坚硬岩层岩溶发育段钢板桩围堰施工工法.docx
《坚硬岩层岩溶发育段钢板桩围堰施工工法.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《坚硬岩层岩溶发育段钢板桩围堰施工工法.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
坚硬岩层岩溶发育段钢板桩围堰施工工法
坚硬岩层岩溶发育段钢板桩围堰施工工法
中铁十九局集团第七工程有限公司康大平、吕涛、胡维江、舒典旺、黄维畅
1前言
伴随着我国高速铁路向城市化发展，铁路项目进入城市复杂环境，安全、环保要求随之增高。
在珠三角城际轨道交通建设中，由中铁十九局集团承建的新塘经白云机场至广州北站项目跨流溪河特大桥，位于广州市白云区，为双线特大桥，全长3946.4m。
本桥设计以1-（48+80+48）米混凝土双线连续梁跨越流溪河主航道。
11#、12#、13#墩位于流溪河水中。
该处最低通航水位5.84m，最高通航水位7.24m，水深6～8m，承台为低桩承台，承台位于冲刷线以下，嵌入坚硬岩层2m，基底为坚硬岩层灰岩，承载力达到б0=1200KPa，并有溶洞发育，地质勘探表明，遇洞率为100%，溶洞发育程度为剧烈发育。
两侧河岸下部为抛石护坡，上部为混凝土防洪堤坝，附近有居民区，环保要求高、施工难度大，采用常规的施工工艺无法施工。
施工中通过技术创新运用各种先进手段、技术及设备，不断积累施工经验，总结形成“坚硬岩层岩溶发育段钢板桩围堰施工工法”，本工法有效地解决了坚硬岩层岩溶发育段水中钢板桩围堰施工中的技术难题，将拉森钢板桩插入坚硬岩层，形成无封底钢板桩围堰。
2工法特点
2.1技术适用性强。
通过采用静压植桩机螺旋钻并用压入法将拉森钢板桩压入承载力高达1200KPa的坚硬岩层中，有效突破坚硬岩层。
在工程项目中遇到此类坚硬岩层的情况是很少见的，因此本技术对大部分环境具有普遍适用性。
2.2工作效率高。
通过将预掘引孔、钢板桩插入、岩溶注浆三者统一结合成一个系统，使工序衔接紧密，施工快速，功率高。
2.3环保效果高。
通过采用静压植桩机施工技术，利用静荷载压入钢板桩，减小了对周边地层的扰动、降低了噪声污染及减少对河道污染。
2.4施工质量安全可控。
钢板桩自持力强、围堰止水效果佳。
通过利用静压植桩机自带高压送风系统的中空螺旋钻杆改装高压注浆系统加固溶洞，并加固砂层加强钢板桩自持力，并达到止水效果。
3适用范围
该工法适用于坚硬岩层中岩溶发育地段的公路、铁路桥梁水中桥墩钢板桩围堰施工。
4工艺原理
4.1静压植桩机原理
静压植桩机原理为：
先采用常规施工方法插入数根钢板桩作为反力桩，静压植桩机通过夹住数根反力桩，将其拔出阻力作为反力，利用静载荷将下一根桩压入地下。
利用与大地成为一体化的反力，实现小型化机器发挥强大能力的目的。
图4.1 静压植桩机原理示意图
4.2静压植桩机螺旋钻并用压入法原理
钢板桩进入坚硬岩层时，会在桩端产生压力球根，而利用“静压植桩机螺旋钻并用压入法”的“除芯理论”压入拉森钢板桩，是采用与静压植桩机一体化的螺旋钻系统首先将桩端正下方的地层钻掘，粉碎核心岩土，并在抑制压力球根发生的同时，将螺旋钻拔出，在钻杆拔出的过程中，以填埋其拔出间隙的方式将钢板桩贯入地层中，压入的同时通过螺旋钻掘削作用减轻贯入抵抗力，克服坚硬地质将钢板桩压入岩层。
图4.2 螺旋钻并用压入法原理示意图
4.3静压植桩机溶洞注浆原理
