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深水基础 —钢板桩围堰施工技术


济南黄河特大桥主桥

深水基础 —钢板桩围堰施工技术
京沪高速铁路二标十工区

2008年1月

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一、工程概况
1、概 况
黄河特大桥主桥墩基础墩号为0~5号,其中3号 墩为固定墩。 0 、 5 号墩采用 21 根φ2.0m 钻孔灌注 桩,0 号墩桩长 90m , 5号墩桩长 70m。 1、 2、3 、 4 号墩采用 28 根φ2.5 钻孔灌注桩, 1 、 4 号墩桩长 90m , 2 号墩桩长 102m , 3 号墩桩长 98m 。 0 、 5 号墩 承台厚度 4.5m ,平面尺寸 34.6×13.8m , 0 号承台 顶面标高33.0m、5号承台顶面标高30.0m;1、2、 3、4号墩承台厚度6.0m,平面尺寸42.5×23.3m, 承台顶面标高27.0m。
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2、地形、地貌与不良地质
(1)桥渡地形 正桥桥址处河道属济南段黄河窄河道区,宽约 900m,河床平均高程高出两岸大堤背水面3.0m。 (2)水文条件 黄河河流平均流速2.07m/s,设计施工洪水位 +30.5m。黄河枯水期仅主河槽有水,水深约4-6m,水 面标高+27m,水面宽约300m。黄河主河道内一般冲刷 厚度约为7.7m~11.3m。

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(3)工程地质 桥位工程地质地层以第四系河流相粉质土为 主,其间多夹粉、细、中沙及粉土、薄层粘土或 透镜体。其中覆盖层40m以下姜石含量较高,姜石 层分布较多。设计图纸反映桥址范围第一层土主 要为软塑的粉质粘土、粘土及稍密的粉土组成, 厚度9.6m~22.5m;第二层为硬塑的粉质粘土、粘 土及中密的粉土及中密的砂层组成,厚度2.7m~ 11.8m;第三层为硬塑状的粉质粘土组成,厚度钻 孔未揭露。黄河主河道内一般冲刷厚度约为 7.7m~11.3m,枯水期河床冲刷层范围沉积层主要 以粉砂土为主。
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二、钢板桩方案的确定
? 1 、根据1、2号墩位处地质条件和承台设计标高, ?
采用钢板桩围堰较合适,围堰防水性能好,整体 刚度较强。 2 、钢板桩围堰由单层钢板桩和两层由型钢组成 的内撑梁组成;围堰平面为矩形,其内口尺寸为 50×36米,钢板桩单根长22米,被打入后,其底 端标高为+9米,顶面标高为+31m;采用德国拉森 Ⅳ型钢板桩,套型锁口,锁口内涂上润滑黄油, 两桩锁口联结转角10°~15°,摩阻力小,防渗 性较好,四个转角位臵采用焊接的T形钢板桩;
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? 3 、钢板桩的施打采用平台吊机,配合震动打桩
船进行打入,承台施工完成后拔除;内撑梁分别 安放在设计标高位臵处,焊接在钢板桩的牛腿上, 内撑梁外缘两端与钢板桩相撑住,以加大围堰抵 抗土侧压力及水压力的能力。

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? 4 、钢板桩施工完成后,进行围堰内水下混凝土
封底施工。封底混凝土强度满足要求后,开始在 围堰内边抽水边设臵内支撑。第一道内支撑安装 前,将围堰内水抽至第一道内支撑设计位臵以下 50cm,然后快速安装好内支撑;第一道内支撑安 装完成后继续抽水至第二道内支撑设计位臵以下 50cm,快速安装好内支撑;继续抽水至围堰底, 进行承台施工。
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? 5 、承台混凝土分两次浇筑,每次为3m厚。当第
一次混凝土浇筑完成后,需要拆除底层内支撑。 为此,在承台第一次混凝土浇筑完成,强度满足 要求后拆除侧模板,将围堰底部以上3m范围杂物 清理彻底。然后在围堰底部以上3m承台和钢板桩 围堰间全部回填沙土,采用注水措施保证所填沙 土的密实。拆除下层内支撑,将支撑力分配到所 填沙土和上层内支撑上。继续施工完承台后拆除 钢板桩围堰内支撑,拔除钢板桩
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三、钢板桩围堰结构计算

