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拉森钢板桩围堰施工工艺
 

作者:未知 【摘 要】在大型桥梁的设计中,从减少水阻力,美观及通航的角度上考虑,一般将水中桥墩的承台顶面设置在常水面甚至河床面以下,此时承台施工常采用围堰形成干施工条件。本文结合东新高速S08标项目部紫坭特大桥主桥主墩20#墩承台拉森钢板桩围堰施工工程实例,详述了拉森钢板桩围堰设计、采购、施工、拆除的全部工艺过程,并对施工中容易发生的问题也给出了解决方案。
【关键词】钢板桩;围堰;施工工艺
引言
广州市东新高速S08标紫坭特大桥主桥主墩20#墩承台为左右分离式承台,上下游迎水面设半径3m圆端形;承台厚4m,长15.24m,宽8.2m,顶面标高为-3.6m;承台底标高为-7.6m,而河床面标高仅为-3.6m,承台埋入河床面深度较大,而最高潮位标高+2.6m,潮面到承台底高度约10m,承台开挖属于水下深基坑施工。在该项目实施中,为承台形成干施工条件的围堰,选择了拉森钢板桩结构。
围堰方案的选择
1.方案的比选
根据地质、水文条件、河床高程以及承台设计高程情况,经过对水中承台施工的几种常用施工方法进行比选,因需要进行基坑开挖采用套箱施工方法难以实现,沉井和钢板桩围堰方法的比较:沉井方案虽然可行,但不环保,制作下放周期太长,无法满足工期要求;支撑支护的拉森钢板桩围堰方案(以下简称围堰)在施工方便性、节省工期等方面具有较大的优势,亦能做到安全可靠。因此选用拉森钢板桩围堰方案。
2.拉森钢板桩型号的选择
根据围堰结构受力计算,拉森Ⅲ型钢板桩及拉森Ⅳ型钢板桩均可以满足围堰要求,但考虑钢板桩长度较长,选用了截面刚度较大的拉森Ⅳ型钢板桩,以避免钢板桩施打时产生变形。
3.围堰的设计与施工
3.1 围堰的设计
3.1.1 围堰尺寸的设计
围堰采用左右幅分离式围堰,以桥梁纵轴线为中心搭设6m宽车行栈桥与河岸相连。由于左右幅承台不在一条直线上,钢板桩沿单个承台布置。考虑承台模板的施工距离,围堰边距离承台轮廓线最小距离为120cm。故设定围堰尺寸为17.64m×10.60m,呈矩形,并在左、右幅围堰交点位置处做2.88m×2.88m倒角处理,详见图1 拉森钢板桩围堰平面布置示意图。
根据有关资料显示,紫坭河最高潮水位标高为+3.2m,最初将钢板桩围堰顶标高设为+4m,高出最高潮水位80cm,但由于桩基础施工工期延后,在围堰施工及使用期间紫坭河处于枯水期,此时最高潮水位标高约+2.6m,故将围堰顶标高降低0.5m,即设为+3.5m。
3.1.2 围堰结构的设计
围堰结构部分主要包括钢板桩、支撑、围囹等,详见图2 拉森钢板桩围堰结构示意图。
3.1.2.1 围堰钢板桩的布置
围堰采用单层拉森Ⅳ钢板桩,钢板桩截面为400mm,单根钢板桩长度为18米,即钢板桩顶标高为3.5m,低标高为-14.5m。
3.1.2.2 围堰支撑的布置
围堰支撑的布置不仅要考虑围堰本身的稳定性,还要考虑后期墩身的施工。最初设计围堰主支撑内边对内边水平间距为4m,而墩身底部最大直径为5m,故墩身施工前要先拆除该施工范围内的主支撑,拆除前将围堰内灌水至拟拆除层支撑以下50cm高位置,以保证围堰内外的压力平衡,而且墩身模板需要水下拼装并将模板内的水抽干后方可进行墩身钢筋施工及混凝土浇筑,此设计将加大墩身的施工难度,并减缓墩身的施工进度。后来将围堰主支撑内边对内边水平间距定为5.4m,并加大围囹材料型号,此设计不但满足围堰本身稳定性要求,并且方便了墩身的施工。
围堰共设置三层支撑。第一层支撑底标高设为+2.4m,第二层支撑底标高设为-0.3m,第三层支撑底标高设为-3.0m。主支撑采用已拆除的桩基础钢平台材料--直径600mm,壁厚8mm的钢管桩,第一层及第二层主支撑采用两排单根钢管桩,第三层主支撑采用两排双根钢管桩,为保证钢管支撑的稳定性,三层钢管桩竖向之间用【16槽钢做剪刀撑连接。另外,在围堰转角位置每层围檩设与围囹材料一致的工字钢斜支撑,支撑与钢板桩直线边的角度为1:1。
