钢板桩围堰技术在济南建邦黄河大桥承台施工中的应用

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钢板桩围堰技术在济南建邦黄河大桥承台施工中的应用
一、  概况
济南建邦黄河公路大桥项目位于济南市西北部新徐庄附近，大桥项目路线全长5272m，跨越黄河河道主桥采用三塔中央索面预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为53.50m+56.50m+2×300m+56.50m+53.50m的6跨连续箱梁结构，主桥立面布置如图1所示。
图1 主桥总体布置图

本工程主桥3号中塔位于黄河河道中央，基础施工期墩位处河床标高在+25.40m左右、地表流水水位在+27.00m左右，承台设计为整体式圆柱形结构，承台直径38.00m、厚5.00m、顶面标高+26.00m。2号、4号边塔分别位于黄河河道南北两侧河漫滩上、墩位处地面标高在+29.00m左右，承台亦采用整体式圆柱形结构，承台直径27.40m、厚4.50m、顶面标高+26.00m，2号、4号边塔基础施工期不受黄河地表流水影响。
二、场区水文地质情况
承台施工基坑开挖深度范围内主要分布地层为粉砂土与粉质粘土，这两种地层交错分布，其中粉质粘土为相对隔水层，主塔各墩处工程地质情况如表1所述。
表1                        各桥墩工程地质情况统计表
部位        2号墩        3号墩        4号墩
        岩性描述        层底标高        岩性描述        层底标高        岩性描述        层底标高
1        粉质粘土        +24.10m        粉砂土        +20.00m        粉砂土        +20.95m
2        粉砂土        +19.60m        粉质粘土        +10.00m        粉质粘土        +17.25m
3        粉砂        +17.60m        粉砂        +9.00m        粉砂土        +12.95m
4        粉质粘土        +10.60m        粉质粘土        +6.50m        粉质粘土        +7.85m
5        中砂        +3.10m        粉质粘土        +0.10m        粉砂土        +4.25m
三、承台施工挡水围堰方案确定
根据同类工程施工经验并结合现场实际地质、水文条件，以及本工程工期紧等特点，对采用双璧钢围堰、钢板桩围堰等几种方案的可行性比较，各种围堰结构特点如下。
1． 双壁钢围堰方案
总结我国桥梁水中基础施工中的各种围堰类型，根据围堰的特点可知：双壁钢围堰的刚度大，能承受向内向外的压力，结构相对稳定，但其相对费用比较昂贵，回收率不高，一次投入资金比较大。黄河属于非通航河道，钢围堰拼装、下放只能依靠钻孔施工时的钢平台作为作业场地、汽车吊或履带吊在原位分小块拼装，工效较低，钢围堰的就位、安装非常困难。
2． 钢板桩围堰方案
钢板桩围堰是一种水中基础、基坑支护很有效、施工比较简单、结构受力明确的一种围堰形式。根据本工程地质情况，粉砂、粘土层较厚，基础施工期水深最大为2.00m，钢板桩在钻孔钢平台上下打设方便，靠锁口于粉砂、粘土中封水比较容易，成功率大，较以上两种费用低，但钢板桩围堰同以上两种方案比，钢板桩刚度小、需加强密内支撑、增加了现场焊接工作量。
3． 承台施工围堰初步方案的确定
中塔位于水上，是本工程的控制节点工程，考虑墩位处河床覆盖层为流质粉砂层、渗水量大且钢板桩围堰位于水中。采用钢板桩围堰锁扣围堰，若局部漏水、涌砂影响中塔基础施工，将导致洪水期中塔被淹而停工，从而造成施工进度将严重滞后。
四、钢板桩围堰的设计
（一 ）钢板桩围堰设计思路
根据现场工程水文、地质情况，对钢板桩围堰结构设计提出了如下构思：
1．围堰封底混凝土厚度按照1.00m进行受力验算，或根据结构受力计算确定封底最小厚度；
2． 本工程承台均为圆形混凝土结构，为方便后期钢筋绑扎、模板支立及混凝土浇筑施工，承台平面区域范围内尽量少设置或不设置内撑结构；
3． 结合各墩位处板桩穿越的地层均有粉质粘土这一相对隔水的不透水层，设计时按照排水干施工开挖基坑的工艺考虑；同时对不排水吸泥、水下混凝土封底工艺方案作为备用方案进行验算，以防无法排水干施工时启用备用方案；
4． 考虑圆形钢板桩围堰插打时每块钢板桩的角度均不相同、导向设置困难，以及钢板桩合拢施工难度大，圆形围囹加工困难等特点，钢板桩围堰平面形状尽量避免采用圆形结构；
（二）钢板桩围堰结构设计
钢板桩围堰是由封底砼、内支撑、围囹、堰体等结构组成，围堰顶面标高按照+29.00m考虑、桩长18.00m、桩底标高+11.00m。
1. 中塔钢板桩围堰的设计
1） 设计条件、设计荷载及板桩选型
中塔钢板桩围堰设计水位+29.00m、基本风速基本风压为0.5Kpa、百年一遇风速为28.60m/s、设计水流流速2.00m/s、地面标高偏安全取+27.00m。
2）中塔板桩围堰结构形式
3号中塔钢板桩围堰采用边长为17.90m的正八边形结构，考虑施工期水位变化影响，在围堰内设置两道桁架式结构围囹内撑，其详细结构如图2所示。

