东明黄河公路大桥钢板桩围堰施工技术

摘要：在黄河河道内桥梁基础施工中，围堰及结构是最重要的临时结构，是水中基础施工的关键。结合东明黄河公路大桥主桥水中基础的施工，对钢板桩围堰的设计、施工方法进行详细阐述，对施工中出现的各种问题及解决办法也进行详细说明。

Abstract： In the foundation construction of the river bridge of the Yellow River， cofferdam and structure are the most important temporary structure， is the key of water foundation construction. Combined with the water foundation construction of the Yellow River Highway Bridge in Dongming， this paper expounds the design and construction method of steel sheet piling cofferdam in detail， and describes all kinds of problems appearing in the construction and its solutions in detail.

关键词：黄河公路大桥；钢板桩围堰；围堰设计；施工方案及工艺；问题及解决措施

Key words： the Yellow River Highway Bridge；steel sheet piling cofferdam；cofferdam design；construction scheme and technology；problems and solutions

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）12-0111-04

0 引言

钢板桩围堰是最常用的一种板桩围堰，其具有强度高、防水性能好、能按需要组成各种形状、可多次重复使用等优点，是水下基础施工中合理可行的辅助措施。因此，近年来桥梁施工中得到广泛应用。

东明黄河公路大桥主桥主要位于黄河主河道内。因为黄河河道特殊水文地质条件，围堰施工的质量和安全风险极大。东明黄河公路大桥施工时，在对现场施工条件进行详细调查和实地测量的基础上，采用钢板桩围堰作为水中基础的辅助措施，在施工中采取一系列质量及安全控制措施，达到了预期效果，安全、顺利完成基础施工任务。

1 工程概况

东明黄河公路大桥东接山东日照至东明高速公路，西接河南济源长垣高速公路。大桥起点桩号K50+940.160，终点桩号为K66+146.160，全长15206m，起终点桩号均在黄河两侧主堤外侧。大桥由主桥和引桥组成。

主桥主要位于黄河主河道内，起点桩号K55+337.66，终点桩号K58+873.66，共长3536m。主桥主要由（67+7×120+67）及3×（67+6×120+67）刚构-连续组合梁组成，主桥下部固结桥墩采用双薄壁矩形墩，非固结墩采用矩形空心墩，基础均采用钻孔灌注桩基础及整体式承台。

主桥第109#～115#墩位于黄河主河槽内，承台均埋置在水下，需要设置围堰辅助施工。

2 现场调查及测量

本工程位于黄河河床内，周围为黄河漫滩，属农业用地，地面平坦。临近无交通道路，只能利用新建施工便道和便桥运输设备和材料。本段黄河水深度在0～5.5m以上，不适合浮吊作业。项目周围无电力设施，需要在工地安装临时电力或采用发电机供电。周围800m范围内无居民居住。河面有少量机械动力的捞沙船只，重量小于5t。

根据我单位对水位进行的调查和实地测量，2011年8月份水位为59.93～60.50m，2012年4月份水位为60.187m，2013年10月水位59.95m。结合本项目在2014年9月份～12月份期间施工，枯水期施工设计水位按60.500m考虑，调水调沙期及汛期的高水位按61.50m考虑。

经实地测定，本段黄河调水调沙期间流速3m/s，其他时间流速为2m/s；硭高度0.4～0.6m。

河道水深按照8月正常水位实测最深为2.8m，最浅为0m，部分高出水面。河底冲刷深度一般按照2m考虑，局部影响下可达6～10m。

3 围堰设计及验算

109#～115#墩承台顶面标高56.28～59.05m，实测地面标高55～60.05m，承台埋深0.38～1.34m，承台尺寸为23×16.5×4.5m，基坑开挖深度6.95～9.72m。

鉴于开挖深度较大、坑壁及坑底渗水量大，承台采用钢板桩围堰辅助施工。

3.1 围堰结构、尺寸

钢板桩围堰比承台四周扩大1～2m，确定钢板桩围堰平面尺寸为26.4×19.2m；根据水深情况，114#～115#号墩采用长度18m钢板桩，109#～113#号墩采用长度15m钢板桩；单个围堰平桩224片，角桩4片（如图1、图2所示）。

109#～113#号围堰设2道围檩，114#～115#号围堰设3道围檩。一般围檩采用2H500×200型钢，内支撑采用Φ630×10螺旋管；114#、115#围堰第二、三道围檩支撑采用Φ810×10，围檩采用三拼H500×200组焊而成。

3.2 钢板桩型号的选择

根据工程所在场地特点，结合钢板桩的特性、施工方法等方面进行考虑，选用的日本拉森PV-4型400×155mm钢板桩，长度15m、18m，单位重76.1kg/m。

3.3 封底混凝土强度及抗浮验算

114#、115#号墩封底混凝土厚度为1.5m，109#～113#号墩封底混凝土厚度为1.2m。

封底混凝土标号C25，中心受压容许应力[？滓c]=6.8 MPa，弯曲受压及偏心受压容许应力[？滓b]=8.5MPa，弯曲受拉容许应力[？滓？渍-2]=0.67 MPa。护筒外径2.2 m。

