拉森Ⅵ型钢板桩在深水墩基础施工中的应用

摘要通过对沪杭铁路横潦泾桥121#水中墩钢板桩围堰施工方案的研究，结合快速施工的理念，探索出最适合的深水围堰施工方案，从而使得项目达到最合理投入，最优化经营，较快的施工进度。

关键词钢板桩围堰 深水墩基础 钢板桩插打 围堰合龙 围堰拆除

一、前言

随着桥梁施工技术的日益发展，钢板桩围堰在深水墩基础施工中得到了广泛的应用，深水墩基础施工钢板桩围堰较双臂钢围堰优点在于：避免了围堰浮运和拼装条件受限问题，能快速进场、快速形成围堰，并能满足结构受力要求；施工简便易行，定位较为准确；且大大缩短了工期，提高了经济效益。现就拉森Ⅵ型钢板桩在沪杭客专横潦泾桥121#水中墩基础施工中的应用加以论述，并介绍其因工期紧张而采用边钻孔桩施工边钢板桩插打的特点。

二、工程概况

沪杭客专横潦泾桥121#水中墩，位于横潦泾河道中央，将原河道分成上行、下行两航道。墩基础为16根直径2.0m的钻孔桩，桩长121.5m；承台为埋入式，底标高-15.254m，平面尺寸19.75m×19.75m，厚度4.5m；承台上设墩座，平面尺寸14.0m×14.0m，厚度2.5m，桥墩为7m直径圆形墩，墩高21.5m。

121#墩位处水深13m，河床标高-11.4m，桥位处平均潮差1.0～1.5m，流速1.1m/s左右。

三、方案比选

根据121#墩实际地质、水文及工期要求，若采用双臂钢围堰施工方案，须考虑若干影响因素：工期受前期准备及下沉速度影响较大；拼装、浮运、定位、着床、吸泥均为控制关键；钻孔桩完成后方可开始围堰准备工作；围堰拆除须进行水下切割；且拼装、浮运、定位不可影响航运，铁驳、浮吊、材料须准备充分，各工序工期均应严格控制。

而采用钢板桩围堰施工方案，则可以解决以上问题：快速进场，迅速形成围堰，满足工期要求；钻孔平台单侧成桩后即可开始钢板桩插打；围堰拆除可直接拔除；方案的控制点在于钢板桩的插打、内支撑的布置，有相应的设备和熟练的施工队伍。

综合考虑，121#水中墩基础采用钢板桩围堰施工方案，满足结构受力和工期要求。

四、钢板桩围堰方案

1、围堰总体方案

121#墩承台采用钢板桩围堰法施工，钢板桩在钻孔桩单侧施工完毕后即开始插打，钻孔桩完成、部分平台拆除后围堰合龙，围堰内先取土、清基，再进行水下封底；再进行内支撑水下安装，最后抽水施工承台。钢板桩围堰在墩身施工完毕、墩顶支架布置完成后拆除。

2、围堰结构

121#墩钢板桩围堰布置为方形，平面尺寸24.0×24.0m，高29m，顶标高+3.5m，入土14.1m，设5道内支撑，封底厚度2.2m。

钢板桩采用拉森Ⅵ型，内支撑圈梁采用H588及H800型钢梁，斜撑采用Φ800mm、Φ630mm钢管。

3、钢板桩及插打设备

围堰用钢板桩为日本产SKSP-SX27型，即拉森Ⅵ型高强度钢板桩，单根宽度60cm；钢板桩的机械性能如下表：

根据钢板桩的进厂检验报告，试验屈服强度在380～405 N/mm2间。

钢板桩插打设备为美国ICE公司的28C-350E液压振动锤，锤宽30cm，设备自带动力，由振动锤和动力站两大部分组成，最大可提供116t的击震力和71t的拔桩拉力。

