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超大基坑钢板桩围堰施工工艺和技术措施
摘 要: 通过对大连普湾新区14号路跨海桥工程一标段主墩承台采用钢板桩围堰施工的实践，介绍了钢板桩施打、加固、基坑开挖施工及钢板桩防渗漏措施。总结了钢板桩围堰的施工工艺和技术措施。通过相关理论计算确认本工程钢板桩围堰施工工艺的合理性。实践充分证明在覆盖层淤泥指标极差的条件下钢板桩围堰工艺在桥梁超深承台施工中是可行的。
关键词: 钢板桩 围堰 施工

The Construction Technology and Technical Measures of Steel Sheet Pile Cofferdam For Super-Large Foundation Pit

Cao Ke Wang Zhen Zhang Fa Ru
(No.3 Eng.Co., Ltd.of CCCC First Harbour Eng.Co., Ltd., Dalian, 116001)
Abstract: Experience by using steel sheet pile cofferdam for main frusta bearing platform of the first segment of cross-sea bridge for No.14 road of Dalian Puwan New District ,introduce the drive, reinforcement and excavation of foundation pit and anti-leak of steel sheet pile. Sum-up the method statement and the specification of steel sheet pile. Reference to theoretic calculation prove the rational construction of steel sheet pile. Certify the feasibility of using steel sheet pile cofferdam for ultra-deep bearing platform for surface of silt in poor condition.
Key word: Steel Sheet Pile Cofferdam Construction

一、工程概况
大连普湾新区14号路跨海桥工程工程全长2881.82米，包括引堤、主桥、引桥三部分。主桥跨径布置为70+3×120+70=500m，采用挂篮悬臂现浇施工法；预制段引桥采用3×40m的先简支后连续预应力砼梁桥，采用预制小箱梁，架桥机逐孔架设施工；北侧现浇段引桥分为两联，第一联跨径布置为5×30=150m，第二联跨径布置为35+40+34+2×34.2=177.4m，均采用预应力砼连续梁桥，满堂支架上现浇施工。全桥下部结构均采用双柱式桥墩，矩形分离式承台，配以钻孔群桩基础。
主桥下部结构共有4个墩台，其中32、33号墩在我标段内， 32、33号主桥墩单个承台尺寸为：14.45x18.2m，承台顶标高-1.5m，承台底标高-7.5m，单墩两承台间净距仅为0.84m。由于主桥两个承台间净距较小，若两个承台分先后单独进行施工将严重影响工程总体施工进度，故考虑主桥单墩两个承台使用一个围堰。
主墩承台位于本桥工期的关键线路上，考虑到本桥施工工期紧、任务重，采用沉井施工等常规的水中承台施工工艺无法满足施工要求，经过多次方案讨论比选，决定采用超大钢板桩围堰、陆上开挖深基坑干地施工工艺。
二、施工场地条件、地质及水文情况
1.施工场地条件
施工地点位于大连市普兰店湾，场地为回填筑岛平台，筑岛平台平面尺寸为40*45m，平台顶标高为+3.0m， -3.0m以下为原状淤泥土，-3.0m以上回填料为开山石渣，透水性较强且存在一定数量的大块石。
2.地质条件
本工程地质勘查单位大连勘查测绘研究院，根据《普湾新区14号路跨海桥地质勘查报告》钻孔勘探结果，32、33号主桥墩处工程地质土层情况如下图所示：

图2-1主桥32号墩地质剖面图

图2-2主桥33号墩地质剖面图

根据地质资料查阅，主要岩层地质特征如下所示：

表2-1主要岩层地质特征表
岩层编号
岩层名称
岩层承载力特征值
岩层特征
②
淤泥
40
灰黑-黑褐-青灰色，含有机质、贝壳等，局部含角砾，有少许腥臭味，饱和，流塑-软塑状态。
③
淤泥质粉质粘土
70
灰褐色，含有机质、贝壳及角砾，有少许腥臭味，湿-饱和，软塑状态。
④
粉质粘土
130
灰褐-灰白-灰黄色，切面稍有光泽，无摇振反映，局部夹薄层粉细砂、粉土等，干强度中等，稍湿，软塑-可塑状态。
⑦
砂砾石
180
灰褐-灰黄色，其中粒径为0.25mm—0.5mm的颗粒占15%—25%，粒径为0.5mm—2mm的颗粒占30%—40%，粒径为2mm—20mm的颗粒占25%—35%，局部夹薄层粉质粘土等，稍湿，松散-稍密状态。

