东北地区冬期砾石土层地质围堰钢板桩插打施工

摘要 沈阳新立堡桥地处东北沈阳市浑河区，其中9#墩基础采用钢板桩围堰施工。相比常规的钢板桩围堰插打，该围堰钢板板桩设计入土地质层有中密砾石土层，且在冬期开始插打施工。针对该工程特点，本文介绍了前期长螺旋干作业引孔，后期大吨位变频液压桩锤夹持钢板桩插打的施工工法。

关键词东北；钢板桩围堰；冬期；砾石土层；引孔

中图分类号：TU392.4文献标识码： A 文章编号：

1工程概况

沈阳新立堡桥是沈阳市为承办全国青奥会而修建的联通浑南区与浑北区，跨越浑河的一座连续梁桥。

其中9#墩墩位处于浑河河道中，前期采用填土筑岛进行钻孔桩施工后，平整场地，基坑采用钢板桩围堰施工。其中筑岛面标高：+45m,原板桩设计顶标高与筑岛面齐平，板桩长度18m，采用进口拉森Ⅳ型钢板桩，单桩有效宽度400mm。原围堰尺寸：37.8m(长) ×18m(宽)×18m(深)，设计用桩276根。河道水位为+43m，基坑底设计标高+34.89m,开挖深度10.11m。

板桩从标高+43.5处（考虑1.5m的开槽），从上往下依次穿越6.55m深杂填土层、0.7m厚淤泥、3m厚砾砂层、7.75m厚圆砾层。

其中砾砂层呈黄褐色，石英-长石质，局部有粗砂、圆砾夹层，填充混泥砂，中密，容许承载力420kPa,桩侧极限摩阻力90kPa。

圆砾层由结晶岩石组成，一般粒径2～20mm,最大粒径80mm,磨圆度好，坚硬，呈亚圆形，级配良好，充填约30%混泥砂和粘性土，中密，容许承载力860kPa,桩侧极限摩阻力120kPa。

2工程特点分析

9#墩钢板桩围堰区别于常规陆地钢板桩围堰施工，特点如下：

（1）基坑开挖深度达10.11m,且地下水位很高，而现有地质情况下，参考邻近已施工的桥梁，水下基坑取土无法施工，必须采用干挖，开挖深度大，围堰板桩入土深度必须得以保证。

(2）地处东北地区，基坑施工时间大约为11月底至12月初，正处于东北“上冻”期间，地面冻土层可达2m～3m厚。

(3)钢板桩入土地质层复杂且坚硬，既有中密砂层，又有圆砾层，还有砾砂夹层。单一型号的振动锤难以适应。

图1附近某桥梁施工基坑取土照片图

从图1可以看出，该桥围堰基坑底部砾砂板结，黏聚力大，且承载力良好。因此采用边抽水，边用小型履带式挖掘机掘松土层、挖运土方至内支撑空隙位置，最后土方倒运至基坑外。

3试桩

针对9#墩钢板桩围堰工程地质复杂特点，开工前进行试桩插打，收集数据，从而更好的选择施工机械与施工方案，数据如下表：

表19#墩围堰钢板桩试桩记录表

从表1可以看出：

（1）10.04日采用履带吊配合振动锤插打的施工方法，即使震动桩锤型号增加到DZJ-150型（该型号锤为变矩形振动锤，固定频率为1000r/min。带单夹持器后，自重约11.5吨），也难以达到设计标高。因为振动锤的原理是振动锤的振动频率与周围土体达到一致时，共振使土体液化，从而减小桩侧土摩擦力，使桩在锤头偏心距与自重作用下更容易的下沉。而本处地质中，土体在振动力作用下，难以达到与振动锤相一致的振动频率。

（2）原有钢板桩设计长度18m的情况下，现场施工困难，单桩插打效率低下。一般陆地围堰，无特殊土质情况下，日插打(12～15m)桩35～40根/天,而按照10.12日试桩情况，日插打桩仅不到16根。

（3）11.07日前期采用长螺旋钻机引孔16m，后用420-C型液压打拔桩机仅入土15m,说明引孔可能塌孔和或引孔的垂直度难以得到保证，因为最后的圆砾层钻进时困难，而钻杆在较大压力下容易产生偏移，原理同钻孔桩施工时的钻头。