4、施工步骤

钢板桩围堰的施工步骤如下：

⑴ 钻孔桩施工过程中，在靠近承台侧定位桩上+2.0m标高处焊接牛腿，安装第一道支撑作为钢板桩插打时的导向；

⑵ 合理安排钻孔桩成桩顺序，依次插打围堰3个侧面的钢板桩；钻孔桩施工快结束时拆除部分平台，进行围堰内部分区域清基、吸泥工作；围堰合龙，钻孔桩施工完成后拆除平台，布置封底平台，进行围堰封底。

⑶ 在钢板桩外侧+2.0m处增设一道圈梁，拆除第一道内支撑圈梁；在原第一道内圈梁安装处拼装第五道内支撑，并下放到位，临时吊挂于钢板桩上；依据同样的方式下放第四道内支撑，吊挂于钢板桩上。

⑷ 待封底砼达到强度后，抽水至－2.0m，安装第二道内支撑；

⑸ 继续抽水至-4.9m，安装第三道内支撑；

⑹ 继续抽水至封底砼标高，砂浆找平后进行承台施工；

⑺ 待承台模板拆除后，向钢板桩与承台间内回填砂土混合物并在顶部浇注50cm厚C30砼圈梁，拆除第五道内支撑；

⑻ 施工墩身、墩帽，布置墩顶托架；

⑼ 依次拔出钢板桩。

5、受力工况分析

⑴ 围堰结构的受力工况

根据钢板桩围堰施工步骤，将钢板桩、内支撑受力情况按如下工况计算：

工况一：钢板桩插打合龙后，水下吸泥、清淤至-17.454m；

工况二：灌筑封底砼并水下安装五道内支撑后抽水至-1.0m时；

工况三：抽水至-3.9m时；

工况四：抽水至-6.7m时；

工况五：抽水至-9.4m时；

工况六：围堰内抽光水。

⑵ 各工况受力分析情况

钢板桩受力计算成果如下表：

6、受力检算概要

⑴ 通过以上计算，水封砼方案中封底砼厚度、围堰整体抗浮、钢板桩入土深度、基坑底土抗隆起验算均能够满足规范要求；

⑵ 水封砼方案中钢板桩最大组合应力为140MPa，钢板桩材质为Q295，若安全系数取为1.4，则容许应力为210MPa，满足要求；若考虑钢板桩的锁口部分应力折减，则容许应力为295/1.2×0.75＝184.4MPa，应力偏大；

⑶ 钢板桩围堰共五道圈梁，在最不利工况即工况六(围堰内抽光水)时，圈梁2HN800×300型钢应力为164.3MPa，在型钢上下翼缘板贴10mm厚钢板补强后内支撑钢管受力均能满足要求；

⑷ 钢板桩插打完成后，在钢板桩上焊接支撑牛腿，圈梁及内支撑自重由钢板桩上的支撑牛腿承受，须保证第一道圈梁与钢板桩之间联结牢固，以防止向围堰内填筑细砂时，钢板桩围堰顶部变形过大。

五、围堰主要施工方法

1、钢板桩接长

由于施工所需钢板桩长度为29m，考虑运输条件，采用18m长钢板桩接长，即将钢板桩按长度配长，保证每根钢板桩只有一道接缝。

2、插打准备工作

⑴ 钢板桩围堰在钻孔桩单侧施工完毕后即开始布置，先在原50t履带吊走道外侧再插打一排管桩，将吊机走道移至外侧，利用走道上的50t履带吊进行钢板桩插打；

⑵ 对河床进行清理：平台拆除完成后，为防止杆件掉入河床影响钢板桩插打施工，钢板桩插打前潜水员对河床进行清理；

⑶ 振动锤检查：振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要进行专门检查，确保线路畅通，功能正常，夹板牙齿不能有太多磨损；