3.1.2.3 围堰围囹布置
为保证钢板桩围堰的整体稳定性,设置内外围囹,内围囹设3层,第一层材料选用I36a工字钢、另两层选用I56a工字钢;在钢板桩外设一道外围囹,围囹的高度与第一层支撑标高一致,材料采用【16槽钢,拉杆焊接在支撑钢管上,支撑钢管同时作为外围囹拉杆。
此围堰结构经过计算符合要求。
3.2 围堰的施工
围堰的施工流程如下:拆除桩基础钢平台--钢板桩施打--安装第一层支撑及围囹--水下抽砂挖泥至封底混凝土底标高--水下浇注封底混凝土--抽水并安装第二、三层支撑及围囹--抽水至封底混凝土面--承台施工--墩柱施工--围堰拆除。
3.2.1 施工准备
施工前对钢板桩入土深度做了试打试验。在围堰区,采用45KW震动锤,钢板桩下沉至底标高-12m,采用90KW震动锤钢板桩下沉至底标高-22m,故选择采用90KW震动锤施工。
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,采用卷扬机拖拉。锁口通不过或桩身有弯曲、扭曲、死弯等缺陷,采用冷弯,热敲(温度不超过800~1000℃),焊补、铆补、割除、接长等方法加以整修。同时接头强度与其它断面相等,接长焊接时,用坚固夹具夹平,以免变形,在焊接时,先对焊,再焊接加固板,对新桩或接长桩、在桩端制作吊桩孔。
在采用组桩插打时,每隔4~5m设有一道夹板,夹木在板桩起吊前夹好,插打时,逐付拆除,周转使用。
3.2.2 钢板桩的吊运 钢板桩检查合格后,按插桩顺序堆码最多允许堆放四层,每层用垫木隔开高差不得大于10mm,上下层垫木中线要在同一垂直线上,允许误差不得大于20mm。起吊前,在钢板桩锁口内,涂以黄油混合物油膏(重量配合比为:黄油:沥青:干锯末:干粘土=2:2:2:1,以减少插打时的摩阻力,并加强防渗性能。
使用汽车吊或船吊将钢板桩进行水平和垂直运输,将钢板桩运至指定位置,使钢板桩成垂直状态,脱出小钩,移向安插位置,插入已就位的钢板桩锁口中。
3.2.3 钢板桩的插打顺序、定位、导向及合拢
先在桩基护筒上水平焊接I36a工字钢做支撑梁,支撑梁的长度要根据围堰的尺寸确定,并在桩基护筒及支撑梁之间焊接【20槽钢的斜拉杆用来牢固支撑梁,必要时需在桩基护筒上设置牛腿后再架设支撑梁。然后按照围堰设计边线放样,架设I36a工字钢分别作为导向杆。即完成钢板桩的定位及导向系统(详见图3 钢板桩插打导向系统平面布置示意图)。钢板桩的施打如图施打始点位置开始,顺着轨道施打,在两端合拢点合拢。
当钢板桩长度均为18米时,在插打时控制钢板桩桩顶标高,即可确保钢板桩达到预定设计底标高。当钢板桩长度较短需要加接时,插打时按照单桩逐根打入法施工,先行插打单根钢板桩,待全部合拢以后再进行加接钢板桩,相邻的钢板桩的焊接借口不宜在同一断面,相错1米左右。钢板桩围堰施打时,委派专门人员跟踪,记录每根钢板桩的入土深度,确保钢板桩都能达到预定设计底标高。
在围堰转角位置,将一条钢板桩竖向剖成2条,并按照围堰转角的角度900及1350重新等强度焊接后使用。
围堰合拢后,为保证围堰内外水压力的平衡,在围堰四周略高于最低水位标高的位置上预留4个过水孔洞,预留孔洞在围堰封底砼浇筑完毕后进行支撑安装时,用钢板焊接封堵,防止漏水。
3.2.4 水下吹砂挖泥及浇注水下封底混凝土
围堰内开挖采用水下吹砂挖泥方法,将砂层底面降低到封底混凝土的底面,由潜水工在封底混凝土高度范围内的钢板桩表面人工布置沥青油毛毡用于隔离钢板桩与封底混凝土,同时将封底混凝土范围护筒壁上泥沙要清理干净,使封底混凝土与护筒结合紧密。
封底混凝土浇注采用灌桩导管及料斗进行,由围堰一侧向另外一侧顺序推进,具体见图4 拉森钢板桩围堰封底砼浇注顺序示意图。
浇注封底混凝土前,在导管混凝土出口下垫木板,防止混凝土下料时冲击底部砂层。封底配合比按水下浇注砼的配合比选用,严格按照水下混凝土浇注程序进行,浇注混凝土时使用探绳探测混凝土面高度,达到设计要求后起吊导管及料斗至下一下料位置。同时,为保证前后分别浇筑砼的整体性,在导管底口位置设置一个活动底塞。导管起吊前,先将底口封堵(管内留有砼料),待导管及料斗移至下一位置后,下料并松开底塞,继续浇筑砼。
