主墩钢板桩围堰施工方案.doc

扬州西北绕城高速公路YRC—YZ1标段
（10#、11＃墩钢板桩围堰）
施 工 方 案
中铁第十九工程局第二工程处
扬州西北绕城高速公路YRC-YZ1标项目经理部
二OO二年四月十三日
一、工程概述：
京杭运河特大桥两主墩（10＃、11＃墩）设计为低桩承台,设计承台底标高为—3.45m,河床标高为—0。66m,高程差为2。74m。承台处水深为5。35m，河床土层为硬塑亚粘土,承载力为300Kpa。
原施工方案采用单壁无底钢套箱,套箱高度为10.8m，需沉入土层深度为3.8m（封底砼厚度为1。0m)。钢套箱施工时需采用反循环钻机在河床上施钻，钻进深度不小于3。80m，施工周期较长，费用较高，与目前现场施工的进度要求不相适应。于此,我部拟变更承台施工的围水方案,采用钢板桩围堰，围堰平面尺寸为28.8×14.0m，单块钢板桩长度为15m，并保证基底开挖至设计标高后，钢板桩桩尖距离基坑底部的距离不小于2.5m.经计算，钢板桩选择我国生产的“鞍Ⅳ”型板桩。板桩插打完成后，边抽水边安装支撑.抽水结束后,采用人工挖掘河床至设计标高，以达到为承台施工提供无水环境之目的。
二、钢板桩围堰施工
（一)施工机具的选择
板桩施工的顺利进行在很大程度上决定于施工机械的选择，综合考虑本工程的工程规模、土质情况、作业能力及作业环境,我部决定采用25T吊机配合90KW振拔桩锤，该桩锤引进日本技术,采用液压原理固定桩端，牢固可靠,不易损坏桩顶，适合于在粘土层中打桩作业，且可以插打任意形式的板桩，辅助设施简单，操作方便，振动力大，施工速度快，噪音小。
(二）钢板桩的整理、堆放
钢板桩不论新购置,还是租赁的,进入施工现场前需进行检查整理，完整无损的钢板桩可运入现场，检查项目如下：
1、锁口检查:用一块长为1。5~2.0m符合类型规格的钢板桩作标准，将进场的所有钢板桩作锁口通过检查，检查时用绞车或卷扬机拉动标准钢板桩平台，从桩头至桩尾进行，锁口不合格的钢板桩禁止直接使用,需作修整处理后再用.锁口检查方式如图一。
2、完整性检查:因钢板桩为围水结构，需检查钢板桩桩身的有无割洞、割缝及破损，发现缺陷处及时修整，以保证钢板桩在使用过程中不漏水,并满足强度要求.
3、规格检查：检查单块钢板桩规格尺寸是否一致,板桩长度及长度方向的板宽是否一致，有无楔形现象，若发现需作适当调配或修整。
板桩检查合格后，在堆放时尽量不使其弯曲变形，避免碰撞，尤其不能将锁口破坏，堆放场地应平整、坚实，不产生大的缺陷.最下层板桩应垫木块,每块板桩间要留有一定通道，便于吊机或运输车辆的通行。
（三）锁口润滑及防渗
为防止板桩在形成桩墙后出现渗漏现象，板桩插打前在两侧锁口涂以热的混合油膏，以减少插打时的磨阻力,并增加防渗性能。
混合油膏配合比（质量比）为：
黄油:沥青：干锯末：干粘土=2：2：2：1
另外,在板桩插打完成进行抽水施工时，若出现较严重渗漏现象，可采用优质黄砂沿渗漏的板桩壁洒入水中，即可实现堵漏。
(四）异形板桩的准备
因本围堰平面型式为封闭式矩形，插桩时需进行转直角及封闭合拢，故需事先加工角桩,角桩可采用配套的专用角桩，亦可现场加工，考虑租用或购买的钢板桩多为普通板桩，角桩比较少见，故我部采取现场加工的角桩，其方法为：将一普通板桩沿中线割开，割面垂直焊加于另一块板桩的“鞍背”上，形成直角桩。角桩制作形式如图二。
另外，在合拢时，若合拢块宽度不能满足一块规格板桩的宽度要求或合拢块宽度上下不一致，需制作“楔"形板桩,“楔”形桩制作的具体尺寸需依现场实际测量情况确定.
