Construction Technology of Deep Water Super Long Steel Sheet Pile Cofferdam
王瑞强 WANG Rui-qiang
（中铁六局集团广州工程有限公司，广州 510000）
（Guangzhou Engineering Co.，Ltd. of The Sixth Engineering Bure Crec，Guangzhou 510000，China）
摘要：本文介绍了在深水区高流速条件下，30m超长钢板桩围堰设计施工技术、并对如何解决钢板桩的顺利施打、止水、合拢等难题做了详细阐述。
Abstract: This paper introduces the design and construction technology of 30-meter super-long steel sheet pile cofferdam under the condition of high flow rate in deep water area, and elaborates how to solve the problems of smooth application, water stop and closure of steel sheet pile.
关键词：深水；超长；钢板桩围堰；设计；导向；插打；合拢；止水；拆除
Key words: deep water；super long；steel sheet pile cofferdam；design；guiding；inserting；closing；stopping water；tear down
中图分类号：U443.16+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0269-04
0 引言
随着铁路建设的快速发展，深基坑围堰工程亦随之大量使用。深基坑围堰工程施工具有较高的风险和技术含量，其中钢板桩围堰有其独特的优势。尤其是对于淤泥层与流沙层流塑地质较厚，开挖深度、平面尺寸较大构筑物，钢板桩围堰以重量轻、强度高、锁口紧密、施工方便、施工工期短、安全性高、密水性高、环保效果显著、对空间要求低等优点被广泛应用。
1 工程概况
1.1 工程简介
南沙港铁路NSGZQ-5标位于广东省境内，横跨广州市、中山市两地，由中铁六局集团有限公司施工。线路自中山市黄圃镇起，跨越黄圃水道、洪奇沥水道进入南沙区横沥镇，线路跨京珠高速公路与S111省道后，进入南沙区万顷沙镇，在万环西路东侧设万顷沙站，线路出万顷沙站后向东上跨福安大道，再上跨南沙港快速路到达本标段终点。线路全长17.8km。
洪奇沥水道特大桥跨越黄圃水道水道设置为60m+100m+60m连续梁，洪奇沥水道特桥74、75#墩位于黄圃水道河道内，与线路夹角76°，承台13.2m×12.2m×4m。承台施工采用VI型拉森钢板桩围堰施工，74#围堰基坑为：最大深度11.8m，围堰长15.2m，宽16.2m。
1.2 水文、地质概况
黄圃水道为Ⅵ级航道，河道20年水位为3.41m。黄圃水道河床地质层主要为淤泥层，其厚度达35m。钢围堰插打地质均为淤泥地质，淤泥含水量大，主要形态为流塑状，水量较丰富，略具承压性，其地基承载力为50kPa。
2 围堰的设计方案
南沙港铁路黄圃水道连续梁74#墩承台施工时，设计图纸采用拉森VI钢板桩。后根据设计地质勘察资料，结合水文件条件，对74#墩围堰进行了设计验算，拉森III钢板桩无法满足施工安全需要。为确保施工安全在承台施工时，经设计验算采用VI型拉森钢板桩进行基坑防护。
2.1 围堰设计方案
74#墩相关设计参数：
承台尺寸：13.2m×12.2m×4m（长×宽×高）；承台底标高：-8.576m；河床标高-4.41m；20年一遇水位标高；3.41m。
74#墩围堰设计方案具体情况如下：
根据规范要求，钢板桩顶部高出20年一遇水位标高0.5m以上，设计钢板桩顶标高为3.91m，74#墩承台采用VI型拉森钢板桩围堰施工，钢板桩长度30m。围堰尺寸16.20×15.20m。
74#承台底标高-8.576m，封底混凝土厚度1.5m，则74#墩承台底至钢板顶高度为13.986m。围堰设置4道内斜撑，标高分别为3.224m，-0.276m，-3.776m及-5.776m。
钢板桩结构内撑设计见表1所示。
设计平面见图1所示，剖面见图2所示。
2.2 围堰材料选型
根据设计验算围堰采用拉森VI钢板桩钢。（表2）
2.3 打桩设备
钢板桩施工采用DZ60型振动锤。
