水中钢板桩围堰施工专项方案

京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案11工程简介京杭运河泗阳四号桥110米主跨15#、16#两个主墩位于运河内，桩顶标高为▽8.558m，承台尺寸为11.7*8.6米，承台高度3m，顶标高为▽11.558m。15#、16#主墩尺寸为6*4米，顶标高为▽23.658m。运河最高通航水位为▽18.050m，最低通航水位为▽15.830m。水中施工为运河中搭建平台及桩基施工常水位为▽16.2m，钢板桩围堰按17.20m考虑。待钻孔桩施工完成后施工钢板桩围堰。2水中钢板桩围堰的施工2.1、钢板桩围堰验算2.1.1钢板桩围堰的尺寸钢板桩的形状及大小根据承台的形状和大小而定，同时满足承台模板安装作业人员操作的净空要求。根据此主墩承台的特点，采用矩形钢板桩围堰，每侧各留1m操作空间，围堰的平面尺寸为13.7m×10.6m。围堰采用400×170的u型钢板桩，桩顶高出水面1m左右，钢板桩入土约6.35m。结构见下图。2.1.2钢板桩围堰内支撑层数的确定及结构形式钢板桩围堰内支撑层数的数量及其位置，根据钢板桩围堰的深度及钢板桩本身抗弯强度而定，充分发挥钢板桩的抗弯强度，最顶层内支撑距离围堰顶2.15米，第二道具承台基坑底3.5米。内支撑的结构形式主要考虑结构受力合理，同时不影响承台及墩身的施工。根据主墩承台的埋深及承台高度，为便于施工，钢板桩围堰设2道内支撑：每道内支京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案2撑结构形式一致，承受钢板桩传递的水压力和土压力及施工荷载产生的土压力，围楞采用4根Ⅰ25a工字钢拼接组合，水平内支撑采用300*10mm钢管内支撑形式如下图。2.2、钢板桩围堰的结构验算2.2.1基本数据（1）钢板桩截面特性型号(宽度×高度)有效宽度W1mm有效高度H1mm腹板厚度tmm单根材每米板面截面面积cm2理论重量kg/m惯性矩Ixcm4截面模量Wxcm3截面面积cm2理论重量kg/m2惯性距Ixcm4截面模量Wxcm3400×17040017015.596.9976.14670362242.5190.4386002270（2）土层性质粘土、亚粘土取25°，淤泥质粘土取10°,基地土层粘聚力c取15KN；（3）基本参数计算地质资料土层的平均容重：=18KN/m³，偏安全考虑，统一按水、土合力考虑容重为19KN/m³。土层的平均内摩擦角：=18.4°,坑底以下6.35m内侧=22.6°主动土压力系数：Ka=tan2（45°－φ/2）=0.52被动土压力系数：Kp=tan2（45°＋φ/2）=2.251.5米内基坑附近施工机械等均布荷载按20kN/m²计，因水深较浅，填土筑岛未拆除，不考虑动水压力的影响。板桩外侧均布荷载换算填土高度h1，h1=q/γ=20/19=1.05m，则最大土压力P土=γKa京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案3（h+h1）=19*（8.95+1.05）*0.52=98.8KPa，（考虑开挖基底时，多挖30cm深度换填碎石垫层及浇注垫层砼,计算深度8.65+0.3=8.95m）2.2.2钢板桩入土深度检算根据盾恩法求入土深度，由公式γKaH(h+t)=γ(Kp－Ka)t2,整理得到(Kp－Ka)t2－KaHt－HKah=0，带入数值后1.73t2－4.65t－20.8=0，解得t=5.06m，实际施工一般取1.2t=6.07m，15m钢板桩施工时入土6.35m，满足要求。2.2.3基坑底管涌及隆起验算抗管涌：根据不发生管涌条件：K=（h+2t）γ/hγ水≥1.5，其中h为基坑深度，t为埋入土中深度。则K=（8.95+2*6.35）*19/8.95*10=4.591.5，满足要求。抗隆起：Nq=eπtgφtg2（45°＋φ/2）=5.4Nc=（Nq-1）/tgφ=10.6Ks=(γtNq＋cNc)/[γ(H＋t)]=(19*6.35*5.4+15*10.6)/[19*(8.95+6.35)]=2.79≥1.6,满足要求。