钢板桩围堰施工方法及技术措施

钢板桩围堰施工方法及技术措施
李川
摘要：钢板桩围堰方案在一些水深及地质较软的地基施工中具有独特的优势，当前关于钢板桩围堰的设计主要是参照《公路桥涵施工手册》及个人经验来决定，这样的设计会有很大的近似性，并不能真正反应出钢板桩围堰的实际受力情况，笔者根据自己的工作经验，结合一个钢板桩围堰应用的工程实例来说明了钢板桩围堰施工的技术措施及设计要点，以供同行参考。
关键字：钢板桩围堰；施工方法要点；施工方案设计
0 引言
钢板桩围堰方法是桥梁深水基础施工方法之一，由于其施工速度快，成本低，安全性较高等优点，近年来在各大桥梁施工中得到了广泛的应用，钢板桩围堰的主要形式有矩形，多边形及圆形等，当前钢板桩围堰设计及施工主要靠经验算法，俚此种算法往往会与实际出现较大的偏差，为围堰埋下不稳定的因素，而若从理论算法上来求解围堰的实际受力状况，就可以合理的布设内横撑，维持钢板桩围堰的稳定性，本文以一个钢板桩围堰实际应用为例，阐述了钢板桩围堰施工方法及要点，并给出了施工方案设计验算过程。
1 工程概况
武汉天兴洲朱家河大桥4#-6#号墩台属于水中墩，据设计资料显示，该河流为三级航道，历史最大流量为Q＝4000m3/s,工程施工期河流不在汛期以内，流速缓慢，河床底标高为-2m,常水位为1m，该大桥墩桩基础由直径一米的群桩构成，上部与大体积混凝土承台相连接，承台的尺寸约为11mX8mX3.5m,承台位置较低，属于埋置式承台，进行地质勘探后，得到河床的地质为粉质土加砂土，外加少量的黏土。考虑到工程的各种因素，本工程承台决定采用单层钢板桩围堰进行施工，钢板桩长度选取为12m,由于地质层中包含淤泥，固围堰采用水下混凝土封底，厚度拟采为200mm，围堰尺寸取为14.2mX10.6m。
2 钢板桩围堰施工方法及要点
2.1 钢板桩围堰施工流程
考虑到现场的各种因素之后，本工程决定安排施工流程如下：首先进行钻孔桩施工及钢板桩打桩作业，然后采用水下混凝土湿封及基坑抽水，最后树立承台模板并浇注承台混凝土。钢板桩选用日本产FSP1型，其几何尺寸为：长L＝11.6m,宽度b=0.7m,厚度为1cm,断面模量为2300cm3/m。
2.2 钢板桩围堰施工准备
在进行钢板桩围堰施工作业时，必须先做好施工准备工作，主要包括复查钢板桩，检查振动锤及处理钢板桩等。本工程采用DZ-60Y型振动桩锤及15吨吊车作业，为保证工程能顺利进行，在打桩之前对振动锤进行了一系列作业测试，结果表明该振动捶功能正常，为剔除那些因装卸运输而导致磨损的变形钢板桩，在钢板桩拼组之前对钢板桩进行了详细的检查，并对锁口破裂及表面有焊接残瘤的钢板桩进行处理，保证单独的围堰钢板桩具有相同的锁口，并在锁口内涂抹适量黄油以减少钢板桩之间的摩损。
2.3 插打钢板桩
插打钢板桩的次序宜由河流的上游至下游，先在河流上游一侧的一角将钢板桩下插，必须要确定好第一块钢板桩的位置，随后以第一块钢板桩为坐标原点，沿垂直方向确定其余各个钢板桩位置，在钢板桩因障碍物或其它原因而无法顺利插打时，须检查此时钢板桩有无变形，若有，则须及时处理。在钢板桩合拢时，必须考虑合拢处钢板桩如何插打，一般工程中为便于钢板桩合拢，多采用高低合拢的办法。钢围堰的四个表面互相之间应保持垂直，合拢处尽量选择在下游一侧角桩附近处。
2.4 安装内侧横撑
在钢板桩合拢之后，即可将围堰内的水抽出，本着遵循先支撑后降水的原则，在降水之前先对钢板桩增设内横撑，以防止钢板桩因水压变化而发生变形，横撑一般由工字钢组成，本工程采用I32b工字钢作为横撑材料，并设置距桩顶1m处，将各边的横撑焊接稳固，考虑到水压力的不断增大，在内支撑自上而下设置时，必须根据不同水位处不同的水压力来计算支撑的数目，在排水时，必须保证排水的速度要大于钢板桩围堰渗入速度的3倍以上，发现围堰渗漏处时，必须及时进行封堵。
2.5 混凝土封底
采用吸泥机清理基础基底，采用20cm厚混凝土进行封底，封底混凝土是自流平混凝土，坍落度控制为22cm左右，在首次灌注时，必须保证其满足计算量，由于混凝土的流动半径较大，故本工程布设了多个测点，对厚度不足的混凝土处及时进行补灌，确保了承台基坑的平整度。
2.6 围堰监测
在承台施工过程中，必须保持对围堰进行实时监测，主要内容包括钢板桩桩身的变形，钢板桩内支撑的轴力及内外水位的变化。在对桩身的变形进行监测时，可将测斜仪探头伸入测斜管内上下移动，读出的读数即为钢板桩自身的变形量，若钢板桩变形较大时，应及时采取措施补救。对于内支撑的轴力监测，必须测得内支撑自由伸缩端与支座之间的位移，即可得到内支撑的应变，进而得到内支撑的轴力，本工程对各个钢板桩内支撑均布设了测点。在围堰适当位置处设置水尺，定时测量钢板桩内外的水位变化。
2.7 拔除钢板桩
在墩承台及墩身施工结束后，采用振动法进行拔桩，先使钢板桩顶部振动适量时间，待土质松软后，利用15t吊车由河流的下游一侧开始拔起，在拆除内支撑时，要遵循由下而上的原则，先拆下部支撑，灌入一层水后，再拆上部支撑，始终保持围堰内外水位保持一致，在拔桩过程若出现拔除困难的现象，应立即停止拔桩，继续振动几分钟再次拔除，以免损坏钢板桩，拔出后的钢板桩应及时的检修涂油。
3 施工方案设计验算
3.1 计算参数
日本产FSP1型几何尺寸为：长L＝11.6m,宽度b=0.7m,厚度为1cm,断面模量为2300cm3/m，[f]=374Mpa,钢板桩围堰尺寸为14.2mX10.6m。桩底高程为-10m,平台土围堰高程为1.5m，由规范可查得填土重度为：r1=18.8KN/m3,内摩擦角Φ1＝20.1°，砂土的重度为：r2=19KN/m3,内摩擦角Φ2＝30°。距板桩较远处的均布荷载取为20KN/m2。
3.2 荷载计算
板桩外侧受到上部填土层压力，下部砂层土压力及水压力共同作用，其受力示意图如图1所示：

