沪杭客运专线横潦泾特大桥主墩深水基础围堰选择与实施
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沪杭客运专线横潦泾特大桥主墩深水基础围堰选择与实施
廖满平
摘 要
［摘要］以沪杭客运专线横潦泾特大桥深水基础施工为例,通过对深水基础不同围堰结构及特点进行分析对比,选 择施工快速、防水性好、可重复使用、适用性强的钢板桩围堰进行施工。同时针对现场条件,着重介绍了钢板桩围堰的结构、施工步骤、主要实施要点及受力监控方法。
［关键词］桥梁工程;深水基础;钢板桩围堰;施工技术
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工程概况
沪杭客运专线横潦泾特大桥主要跨越上海黄浦江上游的横潦泾河，桥梁起讫桩号为DK31 +267.745— DK46 +532.240,桥梁中心桩号 DK038 +899.933,全 长15.2645km,与河流走向约呈62。夹角。主墩121号墩为水中圆形实体墩，桩号为DK35 +498.395。
桥梁位于冲积湖平原区，上部为第四系全新统黏 性土及粉土、粉砂层，厚约20~50mo主墩处于河道中 间位置，承台位于河床底以下，河床实测标高 -11.800 – -12.200m,涨潮时水深约13.5m,淤泥厚 度约5m。河道常水位在2. 3m左右，流速约1. lm/s, 为III级通航河道。
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深水基础围堰种类、结构及特点
2.1 深水基础围堰种类
主墩121号墩位于深水中，水流流速较小,一般深水围堰施工有钢板桩围堰及钢套箱围堰两种。其中， 钢板桩围堰主要为单壁结构，钢套箱围堰又分为单壁、 双壁以及单双壁组合式钢围堰。
2.2 深水基础围堰结构及特点
2.2.1 钢板桩围堰
钢板桩围堰是一种比较传统的深水基础施工方法。钢板桩可以打入土中或连到物件上，组成承载及防水结构，施工完成后，拔出或拆下重复使用。钢板桩围堰一般采用单壁的矩形、圆形等结构形式，内部根据水位情况设置支撑;它是一种施工简单、快捷、成本较 低的围堰形式。
2.2.2 钢套箱围堰
钢套箱围堰按形状可分为矩形（圆端形）和圆形， 其中每种围堰又有单壁、双壁以及单双壁组合等形式。
圆形围堰在水压力作用下只产生环向轴力，围堰结构整体性好,无需设内支撑;适用于流速较大的深水基础施工，但围堰面积大,钢材用量及封底混凝土大, 成本相对较高。
矩形（圆端形）围堰面积小,钢材用量及封底混凝土相对较少，但其抗水流冲击能力及整体刚性相对较差,必须设置内支撑，以增加围堰的刚性，但对后续工程施工有较大影响,适宜在流速较小的深水基础施工。
单壁、双壁钢围堰主要根据围堰入土需要进行选择，在入土较深的情况下,单壁围堰难以达到下沉深度要求,应选择双壁围堰结构，在双层围堰间灌注混凝土或填充砂石，增加围堰自重,满足围堰下沉需要;在入土要求较浅及淤泥地质条件下,可选择单壁围堰结构; 介于两者之间，可选择单双壁组合式围堰结构。
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深水基础方案选择
121号墩受通航条件影响大且施工场地小，吊装困难，工程工期要求紧。结合上述基坑围堰的优缺点， 根据现场条件、工期要求及施工成本，选择钢板桩围堰 进行深水桥梁的基础施工，它具有防水性能好、施工速度快、沉入深度大、插拔容易、时间短、利用率高等优点,但防撞效果差，施工时需加强防撞防护措施。
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钢板桩围堰施工
4.1 钢板桩围堰结构
钢板桩围堰为方形，平面尺寸24. 0m x24. 0m,顶 标高3.500m,入土 11.4m,设5道内支撑，封底厚度 1.5m。钢板桩采用拉森IVw型，总长27m,内支撑圈梁采用H560及H800型钢梁，斜撑采用©800mm,©630mm 钢管。钢板桩围堰结构如图1所示。
