应打捞干净。然后用φ240mm的通孔器对导管通过一次，测量导管内基底高程，将导管下端放置在离基底或混凝土面0.2m处。

(2)首灌封口采用拔塞工艺，按照先周边后中间的顺序逐个封底，最好导管间隔封底。封底施工开始后，砼输送泵向储料斗泵送混凝土，待料斗满时，下达1号导管首灌指令，中央储料斗操作人员开启料斗底门，混凝土流向1号导管，当1号导管首灌封口成功，进行2号导管首灌施工，同理进行后续导管首灌施工。

首批混凝土量V=h×d2π/4+Hc/3×D2π/4=5.57m3

各导管完成首灌后，每间隔一定时间补料一次，按顺序逐根补料。每次补料均有工作人员在指挥中心挂图上标明时间、混凝土注入量及混凝土面高程。各导管不断补料灌注，混凝土面均匀上升，整个浇注过程中，拌合站要求始终处于工作状态，向中央储料斗源源不断供料，保证混凝土浇注速度。尽可能快的完成全部导管的开管顺序，这对减小混凝土的流动半径，提高水下混凝土质量有利。

(3)封底混凝土浇注过程中，须严格控制混凝土布料厚度，确保封底砼的质量。

(4)灌注过程中要严格掌握与导管高程有关的数据。

①导管下端埋入混凝土的深度，一般不小于0.5m；

②正常时，导管内混凝土高度（h）与堰内自导管底至水面深（H）的比h/H=0.45～0.65。

③如发现导管漏水应立即停灌混凝土向项目总工报告，研究处理。

(5)随着混凝土面的增长，导管逐渐提高并逐节拆除，当埋入深度小于0.5m时，必须由导管组技术负责人统一指挥，严禁乱起导管，造成事故。

(6)每根导管每小时灌入数量一般不得少于7.2m3（三斗）。停灌超过30分钟可起落一次导管（起落范围10-15cm）。

(7)当灌注到预定高程后，把导管提出混凝土面，用水将漏斗及导管内的混凝土冲洗干净，打稍在工作平台上。平台清理及拆卸导管时，应尽可能避免螺栓或其它铁件落入围堰内，遇有落入大的铁件，应加以记录以预防钻孔中发生故障。

5.2.4测量及资料汇总工作

水下封底混凝土灌注过程中，测量是一项重要的工作。

平台上测量工作请施工测量队负责，事先对导管长度进行复核，并做好标记，测量资料统计工作由技术负责人负责组织。

(1)测点布置见附图共有10个测点测铊。测绳由施工测量队安设，导管拔球前、后的测量工作由二队导管组负责，按需要随时量测，按统一标准核对导管与测绳长度。

(2)有关统计表，测量项目及分工

各混凝土产量表，由负责该搅拌站指定人员填报，每小时向指挥人员报一次。集料储存量每班收班前一小时报一次。

平台测量记录表，由测量队负责，每20分钟测报一次。

混凝土分配表，由顶层平台值班人员指定专人填报，每小时报一次。

资料统计分析工作

混凝土产量统计，每小时汇总一次。

填写围堰内混凝土面流动及增长情况简图。

填写混凝土灌注资料汇总表，每20分钟一次。

其它记录：

命令记录，停机故障记录，气象预报及其它。

水下封底

6钢板桩围堰监测

6.1 钢板桩施工监测

在钢板桩施工中，打设的允许误差一般为：桩顶标高偏差±100mm；钢板桩轴线偏差±100mm；钢板桩垂直度偏差为1%。在打设过程中，应监测是否在允许误差范围内，超出时及时纠正。

6.2 钢板桩支撑系统监测

在钢板桩施工完成、封底以后，就开始支撑的施工。在施工支撑及承台的过程中，应对支撑系统进行监测。主要监测支撑的变形、钢板桩的变形、基坑内流动水量及围堰的位移等。在施工过程中可能出现如下的情况：

