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拉森鋼板樁圍堰施工工藝
 

作者:未知 【摘 要】在大型橋梁的設計中,從減少水阻力,美觀及通航的角度上考慮,一般將水中橋墩的承臺頂面設置在常水面甚至河床面以下,此時承臺施工常采用圍堰形成干施工條件。本文結合東新高速S08標項目部紫坭特大橋主橋主墩20#墩承臺拉森鋼板樁圍堰施工工程實例,詳述了拉森鋼板樁圍堰設計、采購、施工、拆除的全部工藝過程,并對施工中容易發生的問題也給出了解決方案。
【關鍵詞】鋼板樁;圍堰;施工工藝
引言
廣州市東新高速S08標紫坭特大橋主橋主墩20#墩承臺為左右分離式承臺,上下游迎水面設半徑3m圓端形;承臺厚4m,長15.24m,寬8.2m,頂面標高為-3.6m;承臺底標高為-7.6m,而河床面標高僅為-3.6m,承臺埋入河床面深度較大,而最高潮位標高+2.6m,潮面到承臺底高度約10m,承臺開挖屬于水下深基坑施工。在該項目實施中,為承臺形成干施工條件的圍堰,選擇了拉森鋼板樁結構。
圍堰方案的選擇
1.方案的比選
根據地質、水文條件、河床高程以及承臺設計高程情況,經過對水中承臺施工的幾種常用施工方法進行比選,因需要進行基坑開挖采用套箱施工方法難以實現,沉井和鋼板樁圍堰方法的比較:沉井方案雖然可行,但不環保,制作下放周期太長,無法滿足工期要求;支撐支護的拉森鋼板樁圍堰方案(以下簡稱圍堰)在施工方便性、節省工期等方面具有較大的優勢,亦能做到安全可靠。因此選用拉森鋼板樁圍堰方案。
2.拉森鋼板樁型號的選擇
根據圍堰結構受力計算,拉森Ⅲ型鋼板樁及拉森Ⅳ型鋼板樁均可以滿足圍堰要求,但考慮鋼板樁長度較長,選用了截面剛度較大的拉森Ⅳ型鋼板樁,以避免鋼板樁施打時產生變形。
3.圍堰的設計與施工
3.1 圍堰的設計
3.1.1 圍堰尺寸的設計
圍堰采用左右幅分離式圍堰,以橋梁縱軸線為中心搭設6m寬車行棧橋與河岸相連。由于左右幅承臺不在一條直線上,鋼板樁沿單個承臺布置。考慮承臺模板的施工距離,圍堰邊距離承臺輪廓線最小距離為120cm。故設定圍堰尺寸為17.64m×10.60m,呈矩形,并在左、右幅圍堰交點位置處做2.88m×2.88m倒角處理,詳見圖1 拉森鋼板樁圍堰平面布置示意圖。
根據有關資料顯示,紫坭河最高潮水位標高為+3.2m,最初將鋼板樁圍堰頂標高設為+4m,高出最高潮水位80cm,但由于樁基礎施工工期延后,在圍堰施工及使用期間紫坭河處于枯水期,此時最高潮水位標高約+2.6m,故將圍堰頂標高降低0.5m,即設為+3.5m。
3.1.2 圍堰結構的設計
圍堰結構部分主要包括鋼板樁、支撐、圍囹等,詳見圖2 拉森鋼板樁圍堰結構示意圖。
3.1.2.1 圍堰鋼板樁的布置
圍堰采用單層拉森Ⅳ鋼板樁,鋼板樁截面為400mm,單根鋼板樁長度為18米,即鋼板樁頂標高為3.5m,低標高為-14.5m。
3.1.2.2 圍堰支撐的布置