3.3.1 114#、115#墩

①封底混凝土强度验算。

封底混凝土厚度1.5 m，有效计算厚度1.1 m，

作用于封底混凝土底面向上的水压为：

q=（1.5+8.72）=10.22t/m2

钢护筒之间的封底混凝土按固结等厚矩形板计算：

lx/ly=5/4.5=1.1 w=1/6×1.1×1.12=0.2218m3

封底混凝土的弯曲拉应力为：

？啄=1/0.2218×（0.0513+1/6×0.0513）×10.22×5.0×4.4

=62.05t/m2=0.6205MPa

②封底混凝土抗浮计算。

围堰尺寸： 19.2×26.4m

护筒外径： 2.2m，每墩位20根

钢与混凝土粘结力：一般取100～200kN/m2，

提取120 kN/m3=1.2kg/cm2

混凝土容重： r=2.3t/m3

钢板桩与土之间的离阻力：40kPa=0.4kg/cm2

封底混凝土自重：

G1=2.3×1.1×（19.2×26.4-20×3.14×2.22）=513.41 t

护筒粘结力：G2 =？仔×2.2×1.1×20×12=1823.712t

钢板桩与封底混凝土之间的粘结力：

G3=（19.2+26.4）×2×1.1×12=1203.84t

封底混凝土向上浮力：

P=（1.5+8.72）×（19.2×26.4-20×？仔×2.22）=2073.92t

抗浮安全系数：

K=（513.41+1823.712+1203.84）÷2073.92

=3540.96÷2073.92=1.71>1.0抗浮满足要求

3.3.2 109#～113#墩

①封底混凝土强度验算。

封底混凝土厚度1.2 m，有效计算厚度1.0m。

作用于封底混凝土底面向上的水压为：

q=（1.0+7.63）=8.63t/m2

钢护筒之间的封底混凝土按固结等厚矩形板计算：

lx/ly=5/4.5=1.1 w=1/6×1.1×1.02=0.1833m3

封底混凝土的弯曲拉应力：

？啄=1/0.1833×（0.0513+1/6×0.0513）×8.63×5.0×4.4

=63.4t/m2=0.634MPa

②封底混凝土抗浮计算。

围堰尺寸： 19.2×26.4m

护筒外径： 2.2m，每墩位20根

钢与混凝土粘结力：一般取100～200kN/m2，提取120 kN/m2=1.2kg/m2

混凝土容重：r=2.3t/m3

钢板桩与土之间的离阻力： 40kPa=0.4kg/cm2

封底混凝土自重：

G1=2.3×1.0×（19.2×26.4-20×3.14×2.22）=466.734t

护筒粘结力：G2=？仔×2.2×1.0×20×12=1657.92t

钢板桩与封底混凝土之间的粘结力：

G3=（19.2+26.4）×2×1.0×12=1094.4t

封底混凝土向上浮力：

P=（1.0+7.63）×（19.2×26.4-20×？仔×2.22）=1791.85t

抗浮安全系数：

K=（466.734+1657.92+1094.4）÷1791.85

=3219.054÷1791.85=1.796>1.0抗浮满足要求

4 钢板桩围堰施工

4.1 施工方案

钢板桩围堰及承台施工采用逆作法。先施工钢板桩，再施工上围檩，然后在上围檩的保护下开挖围堰内泥土到垫层底，然后进行水下封底，待混凝土强度达到设计要求后，进行抽水，在水位低于第二道围檩后，施工第二道围檩，再进行抽水，施工第三道围檩，全部抽水后进行凿桩头、施工承台。

钢板桩施工采用吊车喂桩，采用履带式吊车吊电动振动锤打入，采用定位桩和定位架定位。围檩在河岸焊接成杆件，单个吊入围堰内焊接成型。围堰内泥沙采用长臂挖掘机挖泥，局部用泥水泵或砂石泵抽水。

在围堰沿承台长边布置2个钢施工平台。平台长度42m，宽度分为2种，9m和6m ，用于履带吊、吊车、挖掘机等设备作业以及材料存放。

封底采用多点水下导管法施工，混凝土采用泵车泵入导管。

4.2 施工工艺及技术要求

4.2.1 施工准备

①对施工条件进行复核，做好技术文件和施工许可。

施工前应详细测量围堰周边的水深情况，具备条件时对地质条件进行取样试验，以复核设计数据；钢板桩围堰施工前应做好技术工作，对方案应组织专家进行论证，并进一步完善，并报黄河管理部门进行评估。