作用在钢板桩上的主动压力计算如下，分布图见图2：
由郎金理论，对河床底以上高程有Ka=tg2(45°-Φ1/2)=0.488，钢板桩外侧填土高度h=q/r=1.06m。
高程1m处土压力Pa1=rX(h1+0.5)Ka=18.8X(1.06+0.5)X0.488=14.3KN/m2
高程-2m处土压强为Pa2=(r-r’)X3Ka+Pa1=8.8X3X0.488+14.3=27.2KN/m2
桩底至河床底之间有Ka=tg2(45°-Φ2/2)=0.333
高程-10m处土压强度为Pa3=r2X8Xka+Pa2=19X8X0.333+27.2=77.8KN KN/m2
围堰抽水后的水压强Pa4=r’Xh’=10X[1-(-5)]=60KN/m2
Ea=(Pa1h1/2)+[(Pa2-Pa1)h2/2]+[(Pa3-Pa2)(h3+h4)/2]+(6Pa4/2)+Pa1h2+Pa2(h3+h4)=14.6X0.78+(27.2-14.3)X1.5+50.6X4+6X30+14.3X3+217.6=675KN/m
图2 钢板桩压力分布图

由EaH=∑Eh,可得：675H＝3375,故可求出合力点距桩底的距离H＝5m。
作用于钢板桩上的被动压力Ep=rh2Kp/2=19x25X3/2=713KN/m
因Ea 4 结语
钢板桩围堰方案具有工期短，占地空间小等优点，较适应于水深及土质为软基的地基施工，与其他围堰施工相比，钢板桩围堰一次性投入费用较低，对于软地基可采取水下封底实现干法施工，多次找平，保证了承台基础质量，本次工程采用钢板桩围堰施工历时两个半月，施工过程顺利，实际效果表明采用钢板桩围堰方案是切实可行的，可供类似工程进行参考。
参考文献
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