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钢板桩施工技术论文

桥梁深基坑承台采用钢板桩施工技术

姜彬

中铁十一局集团第四工程有限公司

[摘要]结合武汉天兴洲大桥的施工实践，介绍和总结应用钢板桩施工深基坑承台。

从工艺流程、施工要点、施工注意事项等方面阐述钢板桩及深基坑承台的施工过程。

[关键词]钢板桩桥梁深基坑承台施工

钢板桩是桥梁基础施工中常见的且十分重要的临时设施，适用于软弱地层、深水基坑的施工，其防水性能好,整体刚度性较强。

在桥梁基础深基坑施工中钢板桩能达到安全、快速、减少基坑土方开挖量的目的。

并能较好的适应市政工程工作面狭小的特点。

1工程概况

武汉天兴洲公铁两用长江大桥公路引线工程由位于在建的武汉天兴洲公铁两用长江大桥北岸的汉施公路立交工程、南岸的和平大道立交工程以及武青三干道立交工程组成。

其主线全长8042.9米。

本桥部分桥墩位于武汉青山区戴家湖中，戴家湖为青山热电厂冲填粉煤灰池。

地势较

为平坦，无障碍物，但地下水较丰富，承台基坑开挖深度约9.7～11.7m，长度为10.6m，宽度7.4m。

桥墩基础采用钻孔灌注桩基础，桩径1.2m，承台为低桩承台，其尺寸为8.6m×5.4m×2.5m。

根据工程地质报告，①层为粉煤灰，煤层厚度约10.8m，②层为硬塑状亚粘土，土层厚度约5.7m，③层为亚粘土夹碎石，土层厚度约⒈4m;②、③该层为围护桩持力层。

（见下图）

2钢板桩围堰布置

由于地质条件限制，拟采用新包IV型拉森桩进行钢板桩围堰施工；对基坑采取周边围护，确保开挖基坑顺利完成。

钢板桩每片宽40cm,钢板桩长度为18m，深入持力层6米，重量75kg/m，截面模量W=2410cm3,允许应力为[σ]=200Mpa，围堰尺寸10.6m×7.4m。

布置图如下：

平面图

立面图

附注：

1、图中尺寸以mm计，标高以m计。

2、支撑采用间距离2.7m+5m+4m三层布置，采用纵向支撑400*400H型钢，斜腿支撑和内导框采用400×400H型钢。

2.1钢板桩围堰计算

采用“支撑荷载的1/2分担法”

已知：

φ＝200，γ＝19KN/m3，

基坑深度H＝11.7m,长*宽*深＝10.6*7.4*11.7m。

主动土压力系数：

Ka=tg2（450-φ/2）=0.49

被动土压力系数：

Kp=tg2（450+φ/2）=2.04

最大土压力强度Pa=0.8*γ*H*Ka

=0.8*19*0.49*11.7＝87.15kPa。

支撑采用间距离2.7+5+4m二层布置，对各层的计算如下：

1、计算支撑荷载

对B1取矩

A*5=（87.15*2.34*1/2）*（5.36+2.34/3）+87.15*5.36*（5.36/2）=1877.96KN/m。

A=375.59KN/m

B1=87.15*0.5*2.34+87.15*5.36-375.59=193.50KN/m

对基底取弯矩平衡：

B2*4=87.15*（4-2.34）*（2.34+1.66/2）+（87.15*2.34*1/2）*（2/3*2.34）=617.07KN/m。

B2=154.42KN/m。

C=87.15*1.66+87.15*2.34*0.5-154.42＝92.21KN/m

则各支撑点的受力为

A=375.59KN/m

B=193.50+154.42＝347.91KN/m

C=92.21KN/m

在7.4m方向设两道支撑，在10.6m方向设两道支撑。

最大支撑间距为：

10.6/2＝5.3m。

轴向最大支撑力：

A=5.3*375.59＝1990.63KN

B=5.3*347.91=1843.92KN

C=5.3*92.22=488.77KN

最大支撑荷载为1990.63KN。

支撑采用200*200H型钢，其截面系数为Wx=63.53cm3

截面强度为：

f=1990.63*1000/（63.53*100）=31.33MPa<215MPa

2、计算钢板桩弯矩

A点弯矩：

Ma=-（87.15*2.34*（2.34/3+0.36）+87.15*0.36*0.36/2）

=-238.13KN.m。

AB间最大弯矩位置距离应力变化点的距离x为：

Qx=2.34*87.15*1/2+87.15*x-375.59=0

x=3.14m

AB间的最大弯矩为：

Mab=-375.59*（3.14-0.36）+87.15*2.34*0.5*（2.34/3+3.14）+87.15*3.14*3.14/2=-214.81KN.m