②插打钢板桩前的准备工作。

钢板桩经过装卸、运输会出现撞伤、变扭及锁口变形，钢板桩在拼装前必须进行检查，剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩；清除钢板桩表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤。

锁口检查：用一块1.5～2m符合规格要求的钢板桩做标准板，将所有同类型的钢板桩作锁口通过检查。检查时用绞车或卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾作通过锁口检查，如图3所示。

③组桩及单块桩两侧锁口均在插打前涂以黄油或热的混合油膏，以减少插打时的摩阻力，并增加防渗性能。

为了减少钢板与封底混凝土接触处的粘结力，便于以后拔桩，在钢板桩拼组时，事先在此部位涂抹沥青隔离层。

④制作定位桩及围檩。

定位桩采用D630×10钢管，每个围堰共8根，长度不少于24m，施工前应在陆地焊接好，并焊接定位托架。

围檩共计3道（2道），在陆地按照设计方案要求加工成杆件，在桩基施工平台处组装成整体框架，加工焊接质量应严格按照规范和设计要求进行。

⑤检查振动锤。

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。振动锤的端电压要达到380～420V，且夹板牙不能有太多磨损。

4.2.2 安装定位桩及导向架

按照设计方案确定的定位桩位置准确放样，并设导向架。定位桩采用振动锤打入，钢管打入深度要符合设计深度，每个相对边的钢管间距应严格按照围檩内间距控制。在第一个钢板桩打设处安装定位器，定位器位置及垂直度均应严格控制不超过规范要求。

4.2.3 打插钢板桩

①钢板桩插打顺序。插打钢板桩过程中，采取从侧面开始，向上游插打，在下游合龙。合龙口的位置选择在与流向垂直且流速较小的一侧，而第一组钢板桩的位置则设在合龙口对面的一侧。

②插打钢板桩。为了确保插打位置准确，第一片钢板桩是插打的关键。插打前在导向架上设置一个限位框架，大小比钢板桩每边放大1cm，插打时钢板桩背紧靠导向架，边插打边将浮吊钩缓慢下放，钢板桩下沉过程中在侧面及正面两个方向设经纬仪观测下沉方向，以确保钢板桩插正、插直，发现偏差及时纠正，如不能达到规定精度要求，应拔除重新打入。

然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称插打钢板桩。在整个钢板桩围堰施打过程中，开始时插一根打一根，即将每一片钢板桩打到设计位置，到剩下最后5片时，要先插后打，若合龙有误，用倒链或滑车组对拉使之合龙，合龙后，再逐根打到设计深度。

③纠偏。在插打过程中，钢板桩下端向上挤压，钢板桩锁口之间缝隙较大，上端总会向远离第一根钢板桩的方向倾斜。因此，每打4根～5根钢板桩就要用经纬仪或垂球吊线检查垂直度，将钢板桩的倾斜度控制在0.5%以内，超过限定的纠偏（一次性纠偏不能太多，以免锁口卡住，影响下一片钢板桩的插打）。当钢板桩偏移太大时，只能采用多次纠偏的方法逐渐减少偏量，若因土质太硬纠偏困难时，可采用走四滑轮组纠偏。

④插打过程应注意的问题。

1）插打时要严格控制垂直度，特别是第一根桩。

2）当钢板桩难以下插时，应停下来分析问题，检查锁口是否变形，桩身是否变形，钢板桩有无障碍物等，不能一味蛮干，磨损了钢板桩。

3）振动锤的夹板由液压控制，必须经常检查液压装置，防止因液压泵失灵而引起钢板桩掉落。

⑤合龙。

1）合龙前的准备。在即将合龙时，开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离，再根据钢板桩的宽度，计算出所需钢板桩的片数，按此确定下一步钢板材如何插打（是增加钢板桩，还是钢板桩插打时向外绕圆弧）。

2）调整合龙。在插打过程中，做到“插桩正直，分散偏差，有偏就纠，调整合龙“的要点。为了便于合龙，合龙处的两片桩应一高一低。方形钢围堰有4个面，打完的每一片钢板桩都要沿导向架的法线和切线方向垂直，合龙应选择在角桩附近（一般离角桩4～5片），如果距离有差距，可调整合龙边相邻一边离导向架的距离。为了防止合龙处两片桩不在一个平面内，一定要调整好角桩方向，让其一面锁口与对面的钢板桩锁口尽量保持平行。

4.2.4 安装第一道围檩

钢板桩合龙后，按照设计的高度安装定位托架，然后在托架上放置围檩。围檩杆件之间采用焊接连接，支撑件安装顺序是先焊接钢管，再焊接角撑，钢管与角撑须顶紧不留缝隙。围檩焊接完成后，将钢板桩与围檩之间的空隙用钢板填塞紧密并焊接牢固。