①钢板桩弯曲变形严重。这主要是钢板桩断面选用偏小，土压力计算偏低，基坑超挖或支撑间距过大等原因造成的。

②基坑底部涌水严重。主要是基坑封底时混凝土浇注质量不好，出现开裂、夹泥等情况引起的。严重时可以致使封底混凝土不能发挥其作用，而须要进行二次封底。

③支撑弯曲。这往往是由于支撑断面不够或受力不均造成。可增加支撑以解决。

④堰整移。这主要是钢板桩入土深度不够，地质情况有较大的出入等原因造成的。

对本钢板桩、支撑及围堰观测结果表明：变形、位移末超出设计要求，围堰能满足施工的要求。在监测过程中也发现，钢板桩在第二层支撑与封底混凝土之间有稍大的弯曲变形。分析原因主要是，在施工过程中，下放内支撑没有及和钢板桩连接，导致钢板桩与内支撑间脱空达不到支撑的效果，致使钢板桩发生弯曲。

7安全措施

7.1开工前应取得可靠的气象与水位预报资料，在施工中，调度室应随时掌握天气预报，并及时通知指挥人员，封底工作一般宜在5级风以下进行。

7.2吊机指挥由专人负责，信号明确，挂钩稳妥后方能起吊，挂钩人员要站好位置，防止发生碰撞事故。

7.3预防漏电触电事故。施工现场设置足够的照明设备，2台发电机轮流使用时，切断开关前尽先通知指挥台，确保夜间施工安全。

7.4没有明确的信号，不得开动机械。

7.5各层工作平台，上、下梯子，均应牢固可靠，四周设有安全木栏杆，围堰内最低层平台木板应尽可能铺满或者为测量人员，导管组人员铺设走道与防护网。

7.6双层作业的地方，都应戴好安全帽。

7.7机械设备和电路开关，发生故障时，应立即通知电力、机械值班人员修理，不要擅自处理。

7.8钢板桩围堰施工时除指定带队人员外，还指定安全值班员一名监督、检查各自作业区内的安全作业情况。

7.9设冲锋舟24小时值班，遇到人员落水事故及时救援。

7.10钢板桩围堰施工完成后，需进行每日定时监控量测，尤其对上游侧钢板桩加强监控，对形变过大的部位及时进行临时支撑的加固，夜晚施工也要设专人对水位和钢板桩形变进行监控。

7.11由于松花江属于东北第一大江，每年都有洪汛期，在施工水域范围内注意防汛工作，以适当的距离立水尺，注意观察汛期江水变化。充足考虑到水冲击影响，以及冲击对围堰的稳定性影响，并确保工程施工的安全。如果受到十年或百年一遇洪水的袭击，应尽早撤离所有施工机械和作业人员到安全区域，已经施工完成的结构部位应让江水回灌至围堰内或向围堰内吹沙的措施保证安全过度。

8结语

第二松花江特大桥基础施工所采用的钢板桩围堰，从方案选择及结构布置到现场施工，圆满的完成了本桥在复杂地质条件下深水基础施工。采用钢板桩围堰进行深水基础施工，是安全可行，方案可靠的，比双壁钢围堰和吊箱围堰操作更简便，更有效节约成本，加快施工进度，且受水流因素的制约小，极大的保证了桥梁基础施工的施工质量，但同时施工过程中应加大钢板桩围堰的监测工作，尤其是钢板桩竖向位移及内支撑形变量，以确保钢板桩围堰在特殊工况下的安全度过。

参考文献：

【1】交通部第一工程总公司.《桥涵》（上册）.北京.人民交通出版社.2000年3月

【2】江正荣.《建筑施工计算手册》（第二版）.北京.中国建筑工业出版社.2007年7月

【3】交通部公路科学研究所.《公路桥涵施工技术规范 JTJ 041-2000》.人民交通出版社.2000年10月1日实施

【4】霍小强，周传力，柯谨《振动沉拔桩机振动锤主要参数及选型计算》文章编号：1000-035X（2001）01-0003-02

【5】李明昭，万国宏，《桥梁结构力学》，人民交通出版社1990年6月

第一作者简介：张大骞，男，1986年生，北京城建精工钢结构工程有限公司助理工程师，本科，2010年毕业于内蒙古农业大学，道路桥梁设计专业，