一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构及其施工方法

专利名称：一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构及其施工方法
技术领域：
本发明涉及地下和水中建筑物基础施工技术领域，具体涉及钢板桩围堰结构及其施工方法的技术领域。
背景技术：
水中基础施工时一般需要修筑围堰工程，以便进行排水开挖基坑和基础施工。所谓围堰，就是在基坑四周修筑一道围护建筑物，把水隔开，以便在围护建筑物内进行开挖基坑，形成干施工条件进行基础施工。也可以说围堰是修筑地下和水中建筑物时，所做的临时性围护结构，其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置，以便在围护结构内排水，开挖基抗，修筑建筑物。除设计规定作为永久性防护结构外，一般在墩台身修出水面以后，基坑回填完毕时即予拆除，以免妨碍水流畅通，加剧河床的局部冲刷。钢板桩围堰是桥梁深水基础施工中应用广泛的一种临时围护形式，也是最常用的一种板桩围堰。钢板桩围堰与双壁钢围堰、钢套箱等相比，具有结构简单、插打比较容易、施工周期短、可重复使用、成本较低和易于质量控制等优点，在深水基础施工中最受施工单位的欢迎。钢板桩适用于砂类土、半干硬性黏性土、碎石类土等土层，并可打入风化岩面，一般采用钢板桩围堰时，要求钢板桩埋入土体的入土深度(即基坑开挖后钢板桩的桩尖在基坑底面以下的深度)必须达到最小入土深度要求，以满足钢板桩围堰在基坑开挖以及基础施工过程中的自身结构安全，不发生“踢脚”和管涌现象，满足围堰的抗滑移、抗倾覆、抗浮以及基坑底抗隆起、抗涌砂等稳定性要求。很多情况下，即使钢板桩的最小入土深度满足要求，当基坑底面以下的土层为较强透水性土层或者不透水层厚度不大时，需要采取水下开挖方法，先挖除基坑底面以下一定厚度土层，再灌注同样厚度的水下封底混凝土，以满足围堰抗浮和基坑底抗隆起、抗涌砂等要求。当基坑底面以下的土层为较弱土层时，要求钢板桩必须有很大的入土深度，才能确保钢板桩围堰结构的稳定。即使这样，钢板桩围堰结构的内力、变形仍然很大，常常不能满足周围环境的要求。同时也需要对较弱土层换填一定的厚度，才能进行桥梁低桩承台的施工。如果由于岩层埋深较浅或者基坑底面以下为密实的大漂石等地质因素、场地等条件的限制，导致钢板桩的入土深度受到约束而不能满足要求，也达不到进行水下混凝土封底的最小高度时，采用钢板桩围堰进行深水基础施工的风险很大，目前一般只能改为采用双壁钢围堰进行施工。双壁钢围堰需要经过专门的设计、合适场地进行加工制作、围堰的基坑水下爆破及挖泥船挖泥整平、大型船舶运输或浮运双壁钢围堰节段至现场、布设复杂的锚碇系统、水上浮吊进行拼装与接高、注水沉放、着床定位、清基并灌注水下封底混凝土等较多的施工程序，才能形成双壁钢围堰，再进行桥梁的钻孔灌注桩及承台基础施工。虽然双壁钢围堰能承受较大水压，保证基础全年施工安全渡洪，但双壁钢围堰的材料用量大，回收利用率小，施工程序及水上船机多，水上施工的安全风险多，成本较钢板桩围堰高出较多，另外由于形成双壁钢围堰的施工周期长，往往使桥梁深水钻孔灌注桩丧失了黄金季节的枯水期施工机会而不得不在河流的汛期进行施工，加大水上施工风险，甚至会由于洪水的到来而停工，延误了工程的工期。特别是，当原施工方案采用钢板桩围堰进行桥梁深水低桩承台的施工，但在桥梁钻孔灌注桩施工完毕后，插打钢板桩时发现由于地质勘察资料未能真实反映实际的地质情况，岩层埋深变浅、岩面标高起伏变化大，导致钢板桩的入土深度不能满足方案的设计要求，再改变为双壁钢围堰施工方案时，此时双壁钢围堰的施工难度和代价将会比一开始就确定采用双壁钢围堰方案大得多，甚至可能会影响到已经成桩的钻孔灌注桩的质量本身。