图2  中塔钢板桩围堰结构示意图
围堰板桩桁架水平弦杆由HN600×200mm的H型钢、斜杆由HN400×200mm或工25型钢组成。
2．  钢板桩围堰受力验算
中塔钢板桩围堰受力计算采用MDAIS工程计算软件对第一道、第二道围囹安装前、基坑开挖完成封底混凝土浇注前三种最不利工况进行的受力分析。
主要验算内容：水平桁架围囹、桩面板、锁口等构件的内力、应力及变形，钢板桩最小入土深度、围囹及支撑受压稳定性、土体压力及其稳定性，封底混凝土强度及握裹力，土体压力及其稳定性。
五、中塔钢板桩围堰施工
中塔采用搭设钻孔钢平台进行桩基础施工，桩基施工结束后拆除影响钢板桩打设区域内的钢平台，板桩采用70t履带吊、DZ60型振动锤打设，围囹桁架则采用桩基础施工时安装的250t.m塔吊进行吊装。
（一）施工准备
1. 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,振动锤端电压要达到380－420V，振动锤夹板牙齿不能有太多磨损，根据本工程地质及桩长情况选用DZ60型振动锤。
2．板桩的检查处理
1） 同一围堰的钢板桩用同样的锁口，按设计尺寸计算出使用钢板桩的数量，以确保够用；
2） 剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩；
3） 在钢板桩锁口内涂抹黄油以减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏；
（二）钢板桩振沉定位架系统安装
钢板桩打设时，在围堰每边采用3根ф800mm的钢管桩作为定位桩，施工前在围堰内侧附近振沉3根钢管桩，利用钢管桩作为竖向支撑体系在钢管桩顶或侧面安装2HN600的H型钢作为定位导向梁，型钢卧放于桩顶或桩侧面焊设的牛腿上，导向梁采用单层单面形式设置于钢板桩内侧。
（三）插打钢板桩至合拢
1．钢板桩施打顺序
考虑3号中塔墩位于河道中心、局部受水流影响，同时结合履带吊作业对平台拆除顺序的要求，钢板桩采取从上游向下游方向插打，下游侧板桩由履带吊在栈桥上施打，并在围堰下游面进行合拢。
2．钢板桩插打
将钢板桩用汽车通过栈桥运到3号墩位，塔吊起吊钢板桩使其竖立，7Ot履带吊起吊DZ60型振动锤插到钢板桩顶口，启动液压夹头、整体起吊振动锤和钢板桩，利用自重顺锁口下插至地面，然后观测钢板桩垂直度和平面位置，满足要求后开启振动锤一边振动，一边插打下沉，