钢板桩穿越溶洞时，利用与静压植桩机一体化的高压送风系统，把原有外接的空气压缩台车换成智能压浆台车，将水泥净浆压入中空的螺旋钻杆，通过螺旋钻头向溶洞内注浆，使水泥浆与溶洞充填物混合固结，加强钢板桩在溶洞范围的自持力，并形成类似高压旋喷桩的止水幕墙。
图4.3 溶洞注浆示意图
5施工工艺流程及操作要点
5.1.钢板桩围堰施工工艺流程图
图5.1 钢板桩围堰施工工艺流程图
5.2.操作要点
5.2.1地质资料采集
在钻孔桩施工过程中采集实际地质资料，比对设计地质资料，确定砂层厚度、岩层厚度、溶洞位置、溶洞深度，绘制外围每根桩基的地质柱状图并推算其相邻范围钢板桩围堰位置的地质情况，为钢板桩围堰施工提供准确的地质资料。
详见图5.2.1现场钻孔记录、地质描述图
图5.2.1 现场钻孔记录、地质描述图
5.2.2漂石、护岸片石清理
钢板桩围堰施工前用长臂挖掘机将围堰范围清理一遍，挖除漂石及护岸时抛洒的片石，防止钢板桩压入时触碰漂石发生偏移。
5.2.3反力桩插打
静压植桩机就位前，采用常规施工方法，利用液压振动锤插打数根钢板桩作为反力桩。
插打数量根据静压植桩机型号（不同型号固定夹数量不同）确定，一般为2～4根。
由于处于坚硬岩层地段，反力桩一般达不到设计标高，使用完后需拔除，用静压植桩机重新压入至设计标高。
反力桩必须准确定位，施工前需根据钢板桩规格、型号、宽度准确计算并绘制好所有钢板桩桩位，测量放样、精确插打，防止误差较大造成钢板围堰无法合龙。
5.2.4钢板桩压入施工
（1）单根钢板桩压入施工具体操作步骤
采用静压植桩机螺旋钻并用法压入钢板桩。
单根钢板桩压入施工具体操作步骤见图5.2.4-1。
图5.2.4-1 单根钢板桩压入施工具体操作步骤图
（2）穿越软弱砂层
钢板桩压入河床表层砂层时，螺旋钻系统可不启动或缓慢转动，同时控制压入速度不宜过快，以确保钢板桩垂直度。
压入过程中密切关注红外线照射位置是否居中，及时进行纠偏。
参考图5.2.4-2、5.2.4-3
图5.2.4-2 红外线照射仪器示意图
图5.2.4-3 红外线定位示意图
（3）螺旋钻并用压入坚硬岩层
钢板桩抵近岩层后启动螺旋钻系统，对岩层进行钻掘，粉碎桩端核心岩土。
每钻掘1m左右向上拔出钻头，同时将钢板桩向下压入并利用高压送风系统向孔内送风带出少量岩土、减轻贯入抵抗力，钢板桩压入至钻孔底端完成一次压入动作，然后反复操作钻掘、拔出、压入，直至到达设计标高。
见图5.2.4-4
图5.2.4-4 螺旋钻并用压入操作示意图
在对岩层的钻掘过程中，应根据地质资料及静压植桩机的数据变化确定岩层情况，并根据岩层情况选择合适的钻掘模式。
岩层越坚硬时采用的模式应为油压较大、转速较慢的低速模式。
油压过小会影响钻掘速度，转速过快会使钻头磨损过大，甚至会造成钻杆扭矩过大而损坏。
本项目实施过程，当钻至上层岩层б0=700KPa的泥灰岩时，油压约为2.1MPa；钻至底层岩层б0=1200KPa的泥灰岩时，油压约为3.4MPa；转速均需采用低速模式，平均每钻掘1m用时约20分钟。
每压入5～6根钢板桩后静压植桩移动行走之前，在钢板桩侧面加焊一道夹板将钢板连接固定在一起，防止静压植桩机行走后造成已完钢板桩受力扭曲变形。
5.2.5遇溶洞注浆
本项目所处地段溶洞发育，地质勘探表明，遇洞率为100%，多为全充填溶洞。
钢板桩穿越溶洞，由于溶洞充填物为富含水的黏土、砂粒，钢板桩自持力差，因此采用注浆的方法使其固结，形成旋喷桩以增强自持力，并在一定程度上起止水幕墙的作用。
静压植桩机的螺旋钻杆为中空钻杆，原为高压送风系统的一部分，另外配备智能压浆台车后可形成一套高压注浆系统。