⑷ 涂刷黄油混合物油膏：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；

⑸ 钢板桩放在铁驳上运至墩位；

⑹ 由于板桩较长，插打的第1根板桩需作加强处理。

3、钢板桩插打

⑴ 设备选用

钢板桩插打利用50t履带吊及100t浮吊作为起吊设备，配合振动锤插打作业 。

钢板桩插打设备采用美国ICE公司的28C-350E液压振动锤，振动锤宽度为30cm，在施工时无须送桩设备就可以插打任何一根钢板桩，若前一根钢板桩无法插打到位，可以继续后续钢板桩的插打，避免了普通振动锤在前根钢板桩无法插打后，在插打后续钢板桩时，振动锤与未打入钢板桩相碰的想象，从而极大的提高了插打工作效率。

利用28C-350E液压振动锤施工时，可以先让钢板桩在自重及较小击振力下入土下沉后，继续插放下一根，即使最后存在合龙误差，也易于调整。待钢板桩全部合龙后再逐一插打至设计标高。

⑵ 导向布置

钢板桩插打之前，在钻孔桩外侧的钢护筒上焊接牛腿，安装第一道支撑圈梁，作为钢板桩插打时的导向架，以控制钢板桩的平面尺寸和垂直度。

第一层圈梁安装时直以及钢板桩打入时是否垂直、平整，是影响整个钢支撑否顺利进行的关键点。

⑶ 钢板桩插打

第一片钢板桩是钢板桩插打的关键，位置选择在上游中心处，插打前在导向架上设置限位装置。

通过检测确定第一片钢板桩插打合格后，以其为基准，再向两边对称插打钢板桩到设计位置，最后在一侧的中间合龙。钢板桩插打至设计标高后，立即与导向架进行焊接，以抵抗水流冲击；

插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的施工要点。

4、围堰合龙

钢板桩合龙技术是钢板桩围堰施工过程中的关键，合龙成功与否决定了围堰的施工质量及进度。

⑴ 合龙点选择

根据施工布置及工期，在最后插打的1侧围堰中段设置一个合龙口，板桩根数约为3～5根。

⑵ 合龙准备

为控制合龙口处钢板桩垂直度,在距合龙口两侧还剩10余根钢板桩时便严格控制钢板桩的倾斜度。每插打一根钢板桩就测量其轴向及法向倾斜度,并根据其倾斜度的累积增加规律及已有的施工经验预计其后几根桩的倾斜度。

⑶ 确定合龙钢板桩尺寸

合龙桩的宽度确定。根据合龙口的形状确定合龙桩的尺寸,其具体方法是：测量合龙口的宽度，12 h后再复测一次。目的是让合龙口各桩向自由端释放插打嵌合过程中的内力和位移，待其充分释放后再测合龙口宽度。

复核合龙桩尺寸。按最终实测的合龙口宽度焊接一根合龙桩试样，将试样在合龙口处试插，若试样能在两相邻桩锁口中自由上下移动，即可确定合龙钢板桩的加工尺寸。

合龙钢板桩的检测。检测项目包括钢板桩的长度、宽度、弯曲度、翘曲度等。

⑷ 施打合龙钢板桩

为了使合龙钢板桩能顺利与相邻桩的锁口相互咬合,插打前应使合龙钢板桩两侧桩高度不同，高差控制在100～200 mm，这样合龙钢板桩的锁口可较方便地先与高桩套好，再套低桩的锁口。

插打合龙桩时，使与相邻桩套好锁口的合龙桩自由落入，并将振动锤垂直降落，使其重量全部压在合龙桩上，开启振动锤，随着桩进入土体的深度增加，阻力逐渐增大，此时控制器电流表的电流值亦增大，当电流值升至400 A时，将桩上提2 m左右，待电流值降至100 A时，再向下施打。如此反复几次，将桩打至预定高程。

⑸合龙施工质量评价

合龙质量评价的标准如下：合龙钢板桩施打时间与一般钢板桩插打时间基本一致；在打桩过程中，合龙钢板桩的锁口与相邻桩的锁口连结完好，未发现锁口破坏现象；合龙钢板桩打入后，其相邻两根桩的倾斜度仍保持在0.2%以内，与合龙前倾斜度一致。