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? 1、设计参数 ? (1)主河道内主要为软塑的粉质粘土、粘土,
? ? ? ? ? ? ?
土体力学性能如下: 土体容重:r=18.5KN/m3 土体内摩擦角:φ=20° 土体总应力粘结力Cu=12.16kPa (2)钢板桩力学性能: 钢板桩采用IV 型拉森桩,重量75kg/m,每1米 宽截面模量W=2037cm3,允许应力为[σ]=210Mpa。 (3)型钢力学性能 [σ]=145Mpa,=85Mpa。

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? 2、围堰基底设计验算 ? ⑴抗基底翻起计算
2? Cu 稳定系数K ? ? ? 2?3.14?12.16 ? 2.3 ?1.2 M 0 rh 1?rwh 1 18.5?4.0?10?4.0 My

? 基底土体稳定,不会发生翻起。 ? ⑵基底土体管涌(稳定性检算)
钢板桩不发生管涌的最大入土深度:
t ?13.04m

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?

单根钢板桩长22米,围堰钢板桩实际 入土深度为13米。考虑8m冲刷深度的影响, 钢板桩入土深度仅为5m。因此,在没有冲 刷的季节施工钢板桩围堰时,在内支撑合 理的情况下可以直接抽干围堰内的水而不 发生基底翻起或土体管涌,基底稳定。在 有河床冲刷季节,考虑8m冲刷深度的影响, 要对围堰底进行水下混凝土封底施工。

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? 3、钢板桩、围堰围囹、内支撑计算 ? ⑴确定围囹层数及间距
根据施工的具体情况,承台高度,水压土压, 另外钢板桩虽能满足强度要求,但内支撑布设也 有一定要求,确定采用布臵为h=3.5m、h1=3m、 h2=3.5m,即钢板桩围堰顶面标高+31m,第一道内 支撑标高+27.5m,第二道内支撑标高+24.5m,封 底混凝土顶面标高+21m。

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? ⑵钢板桩计算
在钢板桩围堰顶面设臵临时内支撑,钢板 桩围堰抽水至围堰顶面以下4m深位臵,而第一道 内支撑尚未安装为工况一;第一道内支撑安装后, 钢板桩围堰抽水至围堰顶面以下7m深位臵,而第 二道内支撑尚未安装为工况二;第一、二道内支 撑安装完毕,钢板桩围堰抽水至围堰顶面以下10m 深位臵,最终受力状态为工况三。

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通过Midas Civil计算,三种工况下钢 板桩所受内力如下: M 368 ? ? ? 工况一: W 2037 ? 10 ? 180.7Mpa ? ?? ? ? 210 Mpa M 288 工况二: ? ? W ? 2037 ? 10 ? 141.4Mpa ? ?? ? ? 210 Mpa M 80 .5 ? ? 10 ? 39 .5Mpa ? ?? ? ? 210 Mpa 工况三: ? ? W 2037
3 3 3

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? ⑶ 围囹内力计算
第一、二两层围囹采用双I56a,Wx=4684 cm3, 其中支点的最大间距为3m,按照最不利的简支计 算:
M 227.2 ? 3.0 2 ?? ? ? 103 ? 55Mpa ? ?? ? ? 145Mpa W 8 ? 4684

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? ⑷ 围囹内支撑计算
内支撑顺桥向采用φ630×8mm钢管,横桥向采 用2I36a。按轴心受压构件计算,压杆两端按铰接 简化。 ①钢管内支撑计算(水平面内) 钢管桩轴向应力 ? ? N ? 227.2 ? 6.4 ?10 ? 91.9Mpa ? ?? ? ? 140Mpa
?3

?