再对钻头送风口进行改装，定制的喷嘴加装到送风口。
进入溶洞后，将高压风管连接至智能压浆台车，水泥净浆通过中空钻杆由喷嘴向外切削注入溶洞充填物中，注浆过程中钻杆采用低速档向下旋转确保注浆密度，待注完一个溶洞高压送风管切换回高压送风系统，压入少量压缩空气冲浆中空钻杆，以免堵塞。
然后继续钻掘岩层压入钢板桩，钢板桩压至设计标高后，再次连接智能压浆台车，在螺旋钻杆向上拔出的同时对整个桩孔包括砂层部分进行注浆，将孔洞充填密实，形成完整的旋喷桩，增强钢板桩自持力，加强止水效果。
5.2.6钢板桩围堰合龙
施工前需根据钢板桩规格、型号、宽度准确计算并绘制好所有钢板桩桩位，从反力桩施工开始，必须测量放样、精确插打，红外线定位，防止误差较大造成钢板围堰无法合龙。
矩形围堰必须遵循先插上游，在下游合龙的原则。
插打原则及插打顺序见图5.2.6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。
为保证钢板桩插打正直顺利合龙的措施是随时纠正歪斜，歪斜过甚不能用拉挤办法整直者要拔起重打，纠正无效时，应特制楔形桩合拢。
插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。
图5.2.6 钢板桩插打原则
5.2.7开挖及内支撑体系安装
开挖及支撑严格按工况分析实施工，先在水面以上施工第一层围檩及内支撑做钢板桩插打导向；钢板桩围堰合拢后，抽水至第二层内支撑设计位置以下1.0m后，施工第二层围檩及内支撑；以此类推直到露出河床面。
基坑尺寸较大，可以将小型挖机吊至基坑内，配合长臂挖机开挖基坑土方。
开挖至支撑设计位置以下及时施工围檩及内支撑，直至开挖到承台垫层底标高。
开挖过程中，在基坑四角设置集水井，利用水泵将基坑内的水抽出基坑，基本保证干挖作业。
钢板桩围堰方案立面图如图所示。
（见图5.2.7）
图5.2.7钢板桩围堰方案立面图
开挖过程中发现渗漏水情况必须及时处理。
若存在较小的漏水现象，可以利用漏水处水压差降产生吸力的原理，在漏水处钢板桩上迅速溜下一袋干细砂或锯木屑、粉煤灰（煤碴）等填充物，在吸力的作用下，填充物会被吸入接缝的漏水处，将漏水通道堵塞，有效的减少漏水量。
若漏水现象较为严重，则将旧棉被或土工布裁剪成3－5cm的长条状，派潜水员将漏水处用棉条从水面堵塞至河床面。
5.3.劳动力组织（见表5.3）
表5.3劳动力组织表
序号
职务/班组/工种
工作内容
人数
1
管理人员
总工程师
负责项目总体指挥
1人
2
副经理
负责项目施工的组织管理及施工生产
2人
3
联络组
负责对外联络工作
2人
4
技术组
负责方案制定、实施及资料收集等全面技术工作
3人
5
物资组
负责物资、设备进场、检查、组织工作。
2人
6
施工人员
桩基作业工班
负责桩基施工并协助收集地质资料
30人
7
钢围堰作业工班
负责钢板桩围堰施工
16人
8
钢筋工班
负责钢筋加工、安装施工
30人
9
混凝土作业工班
负责混凝浇筑、水泥浆制备等作业。
6人
合计
92人
在施工中对劳动力采用动态管理，对劳动力进行最大限度的调配，使劳动力资源合理配置，形成较强的生产能力。
6材料与设备
主要机具设备配置如表6.0：
表6.0 主要机具设备配置表
序号
设备名称
规格型号
数量
备注
1
冲击钻机
10
两个水中墩每个5台
2
静压植桩机
ECO600S
2
包括螺旋钻系统、动力单位、高压送风单元
3
智能注浆台车
智联LZJ03
2
两个水中墩围堰每个1台
4
履带式起重机
50T
2