3.2.5 围堰支撑及围囹的安装
待钢板桩插打完毕后立即第一层支撑及围囹的安装,第二、三层支撑及围囹的安装待封底混凝土浇注完毕后3天后依次进行。
首先进行围堰内降水,单个围堰内布置2台200m3/h水泵,抽水速度不能过快,要做到边抽水边支顶,抽水到支撑标高位置做好支撑后才开始继续抽水直至基坑底面标高,且要随时观察围堰的变化情况。当锁口不紧密漏水时,用棉絮等在内侧嵌塞,同时在漏缝处撒大量木屑或谷糠,使其由水夹带至漏水处自行堵塞。
当水位降到预定水位后,先在钢板桩上设计标高位置焊三角形支撑牛腿,然后在牛腿上安装围囹,围囹与钢板桩的连接采用焊接。围囹安装完成后,开始安装支撑及拉杆。支撑及围囹施工时要确保焊接质量及安装位置的正确。围囹在围堰拐角位置分别将长边和短边的材料切割成450角度后焊接。
3.2.6 围堰止水措施
围堰内抽水过程如发生渗漏时,由专门人员进行堵漏,堵漏在围堰内外同时进行。堰外用细煤渣和木屑混合物倒入漏水部位;堰内用棉絮塞漏。钢板桩围堰外侧抛填袋装粗砂或碎石防止冲刷,并在施工中定期检查冲刷情况。围堰处于水中,施工期间不同程度肯定存在渗水现象,因此在围堰内施工平台四周布置排水沟,使用水泵抽水将渗水排出围堰。
3.2.7 围堰施工监测
在施工过程中,由于围堰内外水压力作用,围堰处于不断的位移及挠度变形之中,对围堰平面位置及安全影响很大。因此及时监控测量施工过程中围堰的位移和挠度变形的大小,对保证主桥承台施工质量和施工安全是至关重要的。
3.2.7.1 监测方法
围堰的位移及挠度变形监测,主要是以全站仪和精密水准仪,采用精密测量的方法,周期性地对布置在围堰上的监测点进行监测,围堰观测点布置如下图5 拉森钢板桩围堰监测点布置示意图。
3.2.7.2 观测周期
围堰施打完成后,从吹砂挖淤至围堰的拆除,整个施工过程中均要进行位移及挠度变形监测,主要观测安排:围堰开挖前、开挖后、降水前、降水后、支撑前、支撑后、承台砼浇注前、浇注后。同时,保证每天对围堰观测不少于2次。
3.2.8 围堰的拆除
围堰支撑及围囹的拆除随墩身施工的进度逐层进行,在已施工墩柱混凝土标高高出最高水位后,可以将钢板桩围堰全部拔除。
钢板桩的拆除前,先将围堰内的支撑全部拆除,并陆续灌满水使围堰内水位高出围堰外水位,使板桩挤压力消失,并与部分砼脱离(指有水下砼封底部份)。再在下游选择一组或一块较易拔除的钢板桩,先用振动锤夹住钢板桩顶部振动1min~2min,使钢板桩周围的土松动,产生“液化”,减少土对钢板桩的摩阻力,然后慢慢地往上拔高1~2m,然后挨次将所有钢板桩均拔高1~2m,使其松动后,再从下游开始分两侧向上游依次拔除,拔桩时注意桩机的负荷情况,发现上拔困难或拔不上来时,应暂停拔桩,先振动1min~2min后往下振动0.5米~1米后再往上拔桩,如此反复可将桩拔出,对桩尖打卷及锁口变形的桩,可加大拔桩设备的能力,将相邻的桩一齐拔出,必要时进行水下切割。
实施效果
本项目围堰由于设计方案合理,施工过程控制严密,备用措施有效,在围堰建造过程中,各项活动始终处于受控状态,围堰建成后,渗水轻微,结构稳定,为承台施工创造了非常有利的外部环境。
结语
拉森钢板桩围堰应用比较广泛,具有施工进度快,占地空间小等优点,适合于非岩基基础。在围堰的设计阶段,要充分考虑拆除的作业便利,预防建造迅速,拆除困难这这种状况的出现;在施工过程中要注意过程控制,确保每个工序的施工质量,及时监控测量施工过程中围堰的位移和挠度变形,以及围堰外根部的淘刷程度,防止围堰突然失稳。在围堰拆除阶段,严格按照设计的拆除顺序施工,避免个别桩位无法拆除的情况发生。
参考文献:
[1]张宏伟. 钢板桩围堰施工技术. 2005
[2]公路桥涵施工技术规范.北京:人民交通出版社,2000.
[3]公路工程质量检验评定标准.北京:人民交通出版社,2004.


 

 

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