圍堰支撐的布置不僅要考慮圍堰本身的穩定性,還要考慮后期墩身的施工。最初設計圍堰主支撐內邊對內邊水平間距為4m,而墩身底部最大直徑為5m,故墩身施工前要先拆除該施工范圍內的主支撐,拆除前將圍堰內灌水至擬拆除層支撐以下50cm高位置,以保證圍堰內外的壓力平衡,而且墩身模板需要水下拼裝并將模板內的水抽干后方可進行墩身鋼筋施工及混凝土澆筑,此設計將加大墩身的施工難度,并減緩墩身的施工進度。后來將圍堰主支撐內邊對內邊水平間距定為5.4m,并加大圍囹材料型號,此設計不但滿足圍堰本身穩定性要求,并且方便了墩身的施工。
圍堰共設置三層支撐。第一層支撐底標高設為+2.4m,第二層支撐底標高設為-0.3m,第三層支撐底標高設為-3.0m。主支撐采用已拆除的樁基礎鋼平臺材料--直徑600mm,壁厚8mm的鋼管樁,第一層及第二層主支撐采用兩排單根鋼管樁,第三層主支撐采用兩排雙根鋼管樁,為保證鋼管支撐的穩定性,三層鋼管樁豎向之間用【16槽鋼做剪刀撐連接。另外,在圍堰轉角位置每層圍檁設與圍囹材料一致的工字鋼斜支撐,支撐與鋼板樁直線邊的角度為1:1。
3.1.2.3 圍堰圍囹布置
為保證鋼板樁圍堰的整體穩定性,設置內外圍囹,內圍囹設3層,第一層材料選用I36a工字鋼、另兩層選用I56a工字鋼;在鋼板樁外設一道外圍囹,圍囹的高度與第一層支撐標高一致,材料采用【16槽鋼,拉桿焊接在支撐鋼管上,支撐鋼管同時作為外圍囹拉桿。
此圍堰結構經過計算符合要求。
3.2 圍堰的施工
圍堰的施工流程如下:拆除樁基礎鋼平臺--鋼板樁施打--安裝第一層支撐及圍囹--水下抽砂挖泥至封底混凝土底標高--水下澆注封底混凝土--抽水并安裝第二、三層支撐及圍囹--抽水至封底混凝土面--承臺施工--墩柱施工--圍堰拆除。
3.2.1 施工準備
施工前對鋼板樁入土深度做了試打試驗。在圍堰區,采用45KW震動錘,鋼板樁下沉至底標高-12m,采用90KW震動錘鋼板樁下沉至底標高-22m,故選擇采用90KW震動錘施工。
將新舊鋼板樁運到工地后,詳細對其檢查、丈量、分類、編號,同時對兩側鎖口用一塊同型號長2~3m的短樁作通過試驗,采用卷揚機拖拉。鎖口通不過或樁身有彎曲、扭曲、死彎等缺陷,采用冷彎,熱敲(溫度不超過800~1000℃),焊補、鉚補、割除、接長等方法加以整修。同時接頭強度與其它斷面相等,接長焊接時,用堅固夾具夾平,以免變形,在焊接時,先對焊,再焊接加固板,對新樁或接長樁、在樁端制作吊樁孔。
在采用組樁插打時,每隔4~5m設有一道夾板,夾木在板樁起吊前夾好,插打時,逐付拆除,周轉使用。
3.2.2 鋼板樁的吊運 鋼板樁檢查合格后,按插樁順序堆碼最多允許堆放四層,每層用墊木隔開高差不得大于10mm,上下層墊木中線要在同一垂直線上,允許誤差不得大于20mm。起吊前,在鋼板樁鎖口內,涂以黃油混合物油膏(重量配合比為:黃油:瀝青:干鋸末:干粘土=2:2:2:1,以減少插打時的摩阻力,并加強防滲性能。
使用汽車吊或船吊將鋼板樁進行水平和垂直運輸,將鋼板樁運至指定位置,使鋼板樁成垂直狀態,脫出小鉤,移向安插位置,插入已就位的鋼板樁鎖口中。
3.2.3 鋼板樁的插打順序、定位、導向及合攏