因此，需要研发一种钢板桩围堰结构，在钢板桩的入土深度受到约束而不能满足要求时，可以进行桥梁深水低桩承台的施工，而不必改为采用成本较高的双壁钢围堰方案进行施工，节省围堰作为临时工程的周转钢材用量，确保钢板桩围堰的质量与安全稳定性， 保证工程以较低的成本和最小的施工风险来施工桥梁深水低桩承台，扩大深水钢板桩围堰施工技术的应用范围。

发明内容
本发明的目的正在于解决围堰的钢板桩入土深度不能满足正常入土深度要求的技术难题，提出一种新的钢板桩围堰结构及其施工方法。本发明的另一目的在于提供一种应用上述施工方法建造深水单壁钢板桩围堰结构并进行低桩承台及桥墩水下部分施工的方法。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构，其特征在于包括以下结构若干钻孔灌注桩，及包围于钻孔灌注桩外的钢板桩围堰，围堰的平面尺寸大于拟施工的承台平面尺寸以预留施工作业空间，及围堰之外抛设于河床表面的袋装砂，及施工于围堰之内、钻孔灌注桩外的高压旋喷桩。本发明通过对钢板桩围堰的基坑底面以下至风化岩面之间深度范围内的土体进行高压旋喷桩注浆处理，可显著提高此范围土体的粘聚力、内摩擦角等力学性质指标，也即提高此范围土体的被动土压力，起到减少钢板桩围堰结构的内力、水平位移的作用，解决钢板桩底部的“踢脚”问题；另外，该土层经过高压旋喷注浆处理，提高了土粒相对密度和降低土体的空隙比，也就提高了围堰基坑底发生“管涌”的临界水力坡降，同时高压旋喷注浆处理后的土体与岩面固结形成较密闭的整体，高压旋喷的水泥浆固结了大部分的砂土颗粒， 注浆渗透可能存在的不均勻性所留下的空隙能形成的流砂通道已十分有限，土体注浆固结后切断了水的渗透力带动细颗粒在土体空隙间移动的路径，较大地提高了该层土体的抗渗能力，大大降低了基坑底发生涌砂、管涌、隆起的风险，即便存在这种风险，也使风险从“流砂”发展到“管涌”的渐变过程时间大幅延长，可使“管涌”爆发前的人员、设备撤离及采取应急措施留有足够的时间，从而降低了 “管涌”风险的危害程度。另外，对钢板桩围堰外侧 5m范围抛设袋装砂进行护底，可增强围堰刚度，减少钢板桩围堰结构在变化的水压力、波浪力作用下出现的“摆动”现象的影响，以保障基坑的整体安全。
当钢板桩底部标高与预设标高相差较大时，在围堰外侧对应位置增加高压旋喷桩，所述围堰内侧的相邻高压旋喷桩间相互搭接0. Im,围堰外侧的相邻高压旋喷桩间相互搭接0. 15m，内、外侧高压旋喷桩桩底到达风化岩面或进入风化岩面以下0. 1 0. 2m,围堰外侧的高压旋喷桩桩顶标高高于围堰内的高压旋喷桩桩顶标高。相邻高压旋喷桩之间的搭接加密可以起到加强该位置隔水可靠性的作用，其围堰外侧的高压旋喷桩桩顶标高比内侧的高压旋喷桩高出3. 0m，桩底标高则与钢板桩内侧的高压旋喷桩相同。具体地，所述钢板桩底部到达风化岩面或进入风化岩面以下0. 1 0. ail。进一步地，本发明的钢板桩围堰结构还包括若干层水平支撑体系，所述水平支撑体系为围檩及支撑体。一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构的施工方法，包括以下步骤(1)施工钻孔灌注桩；(2)插打钢板桩、合拢形成钢板桩围堰；(3)围堰外侧抛设袋装砂进行护底；(4)进行高压旋喷桩施工；(5)抽水、开挖基坑，安装若干层水平支撑体系。具体地，所述水平支撑体系有3 5层。