（五）围笼准备及安装
在插打钢板桩时需采用I45b工字钢作为内外导梁、导框，制成围笼,内外两导梁间距为440cm，其作用在于插打钢板桩时起导向作用.导框分两层,下导框紧贴水面，上导框与下层导框间距为2。2m.所有导梁工字钢要平放。
上导框只设内导梁,采用2I45b工字钢，并兼作施工平台;下导框设内外导梁，内导梁采用支撑牛腿焊于护筒上，外导梁采用支撑牛腿焊于平台钢管桩上，内外导梁均采用1根I45b工字钢.导梁按设计尺寸直接下料,并在平台上试拼，导梁接头尽量安排在内支撑的支点处，接头采取焊接.
安装围笼导梁时，应进行测量定位，牛腿伸出导梁的部分应割掉，以避免影响板桩插打。导框工字钢要与牛腿焊接牢固，不能滑移.导梁接头要焊固,尤其拐角接头处,不能发生变形扭曲.
待钢板桩插打完成后，将围堰外导梁移至围堰内,4根I45b导梁合并焊于一体,焊加横、纵支撑后，下沉至下层支撑设计标高。
（六)插打与合拢
1、钢板桩的插打方法：
钢板桩插打时按开始的一部分先插打，后一部分则先插合拢，后再统打的施工方法。此方法可减小合拢误差，且施工进度较快。
2、插打顺序：
若施工时有水流，可从上游开始，在下游合拢，每边由一角插至另一角，具体插打顺序如图三所示。
3、插打施工:
插打前，应在上下层导框的内导梁上放出每块板桩的位置线。插打时应尽量将板桩贴靠内导梁，并严格控制好桩的垂直度，尤其第一根桩要从两个相互垂直方向同时控制，确保垂直不偏。
在板桩插打前，在锁口内涂刷热的混合油膏，并将不进行插连一侧的锁口采用木楔塞紧(第一块插打的板桩需两侧全部塞紧),以免泥土或砂砾进入增加插桩阻力和降低防渗性能.板桩插打一块或几块后,即与导框进行联系。
板桩起吊时,为防止板桩弯曲变形，可将吊点移至距桩头不大于三分之一桩长的范围内，并采用捆吊法。
4、板桩插入导框的技术措施:
为使板桩在下插时有准确方向，在上下层围笼内导梁上预先设置导向短方木,第一根钢板桩即顺此导向木插下.导向短方木预先锯好槽口,卡住导框的内导梁，待第一根短方木插打完成后,可将短方木移至下一桩位，继续作为插打导向.
5、锁口下插困难时的技术措施：
钢板桩起吊后，采用人工扶持插入前一块的锁口后继续下插,如下插困难时，可采取如下措施：
(1)桩吊起插入锁口后，快速放松吊桩绳，借桩自重急速下插;
（2）用锤压桩下插，必要时可加以低锤慢打;
（3)用倒链绞拉。
6、施工周期:
因桩基施工完成后,两主墩平台场地宽阔，可作为板桩堆放场地.为加快施工进度，可将板桩提前运至钢平台上,并用一台吊机配合摆放钢板桩及涂刷混合油膏，另用一台吊机作打桩用，若不计板桩运输时间,每块板桩的插打周期为：涂刷混合油膏10分钟，起吊就位插锁口10分钟，插打10分钟，共计30分钟。每天有效工作时间按12小时计算，每天可插打板桩24根。每个围堰共计216块板桩,9天即可插打完成。
7、顺利合拢的技术措施：
为保证板桩插打正直、顺利合拢,应及在插打过程中及时纠正偏斜，当偏斜过大不能用拉压方法调正时，应拔起重新插打,在防止与纠正无效时，可用特制楔形桩进行合拢。每块楔形桩的斜度不应超过2％,如一块楔形桩仍不够合拢口用时，则可以采用两块楔形桩，两块楔形桩应各有一个垂直边，其间至少应插入一块普通桩，用一块楔形桩插打顺序如图四所示.