先在樁基護筒上水平焊接I36a工字鋼做支撐梁,支撐梁的長度要根據圍堰的尺寸確定,并在樁基護筒及支撐梁之間焊接【20槽鋼的斜拉桿用來牢固支撐梁,必要時需在樁基護筒上設置牛腿后再架設支撐梁。然后按照圍堰設計邊線放樣,架設I36a工字鋼分別作為導向桿。即完成鋼板樁的定位及導向系統(詳見圖3 鋼板樁插打導向系統平面布置示意圖)。鋼板樁的施打如圖施打始點位置開始,順著軌道施打,在兩端合攏點合攏。
當鋼板樁長度均為18米時,在插打時控制鋼板樁樁頂標高,即可確保鋼板樁達到預定設計底標高。當鋼板樁長度較短需要加接時,插打時按照單樁逐根打入法施工,先行插打單根鋼板樁,待全部合攏以后再進行加接鋼板樁,相鄰的鋼板樁的焊接借口不宜在同一斷面,相錯1米左右。鋼板樁圍堰施打時,委派專門人員跟蹤,記錄每根鋼板樁的入土深度,確保鋼板樁都能達到預定設計底標高。
在圍堰轉角位置,將一條鋼板樁豎向剖成2條,并按照圍堰轉角的角度900及1350重新等強度焊接后使用。
圍堰合攏后,為保證圍堰內外水壓力的平衡,在圍堰四周略高于最低水位標高的位置上預留4個過水孔洞,預留孔洞在圍堰封底砼澆筑完畢后進行支撐安裝時,用鋼板焊接封堵,防止漏水。
3.2.4 水下吹砂挖泥及澆注水下封底混凝土
圍堰內開挖采用水下吹砂挖泥方法,將砂層底面降低到封底混凝土的底面,由潛水工在封底混凝土高度范圍內的鋼板樁表面人工布置瀝青油毛氈用于隔離鋼板樁與封底混凝土,同時將封底混凝土范圍護筒壁上泥沙要清理干凈,使封底混凝土與護筒結合緊密。
封底混凝土澆注采用灌樁導管及料斗進行,由圍堰一側向另外一側順序推進,具體見圖4 拉森鋼板樁圍堰封底砼澆注順序示意圖。
澆注封底混凝土前,在導管混凝土出口下墊木板,防止混凝土下料時沖擊底部砂層。封底配合比按水下澆注砼的配合比選用,嚴格按照水下混凝土澆注程序進行,澆注混凝土時使用探繩探測混凝土面高度,達到設計要求后起吊導管及料斗至下一下料位置。同時,為保證前后分別澆筑砼的整體性,在導管底口位置設置一個活動底塞。導管起吊前,先將底口封堵(管內留有砼料),待導管及料斗移至下一位置后,下料并松開底塞,繼續澆筑砼。
3.2.5 圍堰支撐及圍囹的安裝
待鋼板樁插打完畢后立即第一層支撐及圍囹的安裝,第二、三層支撐及圍囹的安裝待封底混凝土澆注完畢后3天后依次進行。
首先進行圍堰內降水,單個圍堰內布置2臺200m3/h水泵,抽水速度不能過快,要做到邊抽水邊支頂,抽水到支撐標高位置做好支撐后才開始繼續抽水直至基坑底面標高,且要隨時觀察圍堰的變化情況。當鎖口不緊密漏水時,用棉絮等在內側嵌塞,同時在漏縫處撒大量木屑或谷糠,使其由水夾帶至漏水處自行堵塞。
當水位降到預定水位后,先在鋼板樁上設計標高位置焊三角形支撐牛腿,然后在牛腿上安裝圍囹,圍囹與鋼板樁的連接采用焊接。圍囹安裝完成后,開始安裝支撐及拉桿。支撐及圍囹施工時要確保焊接質量及安裝位置的正確。圍囹在圍堰拐角位置分別將長邊和短邊的材料切割成450角度后焊接。
3.2.6 圍堰止水措施