具体地，所述步骤( 在围堰内抽水采用分层抽取的方法，每安装一层水平支撑体系再抽下一层水；抽水时对钢板桩锁口漏水处在锁口外侧安装橡胶止水带止水；钢板桩内侧采用棉花塞缝进行堵漏。优选地，所述橡胶止水带由强磁铁与橡胶密封带构成，所述橡胶密封带的其中一面具有凸棱，所述强磁铁安置于所述凸棱内部，且所述凸棱在使用状态下面向钢板桩。一种低桩承台及桥墩水下部分的施工方法，其特征在于包括以下步骤(1)依据上述方法的施工步骤形成围堰结构；(2)割除钻孔灌注桩的剩余钢护筒，破除桩头多余混凝土，围堰内清基整平，铺设承台施工垫层；(3)制作安装承台钢筋，浇筑承台第一层混凝土，回填砂至第一层承台面，拆除最下一层水平支撑体系；(4)浇筑承台第二层混凝土，回填砂至承台顶面，拆除倒数第二层水平支撑体系；(5)分节段施工桥梁的墩身的水下部分，依次拆除剩余的水平支撑体系；(6)墩身施工露出水面一定高度后，拔除钢板桩。本发明应用钢板桩围堰的质量与安全稳定性能够得到保证，使工程以较低的成本和最小的施工风险来施工桥梁深水低桩承台及桥墩水下部分，而不必采用成本较高的双壁钢围堰方案进行施工，节省了围堰作为临时工程的周转钢材用量，扩大了深水钢板桩围堰施工技术的应用范围。采用钢板桩围堰进行施工的综合成本远比双壁钢围堰方案成本要低。


图Ia是本发明的钢板桩围堰结构的平面布置图。图Ib是图Ia的A-A剖面图。
图Ic是图Ia的B-B剖面图。图2是应用本发明的钢板桩围堰结构进行低桩承台及桥墩水下部分施工的示意图，其中图加显示钢板桩插打、合拢完成，围堰外侧抛设袋装砂护底；图2b显示高压旋喷桩施工完成；图2c显示抽水、安装第一层水平支撑体系；图2d显示抽水、安装第二层水平支撑体系；图2e显示分层抽水、开挖基抗，并安装第三及第四层水平支撑体系；图2f显示浇筑完成承台第一层混凝土 ；图2g显示回填砂至第一层承台面及拆除第四层水平支撑体系；图池显示浇筑完成承台第二层混凝土 ；图2i显示回填砂至承台顶面，分节段施工完成桥梁墩身的水下部分及拆除余下的水平支撑体系；图3是钢板桩围堰施工桥梁低桩承台及墩身水下部分的建造工艺流程图；图如是橡胶止水带结构示意图；图4b是橡胶止水带使用状态示意图。其中，101钢板桩 102承台 10 第一层承台 103围檩 104横向支撑105角撑106钻孔灌注桩106a钻孔灌注桩的钢护筒107袋装砂108、109高压旋喷桩110 垫层 111回填砂 112墩身 201混合花岗岩岩面202河床面301强磁铁302橡胶密封带401围堰内侧402围堰外侧
具体实施例方式如图Ia Ic所示，为本发明的钢板桩围堰结构实例的示意图。现以某市某公路桥的建造为例，该主桥跨径组合为(80m+200m+80m)的自锚式悬索桥。主墩为16及17号墩，位于淮河航道中，覆盖层主要由粉土、粘土、细砂、砾砂构成，覆盖层厚度5. 5 11m，变化甚大。下伏基岩由上至下依次为全风化角闪岩、强风化混合花岗岩、中风化角闪岩、中风化混合花岗岩。原设计图纸提供的16号墩岩面标高为-2. 86m, 17号墩为-0. 76m,由于岩面变化起伏变化很大，试桩时发现钢板桩的底部远未能达到原钢板桩围堰的钢板桩底设计标高，即 16号墩要求钢板桩入土深度为5. 93m, 17号墩要求钢板桩入土深度为3. 83m。重新进行地质补充钻探后发现，补钻结果与原设计图纸提供的存在较大差异，主要是实际岩面标高16 号墩为-0. 2 0. 3m, 17号墩为+1. 3 +1. 5m，补钻发现主墩覆盖层仅有5. 8m 8. Im,实际岩面比原设计图纸提供的岩面标高高出2. 5m,围堰最浅的岩面标高为+1. 