4施工方案优化

针对试桩的数据，现场施工情况分析，施工方案优化从三个方面着手：

（1）设计方案本身是否考虑周全，即板桩计算方法或者18m的计算长度参数取值有无遗漏，偏颇，进行仔细分析。

（2）施工方案中涉及的桩工机械的选型，更好的与该地质情况相配。

（3）试桩中采取引孔的方法基本可行，施工工艺继续细化。

设计方案优化

根据9#墩围堰试桩数据，召开专题讨论会。会后结论认为，原设计方案采用的是“深埋桩”计算方法，即常用的等值梁法计算弯矩为零点的位置，板桩弯矩无充分利用，支撑结构要求很强。

相比较“浅埋桩”计算方法―最底层内支撑往下范围内的主动与被动土压力合力矩之差小于零，即钢板桩不会绕最底层内支撑为轴而转动，板桩弯矩可得到较充分的利用，支撑结构不要求很强。

9#墩围堰板桩入土层坚硬，即板桩底部被认为是一个嵌固点是可行的，且试桩过程中没有达到按“深埋桩”计算的入土深度，应改变计算方法，用“浅埋桩”计算方法反算板桩的抵抗弯矩能力，若符合要求，则可。

经计算，改为浅埋桩后，桩长缩短为15m。若按原支撑布置，板桩弯矩过大。增设支撑减小板桩弯矩。通过增设第三道支撑，分担原有第二道支撑过大的支撑反力。第三道支撑MIDAS受力模型如下：

图3增设的第三道内支撑MIDAS受力模型图

从图3可以看出，增设的第三道内支撑的最大应力为σmax=160.49Mpa＜［σ］=170MPa,基底干封工况计算满足要求。而且封底结束后，第三道内支撑可拆除，可以倒用。

机械选型优化

根据附近桥梁基坑围堰的施工经验，要想较容易的达到与原土相同的振动频率，现有的变矩机械振动锤难以达到要求，可以选用高频液压振动锤，其振动频率较普通振动锤要高很多，且激振力大，传力平稳。如下图所示：

图4高频液压打桩锤现场施工图

相应的，前期引孔后，也可以采用更大功率的液压打拔桩机，以保证入土深度。

考虑到设计方案已经把桩长缩短为15m,但同时需考虑地质的不均匀性和机械使用性能储备，仍然按18m钢板桩插打，结合试桩数据综合考虑，两种机械选型比较如下：

(1)高频液压振动锤方案

优点：

振动频率高，更适合在密实土层中插打钢板桩。

高频液压振动锤转速可达1700r/min，甚至更高。

2）重量轻，激振力大，同等起吊能力下，可以选择更大型号的振动锤。相比DZJ-150振动锤，同等激振力，DZJ-150振动锤重量为11.5吨，而高频液压振动锤重量8.6吨。（以荷兰ICE的815C型锤头为例）。

3）激振力传递平稳，夹持器对板桩顶端部分破坏小，利于板桩保护。

施工噪声小，施工人员需求少。

不需要引孔，可以直接插打到18m的设计标高。

缺点：

1）设备复杂，国内现有设备大部分进口。

2）租赁费用价格昂贵，租金达17万/月（含油费）。

3）需配备大型液压站，液压站需占部分场地。

4) 同时需配备QUY-50履带吊，插打过程中提锤。

(2)前期长螺旋钻机引孔，后期大功率液压打拔桩机方案

优点：

设备简单，国内现有设备均能满足要求。

租赁费用为长螺旋钻机与打拔桩机费用之和，租金约15万/月（含油费）。

不需配备液压站设备与QUY-50履带吊设备。

缺点：

1） 大型液压打拔桩机自重大，对场地承载力要求较高，尤其是前期钻孔桩施工后泥浆池换填要保证到位。

2） 前期需要长螺旋钻机引孔，两种机械穿插作业，对现场组织协调能力要求高；引孔后需及时插打，时间安排上必须见缝插针。

3） 施工噪声大，夹持器对桩头破坏较高频液压振动锤要大。

综合考虑，冬期施工时，地表存在的坚硬冻土层，插打钢板桩时必须破坏掉这层“刚性”土，而长螺旋钻机引孔时刚好可以破坏这层冻土，一举而两得。最后选用长螺旋钻机引孔，后期大功率液压打拔桩机的机械选型方案：