BC间的最大弯矩为：

距离C位置y，按照Qy=0,进行计算,则：

Qy=87.15*y*0.5-92.22=0

y=2.12m

则Mcd=92.22*2.12-87.15*0.5*2.12*2.12/3=130.22KN.m

综上最大控制弯矩为：

238.13KN.m

采用IV型拉森桩，截面模量，W=2410cm3,允许应力为[σ]=200Mpa。

σ=M/W=238.13*1000*1000/（2410*10*10*10）

=98.81m2<200N/mm2（满足要求）

3、采用连续梁法计算钢板桩土压力零点位置（距离坑底深度）

u=（19*0.49*11.7）/（19*（2.04-0.49））=3.70m

即钢板桩要埋入粘土层底以下>1.2*3.70=4.44m。

4、防止管涌、流砂现象，钢板控制入土深度为：

当钢板桩埋深为4.44m时，钢板桩底位于亚粘土层。

该层厚5.7m，建议穿透该层使之进入亚粘土夹碎石，延长渗流路径，防止出现流砂、管涌等现象。

故取钢板桩延长至基础底面以下6.3m。

则：

钢板桩长为：

11.7+6.3＝18m

5、基础隆起稳定性计算

安全系数：

Fsb=（Nb*τu）/（γ*h+q）=（7.2*95.9）/（19*11.7+0）=3.1

安全性得到保证。

式中：

11.7/10.7=1.094查表得Nb=7.2

τu=c+σtga=15+19*11.7tg200=95.9KN

故可以抵抗地基隆起

6、降水

设地面下4.0m处进入潜水层。

管井深度18m。

管井直径0.3m。

总涌水量：

Q=1.366k*（2H-S）*S/（log（1+R/r0））

=1.366*15*（2*14-8.7）*8.7/（log（1+252.15/5.22））=2033.37m3

式中：

k为渗透系数，H为潜水含水层厚度，S为基坑水位降深；R为降水影响半径；r0为基坑等效半径。

其中：

r0=0.29*（10.6+7.4）,R=2*S*（k*H）^（1/2）

单口井出水量：

q=120*π*rs*l*k^（1/3）

＝120*3.14*0.15*2*15^（1/3）=278.78m3

rs过滤器半径，l进水部分长度；

降水井的数量为：

n=1.1*Q/q=1.1*2032.31/278.92=8.02

取降水井为8个，顺着基坑边沿均匀布置。

布置井距离基坑距离0.3~0.5m。

能使地基中的水面降至基础底下1.0m.处。

3钢板桩围堰施工工艺及流程

钢板桩施工一般采用单根插打法，该法施工速度快，钢板桩施工的主要机械为振动锤及相应的起吊设备，振动锤与钢板桩呈刚性连接,依靠锤内偏心块产生上下振动,强迫与之接触的土体发生振动,大大降低土体的沉桩阻力，从而使钢板桩在自重及振动锤的压重作用下顺利沉入土体。

为防止钢板桩倾斜，在一根桩打入后应与前一根焊牢，它可避免先打入的钢板桩被后打的桩带入土中。

钢板桩施工工艺流程为：

按设计下料→钢板桩的整理→组装→加固→制作围笼设备→安装围笼→插打与合拢→布置打设轻型井点→实施降水→开挖基坑→抽水堵漏

3.1施工准备

按设计下料、整理钢板桩、检查振动锤：

振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要派专人检查，确保线路畅通，振动锤的端电压达到380～420伏，夹板牙齿无太多磨损。