5m,即17号墩的钢板桩最浅入土深度只能达到1. 57m。钢板桩实际施打过程，即使是16号墩也有多个位置的钢板桩只能到达+1 +1.5 !标高。为解决此技术难题，采用了本发明的钢板桩围堰设计方案进行16号、17号墩的承台施工。总体施工流程如图3所示现场施工准备一钢板桩插打、合拢形成围堰一高压旋喷桩注浆施工一围堰内按预定标高逐层抽水、开挖一由上至下逐层安装围檩及水平钢管支撑等水平支撑体系一基坑底面处理及铺设垫层一承台施工一逐层回填砂，逐层拆除围堰的水平钢管支撑及围檩一墩身水下部分施工一钢板桩拆除。具体来说，采取以下步骤(1)根据现场施工条件和进度要求，主墩采用先搭设水上钻桩平台完成钻孔灌注桩106基础施工。(2)钢板桩插打及合拢下列的现场准备工作完成后开始钢板桩的插打施工①钻孔灌注桩106施工完成后，将钻机撤离围堰施工范围；②精确测量放样出钢板桩围堰的边线位置；③对需要用作起重作业区的钻孔灌注桩的钢护筒位置进行加固封孔处理。围堰的平面尺寸按承台102平面几何尺寸向外扩大1. 5m,以保证承台施工作业空间。围堰采用U形的拉森IV型钢板桩 101，屈服强度为295MPa。采用150kw电动式振动锤作为钢板桩的插打设备，因为其在满足激振力等参数要求的基础上，对钢板桩垂直度控制较好，成本费用也便宜。另外采用50t履带吊机起吊振动锤配合钢板桩的插打。钢板桩底部到达风化岩面或进入风化岩面以下0. 1 0. ail。钢板桩围堰合拢后， 在潜水员配合下由人工在钢板桩围堰外侧5m范围抛设袋装砂107进行护底。(3)高压旋喷桩施工采用单管法施工，每米桩长掺入强度等级32. 5普通硅酸盐水泥200kg与氯化钙 4kg，氯化钙纯度大于70%。高压旋喷桩施工时，控制钻孔位置偏差< 50mm以内，喷射注浆管的倾斜度< 1.0%，喷射注浆管的压力控制在20 30MPa，每m桩长的旋喷周期为7min。 在围堰内、钻孔灌注桩位置以外的所有区域施工高压旋喷桩108，高压旋喷桩108的桩顶标高为承台底面标高，桩底标高至风化岩的岩面，一般可进入到风化岩面以下0. 1 0. 2m。对于出现钢板桩底部标高与预设标高相差较大位置的情况，采取在钢板桩外侧对应位置增加 2排高压旋喷桩109处理。内侧高压旋喷桩108与外侧高压旋喷桩109的桩径均为0. 50m, 内侧相邻高压旋喷桩之间相互搭接0. lm，外侧相邻高压旋喷桩之间相互搭接0. 15m。(4)围堰内抽水、开挖及安装围檩、水平钢管支撑施工插打钢板桩的同时，在围堰边的空地上进行围堰支撑结构单元的加工，以保证钢板桩插打完成后，围堰的支撑结构能得到尽快安装。围堰内抽水采取分层抽取方法，分层原则是每安装一层围檩103及横向支撑104、 角撑105后再抽下一层水。第一层抽水抽至低于第一层围檩标高以下1.5m处，焊接牛腿， 安装第一层围檩及水平钢管横向支撑。安装完成后继续抽水抽至第二层围檩标高以下1. 5m 处，安装第二层围檩及横向支撑104、角撑105。依上述方法完成围堰内的抽水。抽水时，对钢板桩锁口漏水处由潜水员在锁口外侧安装橡胶止水带进行止水，该种止水带如图如所示的结构，采用强磁铁301与橡胶密封带302构成，橡胶密封带302的其中一面具有凸棱， 凸棱棱体内设有安置孔，所述强磁铁安置于所述安置孔内，且橡胶密封带具有凸棱的一面在使用状态下面向钢板桩，贴在钢板桩锁口外侧，遇到外侧水压力，会越粘越紧，其安装使用如图4b所示。在钢板桩内侧小漏处，可采用棉花塞缝进行堵漏。围堰内土方开挖采用分层、分块的干开挖方法，利用小型挖掘机开挖和吸泥开挖相结合。