（1）长螺旋钻机: CFG-26型，配备φ600mm钻杆，最大引孔深度:26m，电机功率：2×55kw，额定扭矩:44.3 kN.m。

(2)液压打拔桩机：日立EX6000LCH挖掘机底盘，并配备激振力60t液压振动锤。

图5长螺旋钻机与大功率液压打拔桩机图

引孔工艺细化

长螺旋干作业钻孔桩是一种无泥浆循环的机械式干作业连续成孔成桩施工方法，钻头切削下来的钻渣通过螺旋钻杆叶片不断从孔底输送到地表；长螺旋钻孔施工法对地层适应性强：适用于填土、粘性土、粉土、砂性土、园砾层、卵砾石层、强中风化岩石等。

针对9#地质条件及前期钢板桩试打的情况，拟采用长螺旋钻机干作业引孔，引孔到位后，液压桩锤夹持钢板桩，插打到位。施工要点如下：

(1)根据钢板桩围堰尺寸及组合方式，洒白灰，定尺寸及桩位点。

(2)采用顺打方式引孔，具体结合现场实际合理安排。从围堰一侧端头推进至另外一头，引一个孔打一根板桩，板桩插打后孔内坍塌密实，不影响后续挨着引孔时，窜孔或者钻杆过度倾斜。考虑干法引孔不同于引孔后压浆或灌注流态混凝土，只是起到振松土体，便于板桩插打，所以桩间距不宜过大，做到互有一定程度影响，也不宜过小,不然窜孔或者钻杆过度倾斜。故桩位间距不必满足规范3D～5D的要求。

(3)钻机就位：移动钻机至设计桩位，利用桩机塔身前后和左右垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心。钻杆的垂直度偏差不应大于1%，桩位偏差不大于5cm。

(4)钻进及提钻：

1）钻孔开始时,关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头接触至地面时，启动电机钻入,钻进时应先慢后快。在遇到较硬土层，钻杆出现摇晃，进尺困难时，应放慢速度，直至钻至设计标高。钻杆上作好钻进长度标记，记录钻进深度。整个钻进过程中应注意保持钻机稳定，避免倾斜和错位。同时边钻进边清理桩位周边的土。

2）长螺旋钻机成孔钻进速度取决于转速与动力头下放速度。施工过程中一般转速调整好后不再调整。根据现场地层情况，通过钻进电流来控制进尺速度（亦即动力头下放速度），电流值增大，说明孔内阻力大，应降低钻速，保持钻具垂直，否则易因钻速过快，扭矩过大而蹩钻。

3）考虑到本工程地质条件，最底层⑥ 圆砾含有30%左右的泥砂和粘性土，引孔到设计标高后保持继续钻动4～5分钟，挤密已成孔,可以保证不坍塌；⑤ 砾砂层坍塌大部分，让其坍塌，一并考虑地层断面起伏高低，成孔深度比板桩深度深1m～2m,即16m～17m。具体情况现场具体分析。

4）提钻缓慢，保证板桩插打前的已成孔。同时控制附近无大型机械在桩位附近行走，从而造成孔内坍塌。

4施工

9#墩钢板桩围堰插打从2011年11月22日开始，至2011年12月10日结束，顺利合拢，成桩效率15根/天。基坑开挖过程顺利，内支撑受力和板桩变形均满足要求。

（1）因为在冬期施工，地表往下2～3m的土层的主动土压力远远小于设计值，即该土层能够“自稳”。

（2）长螺旋钻机破碎冻土层作用明显。

（3）大型液压打拔桩机选型合适，在部分桩位引孔质量达不到标准的情况下，仍能插打钢板桩到设计标高。

（4）基坑开挖采用干挖，基坑暴露时间长的前提下，板桩及内支撑变形仍然满足要求。

5结语

前期长螺旋钻机引孔，后期大功率液压打拔桩机插打钢板桩的施工方法在沈阳新立堡桥项目9#墩钢板桩围堰成功运用，对于国内其他东北地区冬期砾石土层围堰钢板桩插打具有一定的参考价值，对于复杂坚硬地质条件下的钢板桩插打施工的设计方案、机械选型、施工工艺具有较高的借鉴价值。

参考文献

［1］ 江正荣,朱国梁. 简明施工计算手册(第三版)［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2005

［2］ 陈仲颐 周景星 王洪瑾土力学 清华大学出版社，2004

［3］ 振动桩锤 GB/T 8517-2004 中华人民共和国标准

［4］钢板桩工程手册欧领特公司编 2011

［5］深基坑支护结构与主体结构相结合的设计、分析与实例王卫东等编 2010