3 钢板桩围堰的施工技术
3.1 钢板桩接长
30m钢板桩的接长采用12m、18m两种规格坡口对焊，“U”形内外侧加焊劲板，焊接完成后，需检查锁口质量。接长的钢板桩接缝数量单根不得超过一道。钢板桩进场先进行变形检查。
钢板桩接长前，首先搭设拼装焊接台座，将需焊接端头进行坡口处理，然后用夹具夹平钢板桩、卡具固定锁口，两根钢板桩腹板保持在同一水平面，并固定在牢固台座上，防止焊接时发生变形。对焊后打磨平整，再加焊加劲板。钢板桩接长焊接完成后，用一块长约2m的同类型钢板桩从两侧锁口做通过检查，检查锁口是否在同一直线，并检查接长后表面因焊接钢板、坡口对焊留下的残渣瘤等障碍物。
在钢板桩的插打施工时，应注意钢板桩的接桩焊点部位不能在同一平面上，相邻桩在插打时必须采用下颠倒的方法插打。
3.2 钢板桩施工导向系统安装
第一层导向梁在桩基钢护筒外壁上焊接安装，采用双拼32b工字钢，钢板桩合拢完成后可直接作为钢板桩第一道围檩使用；第二层导向梁采用36b工字钢，钢板桩合拢完成后拆除可用于钢板桩第一道内支撑的斜撑材料。首桩插打时为确保平面位置及垂直度，采用[10槽钢做封闭固定装置。钢板桩插打时导向系统的稳固性直接影响钢板桩的插打质量。
3.3 钢板桩插打与合拢
钢板桩插打采用50T履带吊及90振动锤等机械配合插打，从横桥向中心处开始，开始的一部分逐块插打，依次向两边进行，最后在任一角桩附近进行合拢先合拢后插打。插打时确保钢板桩插直、插正，先套好锁口，利用自重下插，当自重下插不动时，才使用振动锤加压。
钢板桩的合拢是整个围堰施工的关键工序，影响着钢板桩围堰的施工质量及决定着钢板桩的施工进度。钢板桩合拢口选择在角桩横桥向附近4～5根钢板桩处。还剩10余根钢板桩至合拢口时要重点控制钢板桩的平面位置、轴向及法向倾斜度，后续桩插打时如有倾斜要及时予以纠偏，确保钢板桩插打至合拢口，其轴向及法向倾斜度均控制在0.2%以内。合拢钢板桩锁口要确保能与相邻桩的锁口相互咬合密实，应在合拢前控制好合拢桩两侧钢板桩高度差，高差控制在20cm左右，先与高处钢板桩锁口套好，再套低处钢板桩的锁口，先合拢后插打。
钢板桩插打遵守“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。
3.4 内支撑安装
第一道内支撑直接采用第一层导向梁作为围檩，只需在围檩下方焊接短型钢牛腿承受围檩自重，拆除与桩基钢护筒连接措施；第二道内支撑在低潮时安装在低潮水位面，安装第二道；第三道内支撑在水下封底后，对钢板桩堵漏并抽水，基坑水位距第二道内支撑约3.5m时安放第三道内支撑；第四道内支撑在第三道安装完成后继续抽水，基坑水位距第三道内支撑约2m时安装。现场如发现钢板桩内侧与内支撑型钢之间存在部分间隙，应采用钢板或型钢支垫在内支撑和钢板桩之间，并焊接固定在型钢上，特别观察内支撑型钢与围堰四角的固定。
3.5 水下清淤施工
洪奇沥特大桥封底混凝土以上土层为淤泥质黏土，开挖采用水下抓泥施工：
①围堰内清泥采用长臂挖机掏泥、死角位置使用抓斗抓泥配合施工。依据钢板桩围堰的设计要求，在内支撑安装完成后，围堰内外水位一致的情况下开始进行水下清淤施工。
②抓出泥渣采用泥渣车运输至指定弃土场集中处理，禁止泥渣随意排放至河道，避免对河道的污染。
③清淤至封底标高后，安排潜水员下水将封底混凝土厚度范围内钢护筒及钢板桩与封底混凝土相接处面使用高压水枪冲洗干净，以保证封底砼与钢板桩、钢护筒的粘结力，防止封底失败和基底漏水。
3.6 封底混凝土施工
①搭设封底平台。封底平台用钢护筒上进行搭设。封底平台材料采用型钢，方法如下：在钢护筒上铺设主梁，主梁采用双拼HN600，次梁采用工36，用20*20木方搭设人员行走平台。顶标高与施工辅道齐平，以方便施工。
②导管及小料斗支承系统搭设。封底导管采用外径Ф300mm的无缝钢管，封底前作水压、水密性实验。导管采用手拉葫芦吊挂于夹具梁或平台梁上。
③导管布置。导管的封底作用半径按3.0m考虑，导管底口距离基底约15cm，浇注区布置12根导管。
④水下混凝土浇注。总的顺序：先浇注一角，再向外扩散。由两边向中间进行。
完成1根导管封口后进行其相邻导管封口，因导管作用半径按3m考虑，相邻导管在封底前进行导管悬空测量，根据测量数据调整导管底口的高度。每导管完成封口后，控制同一导管60分钟内灌入两次混凝土，才能确保混凝土浇筑顺利进行。按每16m2布设一个测点，浇注混凝土时作好测深详细记录，及时整理每根导管的埋深与混凝土的流动范围。因洪奇沥特大桥74#墩封底混凝土厚度为2.0m，为保证导管有一定埋深，混凝土灌注顺利时，一般不随便提升导管。