分层开挖的原则是每施工一层水平支撑体系后再开挖下一层土方，第一层土方开挖深度为河床面至第三层水平支撑体系底部，安装第三层围檩及水平钢管支撑；接着进行第二层土方开挖，安装第四层水平支撑体系，然后进行最后一层土方开挖。采用分块开挖时，就是将基坑划分为周边块和中部块，分块开挖为先挖中部块再挖四周块。围堰的内撑体系由围檩103、角撑105及横向支撑104组成，是围堰主要受力结构。 围檩在后场进行单元分块加工，再使用平板车运至施工现场进行安装。安装时先在钢板桩上焊接牛腿，将围檩103安装牛腿上，焊接围檩103形成整体。围檩安装完毕，紧接安装横向支撑104及角撑105。为利于钢板桩受力及止水，在围檩103与钢板桩空隙之间加槽钢连接。(5)围堰内清基、整平及铺设垫层围堰内布置若干个集水井，采用大功率抽水机进行围堰内抽水排水，再由人工进行围堰底部0. 2 0. 3m厚的开挖、清基和整平的工作。承台施工的混凝土垫层厚度为0. 469m,由于钢板桩锁口及内侧存在一些渗漏水， 在混凝土垫层中部底面的水压力会大于垫层自重压力，很可能顶穿破坏垫层，为了解决混凝土垫层的抗浮稳定问题，采取在垫层中铺设若干个碎石导渗沟，起到反滤层作用并降低垫层底的水压，同时使垫层周边距钢板桩0. 05m,为垫层底部水压力提供释放通道。(6)承台施工垫层完成后进行承台施工，承台分成两层浇筑而成，厚度为5m。承台混凝土施工时，进行混凝土温度的控制及监测。(7)围堰的基坑回填及围堰拆除依次回填砂至承台分次浇筑层的顶面、承台顶面，并拆除相应层次的水平钢管支撑和围檩，并分节段施工桥梁墩身的下部至露出水面一定高度后，采用50t履带吊机配合 150kw电动式振动锤逐根拔除钢板桩，恢复河床原有的形态。经实施本发明，工程的钢板桩围堰在整个基坑开挖及桥梁承台施工过程中，围堰结构的各项应力及钢板桩的桩身变形监测数据均在允许的安全范围之内，围堰的基坑底没有发生隆起及涌砂现象，开挖过程中出现的小量涌水经采取正常的抽排水措施得到处理， 桥梁的承台施工得以按期在淮河的洪水来临之前顺利完成。本发明应用的钢板桩围堰的质量与安全稳定性能够得到保证，使工程以较低的成本和最小的施工风险来施工桥梁深水低桩承台及桥墩的水下部分，而不必采用成本较高的双壁钢围堰方案进行施工，节省了围堰作为临时工程的周转钢材用量，扩大了深水钢板桩围堰施工技术的应用范围。经财务部门核算，本工程的两个主墩承台采用钢板桩围堰进行施工的综合成本比工程投标时采用的双壁钢围堰方案节约了近180万元。详细施工步骤示意图如图2各图所示，其中图加显示在施工钻孔灌注桩后进行钢板桩插打、合拢。
图2b显示高压旋喷桩施工完成。图2c显示试抽水，堵缝止水；安装第一层围檩103、横向支撑104及角撑105。图2d显示抽水到第二层水平支撑体系的中心线以下1. 5m位置；安装第二层围檩103及横向支撑104、角撑105。图2e显示围堰内抽水、开挖，安装第三层围檩103及横向支撑104、角撑105 ；围堰内抽水、开挖，安装第四层围檩103及横向支撑104、角撑105。图2f显示围堰内抽水、开挖；割除钻孔灌注桩的剩余钢护筒，破除桩头多余混凝土 ；围堰内清基及整平，铺设承台施工的垫层；制作安装承台钢筋，浇筑承台第一层混凝土。图2g显示回填砂至第一层承台面；拆除第四层围檩103及横向支撑104、角撑 105。图池显示浇筑完成承台第二层混凝土。图2i显示回填砂至承台顶面；拆除第三层围檩103及横向支撑104、角撑105 ；分节段施工桥梁的墩身水下部分，并依次拆除第二、一层围檩103及横向支撑104、角撑105 ； 墩身施工露出水面一定高度后，可拔除钢板桩。
权利要求