5、围堰内挖土、清基

⑴ 挖土

围堰内河床平均标高为-11.4m，设计清基底标高为-17.5m，清基工程量如下表：

围堰平台标高为+4.2m，距清基底高度为21.7m，且围堰内定位桩、分配梁及连接系繁多，若采用长臂挖机直接进行取土工作，则效率低下，影响工期。项目部综合考虑，最终采取：布置清基平台、上旋挖钻机进行挖土、吸泥机配合吸泥施工方案。

清基平台在一侧钻孔桩成桩后布置，拆除该侧围堰内钻孔平台，重新在分配梁上布置贝雷桁组，在贝雷桁组上铺设旋挖钻机行走跑板。共设4组贝雷桁组，根据清基情况适时挪动贝雷桁组，以全面覆盖清基部位；待另一侧钻孔桩成桩后，将贝雷桁组挪至该侧围堰分配梁上，旋挖钻机继续进行该侧的清基工作。围堰挖土工作投入1台旋挖钻机，4台自制吸泥机配合吸泥。

挖土施工步骤如下：

①、围堰内一侧钻孔平台桥面拆除，重新铺设贝雷桁组及跑板，形成旋挖钻机清基平台；

②、旋挖钻机上平台进行挖土工作，开挖标高控制在-17.5m处；同时使用吸泥机在已挖区域进行吸泥，现场技术人员同步记录、测量基底标高；

④、在不同区域铺设贝雷梁组，使旋挖钻机能够对围堰全部区域开展清基工作；

⑤、待钻孔桩全部施工完毕，再铺设另一侧清基平台，上旋挖钻机进行该侧的挖土、清基工作；

⑥、现场技术人员对吸泥区域进行测量并记录，同时潜水员水下检查，及时反馈清基情况，对清基不到位的区域，旋挖钻机进行再次取土、清基，直到达到要求为止。

⑵ 清基

现场自制吸泥机清理基底淤泥及钢板桩间淤泥；同时潜水员水下操作，利用高压水枪对钢板桩及钢护筒上残留淤泥进行高压射水冲洗，直至全部清理干净。

围堰内清基时注意保持围堰内外水位一致，必要时采用水泵补水，清基后期潜水工要采用逐段清理、逐段检查的方法。

6、围堰封底

钢板桩围堰合龙，挖土、清基工作完成后，进行围堰封底工作。

围堰封底施工步骤如下：

⑴ 导管的布置

围堰的封底采用导管法水封，导管应避开16个φ3.2m钢护筒定的距离，以保证混凝土扩散顺畅；为保证混凝土与钢板桩有良好的结合，围堰四周导管布置应较中间密；

121#墩围堰封底导管采用φ325mm管桩制作而成，每根长22m，共布设13根。

⑵ 砼供应及要求

新灌混凝土按在围堰底1：7的坡度流动来考虑，每根导管的作用半径为5～7m，导管灌筑水下混凝土采用拔球法，按规范计算首灌量。

由于采用导管法进行混凝土水下灌筑，并采用泵送工艺，混凝土的配置应满足较大的和易性和流动性，具备较长的初凝时间。

⑶ 开始阶段砼灌筑

灌筑总原则：根据实测基地标高，由低向高，由四周向中间分期分批开灌各根导管。

在导管拔球后，立即测量混凝土在导管周围堆置高度及导管埋深。如导管埋深未达到0.8m，应继续向导管内补充混凝土，使导管埋深达到要求的深度。另外还应测量导管内混凝土柱的高度，看是否达到0.6倍的水深。

⑷ 正常阶段砼灌筑

在全部或部分导管封口完成后，即转入正常灌筑阶段。遵照封底混凝土灌筑总原则，各导管依次灌筑，每根导管每次灌筑相邻两根导管灌筑时间间隔越短越好，并保证在导管下口的混凝土塌落度大于15cm时再次灌筑该导管的混凝土。