圍堰內抽水過程如發生滲漏時,由專門人員進行堵漏,堵漏在圍堰內外同時進行。堰外用細煤渣和木屑混合物倒入漏水部位;堰內用棉絮塞漏。鋼板樁圍堰外側拋填袋裝粗砂或碎石防止沖刷,并在施工中定期檢查沖刷情況。圍堰處于水中,施工期間不同程度肯定存在滲水現象,因此在圍堰內施工平臺四周布置排水溝,使用水泵抽水將滲水排出圍堰。
3.2.7 圍堰施工監測
在施工過程中,由于圍堰內外水壓力作用,圍堰處于不斷的位移及撓度變形之中,對圍堰平面位置及安全影響很大。因此及時監控測量施工過程中圍堰的位移和撓度變形的大小,對保證主橋承臺施工質量和施工安全是至關重要的。
3.2.7.1 監測方法
圍堰的位移及撓度變形監測,主要是以全站儀和精密水準儀,采用精密測量的方法,周期性地對布置在圍堰上的監測點進行監測,圍堰觀測點布置如下圖5 拉森鋼板樁圍堰監測點布置示意圖。
3.2.7.2 觀測周期
圍堰施打完成后,從吹砂挖淤至圍堰的拆除,整個施工過程中均要進行位移及撓度變形監測,主要觀測安排:圍堰開挖前、開挖后、降水前、降水后、支撐前、支撐后、承臺砼澆注前、澆注后。同時,保證每天對圍堰觀測不少于2次。
3.2.8 圍堰的拆除
圍堰支撐及圍囹的拆除隨墩身施工的進度逐層進行,在已施工墩柱混凝土標高高出最高水位后,可以將鋼板樁圍堰全部拔除。
鋼板樁的拆除前,先將圍堰內的支撐全部拆除,并陸續灌滿水使圍堰內水位高出圍堰外水位,使板樁擠壓力消失,并與部分砼脫離(指有水下砼封底部份)。再在下游選擇一組或一塊較易拔除的鋼板樁,先用振動錘夾住鋼板樁頂部振動1min~2min,使鋼板樁周圍的土松動,產生“液化”,減少土對鋼板樁的摩阻力,然后慢慢地往上拔高1~2m,然后挨次將所有鋼板樁均拔高1~2m,使其松動后,再從下游開始分兩側向上游依次拔除,拔樁時注意樁機的負荷情況,發現上拔困難或拔不上來時,應暫停拔樁,先振動1min~2min后往下振動0.5米~1米后再往上拔樁,如此反復可將樁拔出,對樁尖打卷及鎖口變形的樁,可加大拔樁設備的能力,將相鄰的樁一齊拔出,必要時進行水下切割。
實施效果
本項目圍堰由于設計方案合理,施工過程控制嚴密,備用措施有效,在圍堰建造過程中,各項活動始終處于受控狀態,圍堰建成后,滲水輕微,結構穩定,為承臺施工創造了非常有利的外部環境。
結語
拉森鋼板樁圍堰應用比較廣泛,具有施工進度快,占地空間小等優點,適合于非巖基基礎。在圍堰的設計階段,要充分考慮拆除的作業便利,預防建造迅速,拆除困難這這種狀況的出現;在施工過程中要注意過程控制,確保每個工序的施工質量,及時監控測量施工過程中圍堰的位移和撓度變形,以及圍堰外根部的淘刷程度,防止圍堰突然失穩。在圍堰拆除階段,嚴格按照設計的拆除順序施工,避免個別樁位無法拆除的情況發生。
參考文獻:
[1]張宏偉. 鋼板樁圍堰施工技術. 2005
[2]公路橋涵施工技術規范.北京:人民交通出版社,2000.
[3]公路工程質量檢驗評定標準.北京:人民交通出版社,2004.


 

 

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