3.水文情况
该地区稳定地下水位埋藏深度为0.00～3.00米，水位标高-2.00～1.90米。
年平均潮位-0.066米，年高潮位1.954米，年最低潮位-2.816米，年平均高潮位0.964米，年平均低潮位-1.116米。
三、施工特点及难点
1.基坑平面尺寸大，基坑开挖深度大。
主桥墩单个围堰平面尺寸达到32.3m×21.5m，基坑开挖深度为11m，此种规模的基坑在国内同类工程中也不多见。
2.施工区域内覆盖层参数指标非常差，给钢板桩围堰的设计与施工带来了极大地困难。各层地质参数指标见下表：
表3-1地质参数表
序号
土质名称
容重(kN/m3)
内摩擦角
粘结力c（kPa）
渗透系数经验值
（m/d）
1
淤泥
17.5
1.3
2.1
0.05-0.1
2
淤泥质粉质粘土
18.5
1.9
6.4
0.02-0.1
3
粉质粘土Q4
19.5
9.6
14
0.02-0.05
4
粉质粘土Q3
19.5
18.0
23
0.02-0.05
3.筑岛回填料为开山石渣，透水性较强且存在一定数量的大块石，增加钢板桩打设及钢板桩止水的难度。
4.基坑开挖难度大，后续基坑人工清理工作量大。基坑开挖采取逆作法施工，即先撑后挖，挖一层撑一层，由于本基坑设置四道支撑，在开挖过程中严禁挖掘机械碰撞支撑系统，增加了基坑开挖的难度。基坑内支撑密集，很多位置挖掘机械无法到达，导致基坑开挖过程中存在许多死角，这些位置均需要人工进行清理，清理的工作量非常大。
5.工序交叉多，工序间相互干扰大。主桥承台采用分层（分三次浇筑）浇筑混凝土，分层回填分层拆除钢支撑，施工过程中各工序间相互干扰非常大。
四、超深承台钢板桩施工要点
1. 钢板桩方案及型号选定
根据地质、水文条件、筑岛平台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，考虑采用沉井或钢板桩围堰进行施工，经过比较：沉井方案虽然可行，但造价高，制作下放周期长，纠偏、止沉难度大；拉森钢板桩围堰方案在施工方便性、节省工期等方面具有较大的优势，亦能做到安全可靠。通过其他工程钢板桩使用经验，选择日本拉森式Ⅳ型钢板桩的效果较好，钢板桩长18m 。
2. 钢板桩施打
2.1施工前准备
(1)每个墩的钻孔桩完成后，移走灌注桩钻机，清理筑岛平台并对其进行平整。
(2)筑岛平台回填料中存一定数量的大块石，采用反铲挖掘机对打设钢板桩位置进行开挖，保证在钢板桩在打设过程中不遇到障碍物。
(3)为了减少钢板桩插打时锁口间的摩擦和钢板桩围堰的渗漏，在钢板桩锁扣内涂抹黄油混合物油膏（重量配合比为沥青：黄油：滑石粉：锯末=4：6：10：1）。