导管埋入混凝土内最佳埋深在1 .2m左右，一般应在0 .7～1 .2m之间，导管的提升必须严格按测量所得混凝土面标高及导管的埋深控制，以免导管提出混凝土或造成其它质量事故。

⑸ 终浇阶段

当测得混凝土面接近设计标高时，应放慢灌筑速度，注意调整混凝土面坡度，使表面尽量平整。

7、围堰内支撑布置

⑴ 内支撑制作

①、内支撑第一、二、三道圈梁采用2H588×300mm型钢，斜撑为Φ630×10mm钢管，标高依次为+2.0m，-1.0m，-3.9m；第四、五道圈梁为2H800×300mm型钢，斜撑为Φ800×12mm钢管，斜撑间采用Φ377×6mm钢管联接，标高依次为-6.7m，-9.4m。

②、内支撑制作及下放顺序：

根据围堰抽水过程中，钢板桩受力要求，内置撑安装顺序定位为五，四，一，二，三。

结合现场实际情况，须对围堰实际尺寸及钢板桩垂直度进行测量，以确定第四、五道内支撑实际制作尺寸。

⑵ 内支撑安装

①、钢板桩合龙后对第一道内支撑进行调整；在围堰外侧安装一道圈梁，拆除第一道内支撑。

②、在原第一道内支撑处焊接牛腿，拼装第五道内支撑；同时在钢板桩上焊接吊挂牛腿，在第五道内圈梁上焊接下放吊耳及吊挂吊点。

③、钢丝绳吊挂第五道内支撑，采用千斤顶进行下放；下放同时在圈梁四个角栓测量绳，技术人员同步测量，对下放过程进行监控。

④、第五道内支撑下放到位后，将其吊挂于钢板桩上，潜水员水下检查，进行抄垫。

⑤、依据同样的方式下放第四道内支撑。

⑥、待第五、四道内支撑下放，安装完成后，安装第一道内支撑内圈梁及斜撑钢管。

⑦、抽水至-2.0m，安装第二道内支撑。

⑧、抽水至-4.9m，安装第三道内支撑。

⑨、抽水至封底砼，过程中对第四、五道内支撑进行检查，需要抄垫的进行抄垫。

⑩、进行承台、墩身、0#块支架及相关预埋件施工。

⑶ 圈梁与钢板桩之间空隙的处理

在钢板桩围堰的插打中，因小范围弯曲排列的钢板桩会较多，在圈梁与钢板桩之间会产生空隙，需在圈梁与钢板桩之间塞入槽钢塞填并焊牢，并根据受力情况不同，在不同的位置应使用大小不一的槽钢，将槽钢与钢板桩、圈梁以及斜撑头焊成整体，避免了圈梁相对于钢板桩之间的上下、左右滑动及倾翻。

8、围堰拆除

在钢板桩围堰的施工中，内支撑拆除过程中的险情要比安装时多。为了安全，拆除支撑时严格按照从下至上逐步释放内应力的原则，对内支撑体系进行拆除。为避免下一层钢支撑拆除对上一层造成大的冲击震动，应避免下一层钢支撑大范围内的同时拆除。

具体的拆除方法如下：

⑴ 在承台及墩座施工完成后，在承台与钢板桩间回填砂土，并在顶部浇注50cm厚的C35砼圈梁；拆除第5道支撑；

⑵ 向围堰内填砂至-7.7m，拆除第4道支撑；

⑶ 向围堰内填砂至-6.0m，注水至-4.9m，拆除第3道支撑；

⑷ 向围堰内注水至-2.0m，拆除第2道支撑；

⑸ 向围堰内注水至至与外水位同，拆除第1道支撑；

⑹ 依次拔出钢板桩。

六、结语

通过对沪杭横潦泾桥121#水中墩钢板桩围堰施工方案的研究，可以探索出最适合的深水围堰施工方案，从而使得项目达到最合理投入，最优化经营，较快的施工进度。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。