混凝土浇注至封底顶面标高时，按照测量要求，测出所有控制点混凝土顶面标高，重点检测护筒周边，钢板桩内侧四周、导管作用半径相交处等位置，参照控制点测量结果对标高偏低的测点增加导管单独进行局部补浇混凝土，确保封底混凝土顶面足够平整；当所有标高控制点混凝土标高均符合要求后，方可停止封底混凝土浇注，拆除导管及封底平台，封底完成。
3.7 围堰拆除
①支撑拆除。内支撑分两次进行拆除，第一次是承台施工结束后，回填基坑至承台面，拆除第三道支撑；第二次是待墩柱施工结束后，回填至原海床标高，拆除第二道及第一道内支撑。
②拉森钢板桩拔除。钢板桩内支撑拆除后即进行钢板桩的拔除。拔除工作前保持内外水位一致，先从下游方向开始拔除，对称拔除至上游方向。拔除钢板桩机械与插打一致，用50T履带吊配合90振动锤进行钢板桩拔除。
拔除钢板桩时先用振动锤夹住钢板桩顶部振动1至2分钟，使钢板桩周边的土质松动产生“液化”及通过振动使钢板桩与封底混凝土分离，减少钢板桩与附着的泥土及封底混凝土的摩阻力，然后用振动锤慢慢往上振拔。拔桩时应注意振动锤和履带吊的负荷情况，钢板桩上拔不起或拔桩困难时，必须停止拔桩，可用振动锤在原位振动或往下插打钢板桩少许，然后继续拔桩，如此反复可将钢板桩拔出来。
4 钢板桩常见问题及防治措施
4.1 钢板桩插打时可能遇到的问题及处理措施
①钢板桩插打过程中如果遇到石块或前期施工时落入水中的坚硬物体等导致钢板桩不能打入或打入深度不够时，需派潜水员进行水下障碍物排除处理；若障碍物体积较大或障碍物埋深较深，潜水员清理存在困难，则采用弧形桩或转角桩绕过障碍物；
②钢板桩在插打过程中，受到淤泥层地质中石块或其他不明障碍物的侧向不均匀挤压作用力，容易发生偏斜。应在发生偏斜位置将拉森钢板桩上下反复插拔数次，可使不明障碍物使其振碎或挤压后发生位移，使钢板桩的平面位置及垂直度得到纠正，确保钢板桩的轴向及法向倾斜度在规范要求以内；
③若施工过程发生将邻桩带入现象，采用的措施是将拉森钢板桩往上拔2.0m左右，然后再进行插打。如未解决带入现象，应将相邻的多根桩焊接在一起，并且在施打的拉森钢板桩的连接锁口上涂以黄油等润滑剂来减少阻力。
4.2 钢板桩围堰的防漏水措施
钢板桩围堰施工中的难点主要是钢板桩锁口之间连接是否紧密，关系到围堰抽水是否能成功，顺利进行下道工序的关键因素。为此，钢板桩在施工前准备、插打过程中、抓泥抽水后等每道工序加以控制。
①钢板桩施工前准备：钢板桩到场后，需安排人员对索口间杂物仔细检查并清理且观察索口是否存在变形，严禁使用索口变形的钢板桩；提前在准备插打的钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏以防止钢板桩锁口位置的漏水；
②钢板桩在插打时重点控制钢板桩的平面位置、轴向及法向倾斜度，防止桩倾斜致使钢板桩索口之间无法密贴而漏水；钢板桩密水性主要依靠锁口自身密实性，但是如果锁口存在缝隙、外侧水压力过大，钢板桩围堰必然会出现渗漏。如在接缝处和转角处等地方还会出现“涌砂”现象，且漏水严重堵漏困难时，在钢板桩外侧铺设彩条布，彩条布上端固定在钢板桩顶面，下端铺设至河床面，然后派潜水员下水利用型钢、石块铺压稳定后再抛填部分砂袋。
③钢板桩围堰在基坑抽水后，若局部范围存在较小的渗漏，应在基坑抽水时观察是哪条钢板桩锁口漏水，利用漏水处内外水压差产生吸力在漏水处钢板桩外侧上方迅速溜干细砂、粉煤灰或锯木屑等填充物，填充物会被吸入漏水的接缝的处，将缝隙堵塞，减少漏水量。若基坑抽水后漏水现象较为严重，则将布絮或土工布裁剪成3－5cm宽的长条状，派潜水员使用一字改锥将棉条从堵塞至漏水钢板桩缝隙外侧；
④在浇注水下封底混凝土时，将混凝土顶面标高比设计标高低20cm，钢板桩围堰内水抽干后，在基底补浇垫层，并在钢板桩内侧做积水坑，为后续承台施工提供有利条件。
5 技术经济效益等分析
钢板桩围堰施工与单壁钢围堰、钢管桩围堰施工工艺相比，具有用料省、成本低、速度快、质量好、工艺成熟、安全使用的优点。
用料省：单壁钢围堰采用钢板与型钢组合焊接，耗材多；钢板桩采用定型材料，可周转利用。
成本低：单壁钢围堰需要加工场地，且使用结束后利旧率底；钢板桩多为租赁使用，施工周期短可大大降低成本。
速度快：钢板桩围堰工艺在流塑性淤泥地质为主的围堰施工中速度快，密水性高。
本施工技术在南沙港铁路洪奇沥特大桥桥梁深承台施工中的成功应用，取得了良好的经济效益和社会效益，为沿海地区类似地质深水围堰施工提供了经验。
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