（4）锤型选择：震动锤选型原则为振动力应大于土的动摩擦力，本工程钢板桩围位置的地质为淤泥层、淤泥质粉质粘土层、粉质粘土和全风化岩石层结构，根据地勘资料可知其标贯平均值分别为淤泥层2.0、淤泥质粉质粘土层2.4，粉质粘土层7.3，其对应的动侧摩擦力分别为10KN/m2、15KN/m2、25KN/m2，根据地质资料显示淤泥层平均厚度为3.0m，淤泥质粉质粘土层平均厚度为4.0m，进入粉质粘土层厚度为3.0m.计算其最大摩擦力为：
F=∑f×H×L=（10×3.0×1.0+15×4×1.0+25×3×1.0）×2=330KN
F——最大摩擦力；f——动摩擦力；H——各地质层厚度；L——钢板桩宽度。
该土质条件下振动锤产生的激振力应大于330KN，现场施工选用90型振拔桩锤（带液压钳）完全能够满足要求
2.2测量定位、导向架安装
钢板桩施打前，测量组用GPS进行放样定位，控制围堰长短边的钢板桩位置，定出围堰的角点及长，短边的间点，每点处打两根钢板桩，两相邻点的钢板桩用两根H型钢焊接，做为打钢板桩的导向。
2.3钢板桩打设
钢板桩的打入总体施工顺序，首先施打角上的钢板桩，施打完成后测量检测平面位置和垂直度，满足要求后利用锁口导向和定位导向依次施打其余钢板桩。
用5Ot履带吊吊起90型振动锤斜插到钢板桩顶口，整体起吊振动锤和钢板桩，利用自重顺锁口下插，然后测量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。
插打钢板桩时，第一根钢板桩必须插正、打正，以免影响后面的钢板桩。整个钢板桩围堰施打过程中，开始时可插一根打一根，即将每一片钢板桩打到设计位置；到剩下最后20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
钢板桩的插打详细步骤如下。
（1）在预施打的钢板桩锁口内涂黄油混合物油膏，并在桩的下端系两根缆风绳。
（2）安绑主副吊点，其中副吊点未焊吊环，用钢丝绳捆扎时，应垫以木枋，
以防滑移和受力后吊点处锁口变形。
（3）起吊一定高度后，慢慢放松副吊点，使钢板桩接近垂直状态，并利用风缆控制正反方向。
（4）钢板桩就位下插。第一根钢板桩系沿导向架下插，是整个围堰钢板桩的基准，要反复挂线检查，使其方向垂直位置准确。
（5）安设桩锤进行振动锤击，使钢板桩下沉到预定标高位置。
（6）将已插打好的钢板桩互相点焊固定。
按上述步骤逐根插打剩余钢板桩。
2.4钢板桩围堰的合龙
钢板桩围堰合龙段选在短边处，在合龙时，两侧锁口不一定会平行。为此要在钢板桩顶端使用千斤顶调整两侧锁口的平行，而且在合龙段采取先插合龙、再逐根施打到位，使钢板桩围堰合龙
2.5钢板桩加固
⑴钢板桩加固措施。钢板桩支护包括围檩、斜撑及顶撑撑三部分。
Z32、Z33主桥承台钢板桩围堰共有四道内支撑，第一道支撑的围囹采用H400×400单拼，斜撑采用H400×400单拼，顶撑采用 Ø630×10。第二至第四道撑围囹采用H400×400双拼，斜撑采用H400×400双拼，顶撑采用 Ø630×10。