两个水中墩围堰每个1台
5
轮式起重机
25T
2
两个水中墩围堰每个1台
6
长臂挖掘机
360
1
7
普通挖掘机
220
2
8
液压振动锤
1
安装栈桥、钻孔平台、反力桩时使用
9
大功率潜水泵
WQD70
8
10
柴油发电机组
300kw
2
备用
7质量控制
7.1建立健全质量管理体制和质量保证体系，加强施工组织和人员培训、技术交底等项目，坚持实行质量一票否决权，严格按质量保证措施和质量保证体系控制工程施工。
7.2所有进场原材料必须符合设计要求，经检验合格后方可使用。
7.3凡带有接头的钢板桩应与无接头的桩错开使用，不得已时其接头水平位置至少应上下错开2m以上。
7.4施工前必须绘制桩位布置图并测量放样定位。
7.5施工过程中必须定期测量检查，每根钢板桩压入过程中进行红外线定位，随时检查偏移量，超过充许偏移量的必须纠偏，纠偏无效的拔出重新压入。
7.6每压入5~6根钢板桩后及时焊接夹板固定。
7.7合龙时楔形桩上下口宽度差不应大于桩长2%；到达设计高程后的倾斜度不应大于1%。
8安全措施
8.1施工前应与当地的气象、水文部门取得联系，办理相关预报业务，要求其部门定时，随时提供气象、水文预报信息，及时根据预报的情况，采取防灾减灾措施，预防自然灾害造成的损失和灾害；
8.2水上施工期间除配备必要的救生小船，以保证发生人员落水时施救，救生船必须保证做到有人在水上施工作业时随时待命；
8.3施工用船上必须配备救生设备、救生设施和消防设施；
8.4六级以上大风、大雾、大雨天气，禁止从事水中作业；
8.5严禁一个人单独从事水中作业，以防发生意外时，无人协助救生；
8.6当预报有大风、暴雨、洪汛预报时，必须停止施工作业，检查加固船舶的锚缆设施和水中作业平台的安全，并采取有效措施，做好防灾减灾防护；
8.7施工船舶应保持二十四小时有人值班，维持水上设施安全，栈桥、钻孔平台及围堰应有专人负责定期检查其安全性能，并做好检查记录。
8.8洪汛过后，检查水上施工设施的安全状况，在确认安全无误后，方可继续进行施工。
8.9用于水上施工的脚手板要保证有足够的强度，满足施工需要，凡有大节疤、开裂严重、空洞、腐朽、严重斜纹，低于30cm宽度，小于5cm厚度的脚手板严禁投入水上施工使用。
8.10水上施工人员在临边临水处，作业必须穿好救生衣，在穿着救生衣时，所有系带应系好，谨防落水时系带松脱，造成人衣分离，失去自救效果。
8.11水上、高处作业使用安全带时，要充分考虑万一在坠落时有无落水危险，安全绳系挂处必须牢靠稳妥，千万要注意防止安全绳系挂处坠落，将作业者拉入水中的危险。
8.12水上施工平台必须按规定配备性能可靠的消防设施，消防设施布置时要做到防大风的措施。
8.13水上平台配备的消防水桶、消防水泵等安全设施、安全机具不得擅自移动，不得挪作他用，丢失的应及时、补齐，损坏的应随时更换或修复。
8.14汛期派专人观测上游江面漂浮垃圾，因水位上涨在栈桥位置造成堆积时，及时清理，以免壅水推力过大损坏栈桥及平台。
栈桥平台设计上考虑枯水期在基础管桩下游侧插打斜钢管桩，并与栈桥平台基础管桩采用型钢焊接，增加结构抵抗水平推力的能力。
9环保措施
9.1为保证施工过程中泥浆不流入河道，泥浆池均采用钢板焊接，施工时定期清理底部沉渣，护筒出浆口与泥浆池之间利用钢板焊接的U型槽作为泥浆循环的通道。
9.2钻孔封堵方案：
采用振动锤将钢护筒沉入到泥灰岩不透水层，以防钻孔过程中，泥浆流入河道中。
9.3桩基施工时挖出的钻渣和废弃泥浆采用密闭运输车辆运至指定的弃土场，严禁弃入河道中。