A?1

3.14 ? 0.63? 0.08 ? 0.9

? ②钢管内支撑计算(竖直面内)
钢管桩轴向应力
??
N 227.2 ? 18 ? 10?3 ? ? 58Mpa ? ?? ? ? 140Mpa A?1 3.14 ? 0.63? 0.08 ? 0.448

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? 4、封底混凝土验算
根据钢板桩封底后最高水位时围堰所承受的 托浮力进行估算,考虑最不利状态,即河床冲刷 最深处。计算得围堰封底混凝土厚度,h=1.5m。

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钢板桩内支撑布置图(I—I)
0.5m

II56a II36a支撑

钢板桩顶面标高31.00 30.50最高洪水位

B 承台 A
片石垫层m

3m

3.0m

B
河床标高22.00

3.5m

A
封底混凝土1.5m 碎石垫层0.2m

冲刷线标高14.00

钢板桩底面标高9.00

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钢板桩内支撑布置图(B—B)
II36a支撑

I

平台φ 80的钢管桩

钢板桩

φ 63的钢管内支撑

I

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四、钢板桩围堰施工
? 1、施工准备:
① 将新旧钢板桩运到工地后,详细检查、丈量、 分类、编号; ②钢板桩的整修。对有弯曲、破损、锁口不合的 钢板板桩均进行修整,采用的方法为:冷弯、热 敲、焊补、割除。 ③钢板桩长度不足时,可用同类型的钢板桩接长。 接长采用焊接,先对焊,再焊加固板。
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钢板桩接长现场
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? 2 、钢板桩围堰的打设
①导向安装 准确测量后,打设两根钢板桩,并焊 接钢牛腿,其上放臵两根钢板桩并与牛腿焊 接牢固,形成框架作为导向(此钢板桩在 围堰一边打设完成后拔除,之后重新安装 导向)

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临时导向钢板桩
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临时导向框架
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临时导向框架

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②钢板桩插打 Ⅰ、打桩设备: a、10吨水上浮吊; b、60T液压钳式振动桩锤; c、钢板桩运输船。

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采用三条普通运输船拼成的移动平台及40T履带吊

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60T液压钳口式振动桩锤
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60T液压钳口式振动桩锤

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Ⅱ、插打方法 先逐根插打矩形围堰的三个边,最后一边先 插合拢后再打入。实践证明:该方法速度快,合 拢误差小,易合拢。 Ⅲ、插打顺序 先上游,后下游合拢。 Ⅳ、垂直度的控制 在钢板桩正面、侧面各站一人采用吊线锥的 方法检查垂直度,观察点远离钢板桩插打位臵50 米~100米为易。

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振动桩锤的钳口正在嵌入用钢丝绳吊起钢板桩

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振动桩锤钳住钢板桩

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钢板桩插打
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钢板桩插打
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钢板桩围堰打设完成

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3、钢板桩围堰封底
? ①清淤
围堰合拢后进行基底清淤。余姚江河床底为 淤泥质粘土。清淤方法为:潜水员潜入河床底, 清水泵抽干净的河水通过加压,潜水员持高压水 枪冲起、搅混基底淤泥,同时基坑内的泥浆泵抽 出浑浊的基坑水,达到清除基底淤泥的目的 。

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潜水员准备潜水清淤
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②、抛片
清淤至设计标高后,抛填50cm厚粒 径不大于20cm的片石,之后进行水下混凝 土封底。

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抛填片石
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③、砼封底
封底采用C25砼,厚度为1.5米。 水下封底采用一次连续浇注完成。 封底混凝土采用导管法,导管设计作用半径为 3.0m 。

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砼封底
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砼封底
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4、围堰内支撑的安设
? ①在封底混凝土达设计强度的50%后即可抽水架设围囹和
? ? ?
内支撑 。 ② 支撑安放原则:先支撑后降水,分层支撑分层降水 。 ③围堰第一次抽水较为关键,根据钢板桩新旧程度需配臵 足量的水泵进行强降水 。 ④围堰四角处受力较复杂,为保证围堰安全性,四角采用 型钢进行加强 。 ⑤施工观测,重点是观测围堰围囹、内支撑和钢板桩的变 形。如发现变形过大,立即停止抽水,并向钢板桩围堰内 注水,以减少变形。分析原因,采取加固措施后,重新抽 水、安放支撑。
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参考图片:安放的第一道围囹
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参考图片:安放的第一道围囹及内支撑

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参考图片:围堰堵漏前抽水时的情景

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参考图片:正在用锯沫拌合湿的细砂堵漏
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参考图片:堵漏成功,围囹及内支撑 安装完成后
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钢 板 桩 围 堰 施 工 工 艺 框 图
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钻孔桩施工完毕,拆除平台型钢