4.2.5 围堰内抽泥

在全部钢板桩完成且第一道围檩完成后进行开挖，土方标高较大时，一般采用长臂挖掘机挖掘，剩余泥沙采用吸泥机。水浅时，可抽干存水，采用高压水枪冲沙，用3～5台砂石泵将泥浆抽出围堰外；水深时不能全部抽干，就要采用吸泥机直接进行水下抽泥。在抽水过程中，控制水位不低于安全水位，及时将钢板桩与围檩顶紧，监控围檩变形情况，发现情况及时处理。

4.2.6 封底混凝土浇筑

在承台底垫层部分清理泥土完成后，浇筑前要先检查泥沙高程，确保封底混凝土的厚度满足设计要求，否则要重新进行清理。检查合格后，要尽快进行封底混凝土施工。

浇筑方式采用导管法水下灌注，材料采用水下混凝土，混凝土塌落度控制在20～24cm，封底方向从长边上两端向中间浇筑。

浇筑过程中及时测量混凝土顶面标高，达到标高后就停止灌注，导管要移到标高低的部位进行补充，要尽量做到混凝土平整，且厚度满足设计要求。封底混凝土浇筑完成后，应等强度增长到设计强度70%，方可开始抽水施工围檩，围檩完成后再抽干全部的水，并将剩余泥沙清洗干净。

4.2.7 钢围檩施工

封底混凝土达到要求强度后，基坑抽水，再安装剩余支撑。先抽水至第二道围檩以下0.5～1m，再安装第二道围檩。安装第二道围檩后，如有第三道围檩，继续抽水进行安装。支撑钢管连接位置要符合设计要求，支撑长度偏差不超过5mm，应先焊接角支撑再安装对撑，支撑与围檩之间的空隙应用钢板填塞并焊接，严禁用外力使围檩强行与支撑对接。对撑或角撑杆件需要接长时，应对接头进行加强。支撑水平高度差不超过20mm，直线度不超过10mm钢管中心与围檩中心应基本重合，偏差不超过10mm，以防止偏心受压。支撑完成后进行变形监测，在围堰稳定后方可进行下步施工。

4.2.8 钢围檩拆除

钢围檩拆除按安装顺序的反序进行，并保证钢板桩自由长度不超过3m，水位不低于围檩以下0.5m，以免发生较大变形。承台是分两次浇筑，在浇筑完第一层的强度达到设计强度70%以后，要临时对钢板桩进行支撑，以防钢板桩变形超标。方法是在承台及钢板桩之间回填泥沙或者用圆木临时支撑。

5 施工中出现的问题及解决措施

①钢板桩合龙时，两侧锁口往往不平行，可在钢板桩顶端使用千斤顶互顶或采用倒链向外侧张拉调整至所需间距，然后施打合龙钢板桩。实际施工中由于水流影响或其他原因，采用上述措施钢板桩仍无法合龙时，根据合龙缺口上下尺寸制作异型钢板桩，然后先打入异型桩，再用正常桩合龙。

②由于钢板桩在插打过程中受多方面的影响，整个围堰的侧面顺直度较差，工字钢安装后与钢板桩之间有较大的间隙。为防止围堰的变形，将工字钢与钢板桩之间的间隙全部用型钢焊接支撑连接，围堰的四个角更应加强。

③钢板桩受力过大后极易产生上拱，带动围檩向上滑移，影响围堰稳定。施工中可在导向工字钢围檩上侧设置反向牛腿加以固定。

④由于黄河内土质松软，泥沙冲刷严重，水深达10～12m，造成钢板桩埋深小，钢板桩发生侧向变形。处理方法是将变形的钢板桩拔出，重新进行打设。同时为减少冲刷，在钢板桩上游打设一排钢管桩，紧密相连，并连接成整体，以减缓水流速度，在钢板桩上游填砂袋、碎石，以减少冲刷。

6 结语

黄河河道内土质松软，且九月份黄河水位较高，泥沙冲刷严重，钢板桩围堰施工存在钢板桩变形过大、合龙困难、围堰稳定性变差等问题。东明黄河公路大桥钢板桩围堰施工中采取加大钢板桩入土深度、设置排桩并填砂袋、合理利用异型桩、工字钢与钢板桩的间隙用型钢焊接连接且在四角处加强、导向工字钢围檩上侧设置反向牛腿等措施，大大减少了冲刷造成的影响，增强了围堰稳定性，确保高水位时期施工安全。

目前东明黄河公路大桥主体工程已按期完工，其中水中基础计划工期2014年9～12月份，实际提前20天完成。实践证明，在黄河等泥沙冲刷严重的河道中，采用防冲刷、加固措施的钢板桩围堰在确保施工质量和安全的前提下，使水中基础不受高水位影响提前完成，为大桥主体按期完工打下坚实基础，也为类似工程施工提供宝贵经验。

参考文献：

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