4.2 主要施工步骤
钢板桩围堰的主要施工步骤如下。
1）钻孔桩施工过程中，在靠近承台侧定位桩上 2.0m标高处焊接牛腿,安装第1道支撑作为钢板桩插打时的导向。
2）依次插打围堰的3个侧面钢板桩;钻孔桩完成后拆除平台，插打余下1个侧面的板桩并合龙。
3）向围堰内回填6m厚细砂至-6. Im,抽水至 -2m,安装第2道内支撑。
4）继续抽水至-5m,安装第3道内支撑。
5）继续抽水、挖泥至-8m,安装第4道内支撑。
6）继续抽水、挖泥至-10. 5m,安装第5道内支撑。
7）向围堰内注水至外水位，水下吸泥、清基至-16. 8m。
8 ）布置封底平台，水下浇筑1 . 5m厚封底混凝土。
9） 待封底混凝土达到强度后，抽水，施工承台、墩座。
10）承台施工时，将第5道内支撑中斜撑钢管一并 浇注在内，待承台模板拆除后，向钢板桩与承台间内回 填砂土混合物并在顶部浇筑50cm厚C30混凝土圈梁, 拆除第5道内支撑，浇筑在承台内的钢管注浆填实。
11）施工墩身、墩帽，布置墩顶托架。
12）向围堰内回填砂土至-7.8m,拆除第4道内支撑。
13）继续向围堰内填筑砂土至-4. 8m,拆除第3 道内支撑。
14）向围堰内注水至-1.8m,拆除第2道内支撑。
15）继续向围堰内注水至围堰外水位,拆除第1道内支撑。
16）依次拔出钢板桩。
4.3 主要施工要点
4.3.1 钢板桩接长要点
由于施工所需钢板桩长度为27m,考虑运输条件， 采用18m长钢板桩接长。
1）钢板桩接长前先行进行变形检查，对变形严重的钢板桩进行校正并做锁口通过检查。
2） 钢板桩在北岸栈桥处的拼装场地上接长，焊接时,采用二氧化碳气弧焊,先对焊磨平,再焊接加固板。
3） 钢板桩接长焊接完成后，用一块长约2ni的钢 板桩分别从两侧锁口穿过，检查锁口是否在同一直线及锁口内是否存在焊渣等障碍物。
4.3.2 钢板桩插打施工要点
1） 采用50t履带式起重机及100t浮吊作为起吊设备,配合振动锤进行钢板桩插打。
2） 在靠近承台侧定位桩上2. 000m标高处焊接钢 牛腿,安装圈梁作为钢板桩插打时的导梁，用以控制钢 板桩施工的平面尺寸和垂直度。
3） 第1片钢板桩插打是整个钢板桩施工的基准， 第1片钢板桩必须位置准确、垂直。本工程选择在上 游中心处进行第1片钢板桩插打，插打前在圈梁上安 装导向架并设置限位装置，限位装置每边比钢板桩大 1cm,插打时，钢板桩紧靠导向架，一边插打一边将吊 钩缓慢下放,同时用锤球按十字形方向进行观测,确保 钢板桩插打垂直。
4） 第1片钢板桩插打完成并检验合格后，以其为基准，再向两边对称插打直至设计位置，最终在中间合龙。施工中随时用锤球检查每片钢板桩的垂直度，发 现问题时及时调整，确保钢板桩位置准确、垂直。
5） 插打时注意钢板桩的焊缝上下交替错开。钢板 桩插打时先自然下插，当不能下插时，通过振动锤加压,直至设计标高，然后与导向架焊接，防止水流冲击 钢板桩产生移位变变形。
6） 整个钢板桩施工过程中，严格按“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的施工要点进行控制。
4.3.3 围堰合龙要点
1） 根据施工布置及工期，在最后插打的一侧围堰中段设置1个合龙口，板桩根数为3~5根。
2） 在距合龙口两侧还剩10余根钢板桩时严格控 制钢板桩的倾斜度。每插打1根钢板桩测量其轴向及法向倾斜度，并根据其倾斜度的累积增加规律及已有 的施工经验预计其后几根桩的倾斜度。在距合龙口还剩几根钢板桩时立即下异形钢板桩，将桩的轴向倾斜度纠正为负数，然后再插打桩至合龙处,使其轴向及法 向倾斜度均控制在0.2%以内。
3） 根据合龙口的形状确定合龙钢板桩的尺寸，根据实测的合龙口宽度焊接1根合龙桩试样，并在合龙口处试插,通过试插,以确定合龙钢板桩的尺寸。
4） 插打前控制合龙钢板桩与相邻桩高差至100 ~ 200mm,以便合龙钢板桩与相邻桩的锁口相互咬合。