钢板桩进场、校正、检验

施工准备

机械进场 钢板桩定位

插打钢板桩 围堰合拢、钢板桩之间进行点焊连接 围堰内清基,抛填片石 抛填碎石找平基底 水下混凝土封底 检测封底完整性、封底厚度

等强抽水设臵第一层围囹及内支撑 设臵第二层围囹及内支撑 基底砂浆找平 设臵第三层围囹及内支撑

准备承台施工

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5、钢板桩围堰可能遇到的问题 及预防措施
1、打桩过程中有时遇上大的块石或其它不明障碍物,导致钢 板桩打入深度不够,则采用转角桩或弧形桩绕过障碍物。 2、钢板桩在淤泥质地段挤进过程中受到淤泥中块石或其它不 明障碍物等侧向挤压作用力大小不同容易发生偏斜,采取以 下措施进行纠偏:在发生偏斜位臵将钢板桩往上拔l.0m~ 2.0m,再往下锤进,如此上下往复振拔数次,可使大的块石 等障碍物被振碎或使其发生位移,让钢板桩的位臵得到纠正, 减少钢板桩的倾斜度。 3、由于淤泥质基础较软,有时施工发生将邻桩带入现象,采 用的措施是把相邻的数根桩焊接在一起,并且在施打当桩的 连接锁口上涂以黄油等润滑济减少阻力。

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6、承台施工
钢板桩围堰抽水完毕后,测量围堰底面标高, 用砂浆找平承台底面至承台底面设计标高。在桩 基检测完成后,对桩位进行复测,并报请监理验 收。在验收合格后,进行承台施工。根据钢板桩 围堰内支撑的布设要求,承台砼可一次浇注完成。 承台模板使用大块钢模板进行施工。

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承台散热方案
承台混凝土一次整体浇筑。为避免大 体积砼温度应力过大而产生裂纹,采取了 埋设冷却水管,利用江水循环,带走承台 内部热量 使内外温差控制在25℃以内; 冷却水管埋设如下图

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冷却管示意图
冷却管

冷却管

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冷却管设计说明
1、冷却管采用外径φ42mm,壁厚2.5mm的无缝钢管,冷却管连接段用 φ54mm,壁厚3.0mm的无缝钢管。 2、如设计图所示,承台每层冷却管设一个进水口,一个出水口。 3、用水泵抽水,保证冷却管进水口有足够的压力,进出水管的水温控制 在相差5~10度之间,承台从浇注起至浇注完成砼后,10天内不断注 水。 4、设计图中标注的冷却管长度为管道中心处距离,冷却管保证不串浆, 不漏水,安装完毕,必须做密水检查,保证注水时管道畅通,砼养生 完成后,冷却管内压入30号水泥浆。 5、冷却管用φ22钢筋架立点焊多点固定。 6、冷却管接头采用满焊,且保证不漏水,不串浆。

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7、钢板桩围堰的拆除
钢板桩在拆除工作中应注意: 1、钢板桩围堰拆除与围堰施工顺序相 反进行。首先采用水泵加水至最下一道围堰 标高处拆除最下一道钢围囹,依次循环,直至 最顶一层围囹拆除完毕。 2、钢板桩拔除先行由下游方向开始, 对称施工至上游方向,采用振拔锤配浮吊进 行施工。 3、拆除过程必须时刻注意施工安全。
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?

8、施工中注意事项
钢板桩围堰在整个工程施工中极为顺利,经 实测各单元的变形与计算结果相符。施工中要注 意以下几点: ①钢板桩的堵漏 一般的做法是在钢板桩施打过程中用棉絮、 黄油等填充物填塞接缝。或在钢板桩全部插打完 毕开始抽水安装围囹时,采用一边抽水一边在钢 板桩的接缝外侧下溜细砂或锯末拌合湿砂的方法, 借助水压力将细砂吸入接逢内而达到堵漏的目的, 对于变形较大的接缝在围囹安装后用棉絮塞填。。
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②围囹的安装
围囹的安装应随着抽水的深度逐层实施,安装过 程中要密切注意河床水位的变化,并安排专人负责施 工期间的抽水工作。值得注意的是工字钢与钢板桩的 连接,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,要求将工字钢 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。

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