图4-1钢板桩围堰平平面图

图4-2钢板桩围堰断面图

⑵钢板桩加固原则。在确保安全的前提下，基坑支撑的施工与基坑内泥面的下降按“先支撑后取土，分层支撑分层取土”的原则进行。
⑶钢板桩围檩安装。围檩型钢安装，首先在安装位置下方焊接承受围檩自重的临时短型钢，然后吊入围檩型钢就位。由于部分钢板桩侧面与围檩型钢之间存在空隙，将每片有空隙处的钢板桩用短型钢支撑在围檩型钢上并焊接固定，尤其注意钢板桩围堰四角与围檩型钢的固定。
⑷钢板桩支撑撑安装。按照设计图纸安装内撑，对围檩型钢和支撑撑接头位置用三角加劲板焊接，同时加强焊缝质量检查。
2.6围堰内土方开挖施工
基坑内土石方分为两部分，一部分为筑岛平台回填石渣，另一部分为淤泥、淤泥质粘土。
钢板桩插打完毕后，首先采用短臂挖掘机挖除基坑内回填石渣，并安装第一道支撑，后采用长臂挖掘机对基坑内淤泥进行开挖，个别挖掘机无法挖到的死角，采用人工配合挖除。逐次开挖逐次安装各道支撑直到挖至基坑设计标高，围堰内挖出土石方就地回填至筑岛平台四周。基坑开挖过程中须专人指挥，严禁挖掘机械碰撞围堰支撑系统。
2.7封底砼浇筑
土方开挖至基坑设计标高后，即可进行干封底砼的施工，封底砼标号为C25，封底砼厚度为1.0m。
先在围堰内基底抛填约20~30cm厚开山石渣，然后基底干封100cm厚C25砼。封底前在底部钢板桩四周用编织袋或土工布将钢板桩与封砼隔离，以便将来钢板桩顺利拔除。
封底后标高不能高于承台底设计标高，封底砼顶面保证基本平整。
封底砼采用泵送，按一般砼施工进行。封底时由一边向另一边推进，但保证连续、不间断、不留接缝、一次性完成。
为减小封底砼的浮力，降低封底砼的渗透压力，在封底砼上采取减压排水措施，具体做法如下：
在封底砼上预埋直径100mm塑料管，塑料管上部露出封底砼顶面，下部伸如回填石渣中10cm。减压排水管成梅花型布置，间距5m*5m，根据管的布置设置排水沟（采用木方压槽形成排水沟），排水沟将基底渗水全部汇入集水坑。封底砼浇筑过程中注意将减压排水管封堵好，避免砼将减压排水管堵死。
2.8施工过程监测
为保证承台施工过程中钢板桩围堰内施工人员安全，在钢板桩围堰及承台施工过程中，对围堰进行了位移和变形进行观测。
沉降位移观测点的设置在钢板桩围堰四个边的钢围囹上，每个边设置观测点2个。观测周期为钢板桩围堰施工过程中每4天一次，承台施工过程中每2天一次。钢板桩位移采用全站仪监测，变形采用水平尺及塞尺进行监测。通过整个施工期的监测，围堰的位移及变形均在可控范围内。
2.9钢板桩拔除
在主体结构施工过程中分层(分期)浇注的混凝土分层回填，自下而上依次拆除钢支撑。
在拔桩前应分层回填，由下往上分层拆除钢支撑，直到围堰内支撑全部拆除完，方可进行拔桩。拔桩时，可以借助千斤顶松动钢板桩，减少钢板桩与土、封底砼及钢板桩之间的摩擦力，然后由50t履带吊振动锤将钢板桩拔出。作业前对每个板桩的打入情况做详细调查，以此判断拔桩作业的难易程度。在拔桩时，采用90型振动锤进行拔除，拔一根清理一根，并及时运走，保证场地的清洁。
2.10钢板桩防渗漏措施
⑴施工时的预防渗漏措施。钢板桩渗漏一般出现在锁口位置，因此施工过程中重点加强对锁口的检查。施工前用同型号的短钢板桩做锁口渗漏试验，检查钢板桩锁口松紧程度，过松或过紧都可能导致钢板桩施工后渗漏；施打前在钢板桩锁口内抹黄油混合物；施打时控制好垂直度，不得强行施打，损坏锁口。
⑵施工后的小渗漏处理。抽水后发现钢板桩锁口漏水，但不太严重时，可用破棉絮对渗漏位置填堵。
⑶施工后的大渗漏处理。对于退潮后不渗漏但涨潮时渗漏较大时，则可用快速堵漏剂将锁口位置进行封堵；渗漏严重时，将钢板桩拔出重打。
⑷必要时也可采用钢板桩对渗漏点外围处进行二次振冲，将漏点处振冲密实，降低渗透压，减小渗透流量。
以上防渗措施在基坑施工过程中取得了良好的效果，围堰日渗流量控制在200m3左右。
五、钢板桩施工工艺的理论探讨
1. 钢板桩结构计算。根据《简明施工计算手册》一书中公式4-50计算，可知钢板桩人土深度8.0m可满足要求。
2.参照《公路施工手册：桥涵》一书中图5-46的曲线1-1计算，可知钢板桩强度满足要求。
六、社会效益与经济效益
如果32、33号墩承台采用沉井施工方案，参考本工程二标段34、35号墩主桥墩沉井围堰，沉井施工工期约60d；现采用钢板桩施工，工期约35d。可见本工程采用钢板桩围堰施工工艺对缩短工期有明显效果，具有良好的社会效益。32、33号墩承台采用钢板桩围堰施工方案，与沉井施工工艺相比，不但降低了措施成本，而且降低了人工、设备成本和管理成本，总的算来节约工程成本近200万元，具有良好的经济效益。
七、结语
普湾新区14号路跨海桥主桥墩承台，由于采用钢板桩施工，从钢板桩施打、加固、基坑开挖直至浇筑封底混凝土的全过程，与传统的沉井等施工工艺相比，具有费用省、工期短的优点。钢板桩围堰工艺在淤泥指标极差的覆盖层桥梁超深承台施工中的成功应用，取得了良好的社会效益和经济效益，为类似超深承台的施工提供了经验。

参考文献:
[1]向道明.钢板桩围堰的设计和施工[J].桥梁建设，2003（3）
[2]任亮.广州新光大桥深水承台钢板桩围堰施工[J].中外公路，2006（26）.94-99
[3]JTJ024-85，公路桥涵低级与基础设计规范[S].