8、抽水堵漏
钢板桩围堰的防渗能力较好,但遇有锁口不密、个别桩入土不够及桩尖打裂、打卷等情况时,仍会发生渗漏。锁口不密的漏水可在抽水发现后以板条、棉絮、麻绒等在板桩内侧嵌塞，或在漏缝处侧水中撒下大量炉渣与锯末或谷糠等随水夹带至漏缝处自行堵塞。漏缝处较深时，也可将炉渣等装袋,到水下适当深度时逐渐倒出炉渣堵漏.
三、钢板桩围堰的计算
见后附“钢板桩围堰的设计计算”。
附录:
钢板桩围堰的设计计算
一、计算原则：
1、板桩的计算原则：求算板桩围堰的横断面、最小入土深度、支撑间距及尺寸等，本工程依实际情况,将板桩支撑布置成多支撑形式,且考虑施工方便，支撑为间距不等的任意间距形式。
2、横撑导梁的计算原则：横撑按两端铰接的轴向受力的压杆计算，并验算导梁与横撑接触面的受压情况。
二、设计计算的工况条件：
1、抽水阶段的受力计算；
2、围堰内挖基的受力计算.
三、荷载取值依据:
1、水平荷载∑Mj=静水压力+流水压力；
2、竖直荷载∑Mj=板桩自重+浮力；
3、水的容重按9。81KN/m3计算,单位面积上的静水压力按9.81KN/m2考虑,水压随高度成线性分布；
4、考虑汛期流水压力,其流速按V流=1。0m/s计算；
5、水的浮力 γ浮=9.81KN/m3
四、板桩的计算:
对板桩的受力分析按最不利的情况考虑,所以我们取抽水阶段迎水流侧板桩的水平受力.为安全起见，板桩的容许弯曲应力按常用数值增加75％,在支撑系统计算中,仍按容许应力计算。因板桩插打的土层为硬塑亚粘土层,为不透水层，故可考虑堰内挖基阶段的受力情况与抽水阶段的受力情况相同。
1、 板桩围堰支撑的布置
板桩支撑的布置层数及间距，直接影响着板桩、横纵撑、围檀的截面尺寸及支护结构的材料量,从理想状态考虑,支撑的布置分为等弯矩布置和等反力布置两种形式,等弯矩布置可充分发挥钢板桩的抗弯强度，可使钢板桩材料最省；等反力布置可使支撑系统简化。但从两主墩处河床标高及承台位置，不能按上述任何一种方式布置支撑，应根据实际情况预以确定支撑层数及间距。即板桩围堰内共设三道支撑，将最下层支撑设置于承台标高之上0。5m的位置处，且与上两道支撑等间距布置，间距为h=2.0m。具体布置形式见图一。
2、 板桩入土深度及板桩总长度确定
设板桩最小入土深度为t0,抽水、挖基后板桩与外侧土体间存有残余水，则围堰支撑结构及板桩受力如图一所示:
上图为板桩上经简化的水压力及土压力分布图，其中,h=3。06m，h1=h2=2。0m，h3=4。0m，计算过程如下:
按盾恩近似法计算,假定作用在板桩CO段上的荷载为CDKO,一半传至C点上，另一半由坑底被动土压力CJO承受,由几何关系可得：
γH·(H2+H3+t0）=ρt0Kp+2c
上式中：γ=9.81KN/m3,H=5.35m，H2=1。21m，H3=2。79m，ρ=20。4KN/m3，c=77。6Kpa，Kp=tg2（45+）= tg2(45+）=2。16则有：
9.81×5。35×（1.21+2.79+t0)= 20。4×t0×2.16+2×77.6×
解得：t0=2.16m(即为板桩的最小入土深度）
板桩下端的实际埋深应位于t0之下，所需实际板桩的入土深度为：t=1。1t0=2。38m。
考虑板桩插打成形后，板桩顶面应高出钢平台顶面（平台顶面标高▽+7.606m）,而板桩入土后的桩尖标高计算如下:
▽=—3.454m(基坑底标高)-2。38（板桩入土深度）=-5。834m
则所需板桩实际长度为：L≥7。606—（—5。834）=13。44m
3、钢板桩类型的选择
取最不利的工况条件，即以抽水、挖基后的板桩受力状态作为确定板桩类型的依据.以1延米板桩墙为受力单元，将板桩看成是承受三角形荷载与均布荷载共同作用的连续梁，以计算的板桩最小入土深度确定板桩下支点位置,按弯矩分配法计算板桩的弯矩和反力。其力学简化模式如图二所示：