5 ）插打合龙桩时,先将合龙桩自由落下，然后振动 锤垂直降落,开启振动锤，钢板桩所受阻力随进入土体 的深度增加而逐渐增大，控制器电流值也随之增大，当电流值升至400A时，将桩上提2m左右，待电流值降 至100A时,再向下施打。此反复几次，直至设计高程。
4.3.4 围堰内支撑施工要点
1） 内支撑采用分块拼装的方法安装，吊装作业由浮吊及履带吊机完成。安装时斜撑与圈梁、圈梁与钢 板桩焊接，以减少钢板桩变形量。
2） 在钢板桩围堰的插打过程中，小范围弯曲排列的钢板桩较多，圈梁与钢板桩之间存在空隙。为避免 圈梁相对钢板桩产生滑动或倾翻，在圈梁与钢板桩之间填塞槽钢并焊牢，根据空隙位置不同使用不同型号 的槽钢，使槽钢与钢板桩、圈梁以及斜撑头焊接成整体。
4.3.5 吸泥、清基要点
1） 围堰内吸泥采用冲吸的方法，即通过潜水工水下作业，用高压水枪将泥土冲散后，用潜水泵将泥浆排 出达到清土的目的。吸泥过程中注意保持水头，可采用布置水阀向围堰内注水的方法。
2） 围堰内清基采用高压水枪清洗钢板桩壁及钢护 筒壁，并通过潜水泵将清洗出的泥浆排出围堰外。清 基时注意保持围堰内外水位一致，必要时采用水泵补 水，清基后期潜水工要采用逐段清理、逐段检查的方法。
4.3.6 围堰封底施工要点
1） 围堰的封底采用导管法水封，围堰四周导管布置应较中间密。
2） 采用两根导管同时开灌。导管下口距围堰底应为 10 ~ 15cm。
3） 在导管拔出后，立即测量混凝土在导管周围堆 置高度及导管埋深。
4） 导管埋入混凝土内最佳埋深在1.2m左右，导管的提升必须严格按测量所得混凝土面标高及导管的埋深控制，以免导管提出混凝土或造成其他质量事故。
5） 当测得混凝土面接近设计标高时，应放慢浇筑速度，注意调整混凝土面坡度,使表面尽量平整。
4.3.7 围堰拆除要点
1） 拆除支撑时严格按照从下至上逐步释放内应力 的原则，对内支撑体系进行拆除。
2） 在承台及墩座施工完成后，在承台与钢板桩间 回填砂土,并在顶部浇筑50cm厚的混凝土腰梁;拆除 第5道支撑。
3） 向围堰内填砂至-7. 8m,拆除第4道支撑。
4） 向围堰内注水至-4. 8m,拆除第3道支撑。
5） 向围堰内注水至-1.8m,拆除第2道支撑。
6） 向围堰内注水至与外水位同，拆除第1道支撑。
4.4 围堰受力监控
4.4.1 监控目的
由于121号水中墩钢板桩围堰较常规深,结构受力复杂，钢板桩内支撑较多，为保证钢板桩围堰施工安 全，需对钢板桩结构各工况下的受力情况进行监控，并与设计进行对比,及时判断结构的安全性以采取应变措施。
同时通过施工过程中的受力检测及数据分析，检 验并完善钢板桩围堰的设计。
4.4.2 测点布置
1） 围堰内共选取4根钢板桩布置测点，分别位于4个围堰边的中间段，每根板桩上布置9个测点，共36个测点。
2） 在平面布置上，钢板桩上的拉应力测点布置于 远离圈梁的外侧钢板桩上，近圈梁侧;压应力测点布置 于近圈梁侧的钢板桩上，近土侧；在立面布置上，钢板 桩上的测点顺长度方向布置于第1 ~5支撑处及支撑跨中部位，以及封底面处。
3） 选第2~5道内支撑布置测点,测点的平面布置如图所示，在圈梁的跨中、1/5处及斜撑的跨中布置, 内支撑共布置测点40个。应力测点布置如图2所示。
4.4.3 应变元件选用
应力测试的应变计拟采用JMZX-206智能弦式数码应变计,适用于各种钢筋应力、锚杆应力、钢板表面 应力、钢管表面应力等钢结构应变测量，适应长期监测和自动化测量。通过点焊将钢弦应变片与被测钢结构 永久固结，不影响结构强度。
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结 语
沪客运专线横潦泾特大桥深水围堰施工中，采用钢板桩围堰施工，施工过程中围堰结构稳定，施工速度快，围堰不变形，能快速用于周转，满足了工期要求, 施工安全质量得到了保障，降低了工程成本。施工可操作性强，为同类施工提供了借鉴。
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