3.2钢板桩组桩及加固

组桩及单块桩两侧锁口均在插打前涂以黄油或热的混合油膏，以减少插打的摩阻力，并增加防渗性能。

组桩的嵌缝用油灰及旧棉絮，用钝凿嵌塞紧密。

组桩拼接后，每隔4∽5米加一道夹板，使其固定，以便插打。

3.3围笼的制作及安装

钢板桩围堰尺寸可在承台的基础上每边放大100厘米，钢板桩围堰尺寸10.6m×7.4m。

围笼安装时，先进行测量定位。

钢板桩导向装置的设置：

方形钢板桩围堰通常用方形导向，在围堰的内侧打8根定位桩（可以用钢板桩代替，待快要合拢时，将导向架拆除将钢板桩插打到围堰当中），焊接牛腿，安装上导向框，如下图：

3.4插打与合拢

钢板桩的插打前，应设置全站仪观测点，用以控制围堰长，短边方向的钢板桩的施工定位。

施打前、钢板桩的锁口应用止水材料捻缝，以防漏水。

施打顺序插打次序都是从一侧中间导向架开始，沿钢围笼周围分两侧对称插打至另一侧合拢。

施打时宜将钢板桩逐根或逐组施打到稳定深度然后依次施打到设计深度。

施打时，应随时检查位置是否正确，桩身是否垂直，不符要求时应立即纠正或拔起重打。

1、第一片钢板桩插打

第一片钢板桩是插打的关键，为了确保其插正及位置准确，在导向架上设了一个限位框架，大小比钢板桩每边放大1厘米，插打时钢板桩背靠紧导向架，一边插打，吊车一边缓慢下钩，并在互相垂直的两个方向用全站仪观察，发现偏移，调整直到钢板桩底达到设计标高。

（见下图）

2、插打过程的控制

在插打过程中，由于钢板桩锁口和锁口之间缝隙较大，而钢板桩下端有土挤压，上端是自由的，总会使钢板桩产生向远离第一根钢板桩的方向倾斜，因此，每打4～5根钢板桩就要用垂球吊线，将钢板桩的倾斜度控制在1%以内，否则就用倒链纠偏，一次性纠偏不能太多，以免引起锁口间别住，影响下一片钢板桩的插打，当钢板桩偏移太多时，只能采用多次纠偏的方法逐步减小偏移量，若因土质太硬倒链拉不动时，可采用走四滑轮组纠偏。

3、钢板桩插打施工工艺流程见下：

施工工艺流程图

4、合拢时片数的确定

在即将合拢时，开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离（X1），设钢板桩宽度为d，设原设计还剩N设片，N设=X1/d，

当N设+2>N>N设

增加两片钢板桩，并绕圆弧X2，使X2/d=N设+2

当N设-1

向外绕圆弧X3，X3/d=N设

5、合拢桩的处理

为了便于合拢，合拢处的两片桩应一高一低，合拢时往往出现“上小下大”或“上大下小”的情况，此时可用两个滑轮组向两边拉开或拉拢，直到合拢桩两边的桩顶距离等于d（钢板桩宽度），并且接近平行，将合拢桩插入，起动振动锤，将合拢桩打入到设计标高。

方形围堰有四个面，打完的每一片都要保证钢板桩沿导向架的法线和切线方向竖直，合拢应选择在角桩附近（一般离角桩4～5片），如果距离有差距，可通过调整相邻一边离导向的间距，直到合拢边的距离X=X设（仍然是以钢板桩底部为基准），为了防止合拢处两片桩成异面直线，角桩一定要调整好方向，让其一面锁口与对面的钢板桩锁口尽量保持平行，合拢时若两片桩不在一条直线上，可拔除几根，进行调整。

3.5设置井点降水

在基坑四周设置8个￠300降水井，顺着基坑边沿均匀布置。

1、井点安装程序

井点放线定位→安装高压水泵→凿孔安装埋设井点管→布置安装总管→井点管与总管连接→安装抽水设备→试抽与检查→正式投入降水程序。

2、井点管埋设

根据测量控制点，测量放线确定井点位置，然后在井位先挖一个小土坑，深大约500mm，以便于冲击孔时集水、埋管时灌砂，并用水沟将小坑与集水坑连接，以便排泄多余水。

用绞车将简易井架移到井点位置，将套管水枪对准井点位置，启动高压水泵，水压控制在0.4～0.8MPa，在水枪高压水射流冲击下套管开始下沉，并不断地升降套管与水枪。

一般含砂的粘土，按经验，套管落距在1000mm之内，在射水与套管冲切作用下，大约在10～15min时间之内，井点管可下沉10m左右，若遇到较厚的纯粘土时，沉管时间要延长，此时可增加高压水泵的压力，以达到加速沉管的速度。

冲击孔的成孔直径应达到300～350mm，保证管壁与井点管之间有一定间隙，以便于填充砂石，冲孔深度应比滤管设计安置深度低500mm以上，以防止冲击套管提升拔出时部分土塌落，并使滤管底部存有足够的砂石。