坑底被动土压力的合力作用点，距基坑底的距离为，其点设为G,从图中可以看出，在5跨不等跨连续梁中，CG跨的弯矩最大，L=h3+=4.0+=5.44m,为安全起见，将梁段CG的最大弯矩以简支梁的形式计算,并近似采取图④的均布荷载形式，该梁段静水压力集度为：
q静=ρt0Kp+2c
= 20.4×2。16×2.16+2×77。6×
=323。27KN/m
动水压力： P=KH Bγ=20×5。35××1×9。81=80。33KN
则动水压力集度为：q动= = =8。38KN/m
则CG梁段的最大弯矩为：
Mmax = ql2= ×（323。27+8。38)×5。442=1226.84KN·m
钢板桩为A3钢,常用容许弯拉应力为[σ］=180Mpa
则每延米钢板桩 W= = =4701cm3
从计算所需钢板桩的截面模量（4701cm3/m）可以看出，无此规格的钢板桩可以满足受力要求，计算表明需在CG梁段跨中增加一道支撑，以减少板桩的最大弯矩.若假设板桩的最小入土深度不变，在梁段CG中间增加一层支撑，其跨度变为2.72m，最大弯矩为：
Mmax = ql2= ×（323。27+8。38）×2.722=306。7KN·m
每延米板桩墙 W= = =1175cm3
可选用德国生产的拉森式“Ⅳ"型钢板桩（截面模量为2037cm3/m）。
考虑施工实际情况，将最下一道支撑设置在距离基底2.0m处,按上述同样方法验算，所选板桩亦能满足受力要求。
Mmax = ql2= ×（323。27+8。38)×3.442=490.58KN·m
每延米板桩墙 W= = =1880cm3
4、围檀构件截面尺寸的确定
以两护筒（或钻孔灌注桩）的间隔作为内支撑杆件的通过位置，其内支撑杆件的平面布置见图三所示:
从图中可以看出，纵向（无水流侧）最大支撑间距为4.95m，横向(迎水流侧)最大间距为4。70m.增加一道内支撑后，其板桩受力形式见图四所示,取有水流侧作为研究对象。
从图中可以看出，反力RE值最大,次之RC，RA最小。由以上可知,▽C=0.546m，则有:h=0.144，h1=h2=2m，h3=2。72m，h4=1。28m，假设各支撑反力相邻两跨上的半跨压力由该支点承担，则单根内支撑反力为:
RE = （γH+P动）h·b = （9.81×5。35+80.33）×2.72×4。70=1698KN
由上知，▽= +1。546m，▽= —0.814m，
则=2。36m，H1=4。69—1。546=3.144m,H2=4.69+0。814=5。504m,
Rc= ［+ P动 ］·h·b
=[+80。33 ]×2。36×4。70
=1362KN
同理可求得：
RB=953KN
RA=462KN
将内支撑与围檀接触点看成是铰接，按均布荷载的简支梁设计确定围檀的材料及规格，以E层围檀为例：
Mmax= = =998K N·m
W= = =4642cm3
选用4I45a工字钢（截面模量W=1430×4=5720cm3）作为E层围檀.
同理：
①可选择3I45a工字钢(截面模量W=1430×3=4290cm3)作为C层围檀；
②可选择3I36b工字钢（截面模量W=919×3=2757cm3）作为B层围檀；
③可选择3I25b工字钢（截面模量W=422.7×3=1268。1cm3）作为A层围檀;
5、支撑构件截面尺寸的确定
由上面计算可知：
RE = 1698KN、Rc=1362KN、RB=953KN、RA=462KN
以E层围檀为例，迎水面支撑杆件最大长度为4.95m，选择直径为500mm,壁厚为10mm的钢管,由长细比公式(欧拉公式）得：
临界力Pcr= = =37230KN
＞RE = 1698KN
故可满足E层支撑受力要求。
同理：
①可选择选择直径为402mm，壁厚为9mm的钢管作为C层内支撑。
②可选择选择直径为299mm，壁厚为7.5mm的钢管作为B层内支撑。
③可选择选择直径为273mm,壁厚为6。5mm的钢管作为A层内支撑。