2.2.4坑底渗水量计算：Q=KHUq根据设计地质资料，土的综合渗透系数0.1m/d则Q=0.1*8.95*48.6*0.18=7.8m³根据其渗水量的大小，为达到较好的降水效果利于承台施工，在承台外侧与钢板桩之间排水通道，在基坑最低角落里设置一个排水井。2.2.5圈梁受力计算：内支撑计算，采用1/2分单法计算各内支撑反力，如计算图示。京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案4第一层支撑力：Q1=γKa（h0+h1/2)2/2=19*0.52*(3.2+3/2)2/2=109.12KN第二层支撑力：Q2=γKa（（h0+h1/2)+（h0+h1+h2/2））*(h1+h2)/(2*2)=19*0.52*(3.2+3/2+3.2+3+3.8/2）*(3+3.8)/(2*2)=215KN即圈梁支撑力：q=215kN/m，围囹采用四根I25a组拼布置（Wx=2016cm3,Ix=50390cm4），在四角处设置斜撑，加焊后形成封闭框架结构。13.7米和10.6米方向可以简化为五等跨等截面连续梁形式，按最不利位置圈梁验算第二道圈梁。13.7米：Mmax=0.078ql²=0.078*215*2.74²=125.9kN·mσ=Mmax/W=125.9kN·m/2016cm³=62.45MPa[σ]205MPa10.6米：Mmax=0.078ql²=0.078*215*2.12²=75.37kN·mσ=Mmax/W=75.37kN·m/2016cm³=37.39MPa[σ]205Mpa围楞变形量按简支梁计算：f=5ql4/(384EI)=0.013*215*2.744/（210*50390）=1.5mm2.2.6支撑杆受力计算支撑杆采用300*10mm钢管钢管的截面积：A=91.1cm²回转半径：i=10.26cm长细比：λ=μl/i=654/10.26=63.74，查钢结构设计规范a类截面稳定系数Ф=0.868支撑反力:N=QL=215*2.74=589KN，钢管所受轴向力N1=589*6.54/4.24=908.5KN。支撑杆钢管的稳定性：б=N1/ФA=908.5/(0.868*91.1)=114.9MPa205MPa，满足要求。2.2.7钢板桩受力及变形验算钢板桩顶部悬臂段容许长度：h=(6[σ]w/γKa)1/3=(6*210*2270/19*0.52)1/3=6.62施工实际为3.2m，满足要求。第二道支撑以下钢板桩为最不利位置，作钢板桩强度验算：q=215kN/mL=2.74mL=2.12mL=2.74mL=2.12mL=2.74mL=2.12m京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案5q=19*8.95*0.52=88.43KN/m，按简支梁计算更安全:M=0.125*98.8*3.8²=178.3KN.m，σ=Mmax/W=178.3/2270=78.56MPa[σ]=205Mpa，变形量f=5ql4/(384EI)=0.013*98.8*3.84/(210*38600)=3.3mm。钢板桩的施工在钻孔桩的施工完成后实施。钢板桩采用15m长拉森Ⅳ型（400*170&15.5）钢板桩，内侧加2层围檩，围檩采用4根组拼25#工字钢，围檩内300*10mm钢管作为支撑。每个钢板桩围堰共需15m长钢板桩124根及角桩4根，25#工字钢372.8m，钢管84m。水中钢板桩围堰施工所需材料如表3。表3每个墩水中钢板桩材料序号材料型号单位数量1钢板桩拉森Ⅳ型（400*170&15.5）m18302工字钢Ⅰ25am3733钢管Ф300*10m782.3施工准备2.3.1板桩准备钢板桩施打之前，测量人员先准确在地面放线，在以距钢板桩顶300mm位置为中心竖向开槽，每相邻4根开一道，槽宽25mm，长为100mm，在钢导梁腹板中心开水平槽，槽形状同钢板桩，每1600mm设置一道，开槽时注意相邻槽钢的开槽位置。钢板桩运至现场后，可直接倒运到施工现场，钢板桩顺运河岸堆放整齐，严禁出现斜放现象，防止钢板桩夹弯，桩边按要求做好安全防护，防止落桩入河或其他安全事故的发生。