1.一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构，其特征在于包括以下结构若干钻孔灌注桩，及包围于钻孔灌注桩外的钢板桩围堰，围堰的平面尺寸大于拟施工的承台平面尺寸以预留施工作业空间，及围堰之外抛设于河床表面的袋装砂，及施工于围堰之内、钻孔灌注桩外的高压旋喷桩。
2.根据权利要求1所述的围堰结构，其特征在于还包括围堰外侧的高压旋喷桩，所述围堰内侧的相邻高压旋喷桩间相互搭接0. Im,围堰外侧的相邻高压旋喷桩间相互搭接 0. 15m，内、外侧高压旋喷桩桩底到达风化岩面或进入风化岩面以下0. 1 0. 2m，标高相同， 围堰外侧的高压旋喷桩桩顶标高高于围堰内的高压旋喷桩桩顶标高。
3.根据权利要求1所述的围堰结构，其特征在于所述钢板桩底部到达风化岩面或进入风化岩面以下0. 1 0. 2mO
4.根据权利要求1或2所述的围堰结构，其特征在于还包括若干层水平支撑体系，所述水平支撑体系为围檩及支撑体。
5.一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤(1)施工钻孔灌注桩；(2)插打钢板桩、合拢形成钢板桩围堰；(3)围堰外侧抛设袋装砂进行护底；(4)进行高压旋喷桩施工；(5)抽水、开挖基坑，安装若干层水平支撑体系。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述水平支撑体系有3 5层。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述步骤( 在围堰内抽水采用分层抽取的方法，每安装一层水平支撑体系再抽下一层水；抽水时对钢板桩锁口漏水处在锁口外侧安装橡胶止水带止水；钢板桩内侧采用棉花塞缝进行堵漏。
8.根据权利要求7所述的方法，所述橡胶止水带由强磁铁与橡胶密封带构成，所述橡胶密封带的其中一面具有凸棱，凸棱棱体内设有安置孔，所述强磁铁安置于所述安置孔内， 且所述凸棱在使用状态下面向钢板桩。
9.一种低桩承台及桥墩水下部分的施工方法，其特征在于包括以下步骤(1)依据权利要求5 8任一方法的施工步骤形成围堰结构；(2)割除钻孔灌注桩的剩余钢护筒，破除桩头多余混凝土，围堰内清基整平，铺设承台施工垫层；(3)制作安装承台钢筋，浇筑承台第一层混凝土，回填砂至第一层承台面，拆除最下一层水平支撑体系；(4)浇筑承台第二层混凝土，回填砂至承台顶面，拆除倒数第二层水平支撑体系；(5)分节段施工桥梁的墩身的水下部分，依次拆除剩余的水平支撑体系；(6)墩身施工露出水面一定高度后，拔除钢板桩。
全文摘要
本发明公开了一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构，包括以下结构若干钻孔灌注桩，及包围于钻孔灌注桩外的钢板桩围堰，围堰的平面尺寸大于拟施工的承台平面尺寸以预留施工作业空间，及围堰之外抛设于河床表面的袋装砂，及施工于围堰之内、钻孔灌注桩外的高压旋喷桩。应用本发明的钢板桩围堰能使工程以较低的成本和最小的施工风险来施工桥梁深水低桩承台及桥墩水下部分，而不必采用成本较高的双壁钢围堰方案进行施工，节省了围堰作为临时工程的周转钢材用量，扩大了深水钢板桩围堰施工技术的应用范围。
文档编号E02D27/14GK102363961SQ201110358519
公开日2012年2月29日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者周翰斌, 江和明, 荣劲松, 陆广明, 陈日胜, 陈衡, 黄国忠 申请人:中交四航局第一工程有限公司, 中交第四航务工程局有限公司