9.4水泥、膨润土等掺和料，应安全堆放，妥善遮盖，不得掉入河中。
9.5砼拌和站的废水，须集中到沉淀池中，经净化处理后进行排放。
9.6围堰、承台和墩身施工完成后及时清理河道内，防止造成河道污染。
9.7禁止使用一次性塑料餐具，防止白色污染。
9.8生产用油料必须严格保管，防止泄漏，污染河水。
9.9施工机械产生的废油料及润滑油等，必须集中收集运至岸上指定的地点存放。
9.10建立严格的固体、废弃物管理制度，废弃物设专用场地堆放，集中管理。
10技术经济效益分析
10.1经济效益
本项目11#、12#、13#墩位于流溪河水中。
由于水深达6～8m，承台为低桩承台，承台位于冲刷线以下，嵌入坚硬岩层2m，基底为坚硬岩层泥灰岩，承载力达到б0=700~1200KPa，并有溶洞发育，地质勘探表明，遇洞率为100%，溶洞发育程度为剧烈发育。
两侧河岸下部为抛石护坡，上部为混凝土防洪堤坝，附近有居民。
安全风险高、环保要求高、施工难度高。
我单位通过采用静压植桩机施工技术压入钢板桩，插入坚硬岩层，形成无封底钢板桩围堰，为水中深基坑施工提供了安全保障并降低了施工成本，形成效益约150万元。
10.2社会效益
由于珠三角城际轨道交通新白广项目施工标准化程度较高，加之该处为水中深基坑，为新白广线全线高风险工点之一，在施工过程中方案和工法的选择极为重要。
我们通过采用静压植桩机施工技术压入钢板桩，实现了低噪音、低污染、高安全、高标准施工，达到了环保要求。
施工过程中未收任何附近居民投诉，受到了业主、设计、监理等单位的高度肯定，2016年11月30日，该段通过珠三角城际轨道公司组织的标准化工地验收，被评为标准化工地。
10.3环保效益
此工法在施工应用过程中，产生的噪音小，带来的场地污染也非常小，为工区的环境的保护提供了有力保障，也没有为周围居民带来困扰。
11工程应用实例
中铁十九局集团在珠三角城际轨道交通新塘经白云机场至广州北站项目中采用了本工法。
跨流溪河特大桥，以1-（48+80+48）米混凝土双线连续梁跨越流溪河主航道。
11#、12#、13#墩位于流溪河水中。
该处最低通航水位5.84m，最高通航水位7.24m，水深6～8m，承台为低桩承台，承台位于冲刷线以下，嵌入坚硬岩层2m，基底为坚硬岩层灰岩，承载力达到б0=1200KPa，并有溶洞发育，地质勘探表明，遇洞率为100%，溶洞发育程度为剧烈发育。
两侧河岸下部为抛石护坡，上部为混凝土防洪堤坝，附近有居民区，环保要求高、施工难度大。
2016年9月桩基完成后开始施工钢板桩围堰，2017年3月桥墩完成，至2017年4月拆除钢板桩围堰。
期间通过对钢板桩围堰质量、开挖后止水效果及围堰变形监测数据的详尽分析研究，证明采取的技术措施极具针对性，施工技术先进，安全质量有保障，受到了珠三角城际轨道公司、监理单位以及相关水务部门的高度赞扬，取得了良好的社会效益。
经过本次“坚硬岩层岩溶发育段钢板桩围堰施工技术”施工工法在跨流溪河特大桥11#、12#、13#墩三个工点成功应用，随着此工法的不断完善，相信以后在高速铁路的类似条件的水中墩施工中将会得到更广泛的应用，具有广泛的推广应用前景。
参阅文献（资料）
1、《高速铁路桥桥涵工程施工质量验收标准》TB10752-2010，《高速铁路桥涵工程施工技术规程》Q/CR9603-2015；
2、铁道第三勘察设计院集团有限公司《跨流溪河特大桥施工图》；
3、《嵌岩大承台钢板桩围堰无封底施工技术》，作者：
施龙，中铁大桥局集团第一工程有限公司，《科技信息》2012年第33期；
4、
升级会员 