2.3.2板桩导向架为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力，钢板桩沉桩前必须设置一定刚度的坚固导架。钢板桩的导架设置在履带吊可施工范围，并且每打入土1m测量人员测一次钢板桩垂直度。2.4施工沉桩钢板桩施打采用50t履带吊，履带吊臂长14m，施工时履带吊停在施工便道上，能够完成所有钢板桩的施打。2.4.1首桩施打打桩时，开始打设的第一、二块钢板桩的打入位置和方向要确保精度，它可以起样板京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案6导向作用，一般每打入1m，就测量一次，由于其位置准确与否直接影响到整个桩体的倾斜度是否符合设计要求，由于是在运河内施打钢板桩，风浪很小，可全天候施工。2.4.2顶标高控制为加强钢板桩施打质量，有效控制桩顶标高，在相邻的导向桩上测定标高，用油漆表示，在夹桩器上画上刻度线，根据测定的标高及设计桩顶标高，确定沉桩结束时夹桩器上与该标高相应的刻度线。2.4.3后续桩施工起始桩施工完毕后，后续桩连续进行，每三根桩焊成一组，钢板桩分为两步进行，吊机进行定位并施打至水面以上，插桩时锁口要对准，每插入一块即套上桩帽轻轻加以锤击并沉桩至设计标高；沉桩前，在锁口内涂抹黄油，减少桩间的摩阻力；钢板桩施工时要求桩体垂直，利用前一根桩的止水口滑槽并与导向桩结合保证施工位置准确，严禁斜打、俯打或仰打，防止破坏止水口影响钢板桩的整体性；钢板桩打桩前进方向的锁口下端用木栓塞住，防止泥砂进入锁口内，影响以后插打；因单组钢板桩之间已经焊接，故不会发生单根桩下降的情况。施打起点施打终点施打方向施打方向施打方向施打方向钢板桩钢板桩施打顺序图导向梁导向梁导向梁导向梁导向梁导向梁导向梁导向梁导向梁导向梁钢板桩施打顺序2.5钢板桩围堰支撑京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案7整个钢板桩共设2道围檩，具体的支撑标高为：第一道+15.06米，第二道+12.05米。为利于薄壁墩身的施工，支撑要避开墩身及模板的位置。在钢板桩上焊牛腿，以便在上面摆放支撑，为防止支撑受力时向上拱起，在支撑上面焊反牛腿，并且为了使支撑与钢板桩接触紧密，在支撑与钢板桩间要焊上短支撑或打木楔。逐步抽水至支撑下20CM处时，既开始焊牛腿、安放支撑等。钢板桩施工图如图6。图6钢板桩及其支撑布置图2.6基坑开挖顶部3~4米土层采用挖机开挖干作业，做好排水，开挖至支撑位置焊接牛腿，焊接围楞及支撑，基坑底部机械开挖效率低，采用泥浆泵抽排，至基底标高后抽水进行干作业，人工开挖底部30cm换填碎石垫层及浇注砼垫层，边部开挖排水沟抽取渗水。2.7抽水堵漏(1)抽水前，应将钢板桩与导框之间空隙用垫木塞紧，以保证导框受力均匀。(2)锁口不密的漏水可在开挖或抽水发现后以板条、棉絮、麻绒或防水布等在板桩在围堰和桩之间不密贴处,加打硬质木楔,以保证围堰受力均匀(3)抽水后,钢板桩接缝处若有漏水现象,可在漏水处板桩外侧,缓慢倾倒煤渣屑和木屑的混合物,让其随水流堵入缝隙.内侧嵌塞。2.8围堰拆除墩身浇注一节砼出水面后，回填基坑至第二道支撑处，拆除第二道支撑，继续回填至第一道支撑处，拆除第一道支撑，放水保持与河道连通，平衡压力，拔除钢板桩。3施工工期京杭运河泗阳四号桥工程钢板桩施工技术方案8钢板桩施工工期为30天。时间为2009年3月28日---2009年4月27日。4人员及设备钢板桩围堰施工所需人员及设备见表5、表6。表5人员配备表序号工种数量备注1技术员22工长13质检员14实验员25测量员26木工27钢筋工58砼工69电焊工610起重工411电工212操作工6合计39表6设备配备表序号机械或设备名称型号规格数量国别产地制造年份额定功率（KW）生产能力备注1搅拌站2台中国2003100Kw37.5m3/h2装载机ZL501辆中国2004154Kw3.0m33履带吊QUY501台中国200050t4震动锤DZ1201台中国2002120Kw5发电机2PIY