钢板桩引孔围堰工艺在较硬岩地层中的应用

钢板桩引孔围堰工艺在较硬岩地层中的应用

张春林

摘 要：钢板桩围堰作为封水、挡土结构，在桥梁施工中常用于沉井顶、管柱基础、桩基础及明挖基础等的围堰。一般适用于地基覆盖层为较厚的砂类土、碎石土、半干性粘土、较软的全风化岩层等基础工程。对于较硬的强、中风化岩地层，如直接打设钢板桩，会造成板桩打入困难，变形较大，以至于影响止水效果。本文通过工程实例，采用先钻机引孔再回填土，后打设钢板桩的施工工艺，解决了板桩在较硬的风化岩地层中的施工难题，为钢板桩在较硬岩地层中的应用提供了一条可行的途径。 关键词：钻机引孔；钢板桩；较硬岩地层

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）01-0234-03

一、工程概况

九龙大桥是莲都区丽龙高速公路南山互通至丽新公路建设工程控制性工程，横跨大溪，全长622m。桥跨布置为3.5m（桥台）+5×35m（预制T梁）+（80+140+80）m（V型刚构）+4×35m（预制T梁）+3.5m（桥台）。桥梁总宽27.0m，采用左右分幅设计。

九龙大桥6#、7#主墩位于大溪河道内，基础为群桩承台结构布设，左右幅承台共4个，桩基36根，其中承台尺寸为1,120cm×1,120cm×400cm、每个承台桩基为9根，单根长30m，直径为200cm。

图1 九龙大桥施工布置图

大溪河道宽阔平直，河宽200m，河床比降1‰，河流流量随季节变化，河水暴涨暴落，冲刷深度可至基岩，属侵蚀性河流。平原区小溪流，河道弯曲，河床比降小，冲刷深度小于1米。

河道常水位57.0~58.0m，5年一遇洪水位59.5m，20年一遇洪水位63.87m。河床底标高55.0~55.5m，承台顶标高55.18m，底标高51.18m，封底混凝土厚设计为1.5m，基坑底标高49.68m，墩台施工土石筑岛平台顶面高59.5m，

收稿日期：2017-09-21

作者简介：张春林（1978-），男，浙江省隧道工程公司高级工程师。

土层名称 筑岛填碎石土

卵石

强风化凝灰质粉砂岩 中风化凝灰质粉砂岩

基坑开挖深约10m。

根据地质勘察报告，6#、7#主墩承台基坑处土层参数如表1。

表1 土层参数表

层顶标高 59.5 55.6 53.8 52.0

层底标高 55.6 53.8 52.0 35.6

容许地基承载力fa饱和抗压强度Rb

（KPa）

280 360 800

（MPa）

4-8

二、工程特点与方案比选

主墩承台基坑底位于中风化基岩中，岩石抗压强度4~8MPa，低于常水位7~8m，基坑开挖深度约10m。

基于以上工程条件，目前国内常用的围堰方案有钢板桩围堰（主要是拉森钢板桩）、锁扣钢管桩围堰、双壁钢套箱围堰等。

其中拉森钢板桩：具有轻型、施工便捷、可循环利用的优点。但柔性较大、抗侧刚度较小、变形较大，软岩地层较难打入，防水效果略差；因此围堰内支撑要特别加强。

锁扣钢管桩：施工便捷、可循环利用。刚度较大，但在软岩地层中打入困难，需引孔，成本比钢板桩大许多。

钢套箱围堰：整体性好，止水效果好，但自身重，需水下基坑开挖到位后，进行大吨位吊装作业，需较大的筑岛平台，安全风险大，且影响行洪、通航，安全风险较大，成本高，工期长。

通过以上分析，如选用拉森钢板桩，并使用旋挖钻引孔工艺，就克服了板桩打入困难，变形大，影响止水的缺点，具有成本低，功效高，工期短的优点，是本工程最佳的围堰方案。

三、钢板桩围堰设计 1．设计计算原理

6#、7#墩基础施工采用土石方筑岛+钢板桩围堰法。桩基础在筑岛平台上施工；承台在桩基完成后施工，采用钢板

第1期 张春林：钢板桩引孔围堰工艺在较硬岩地层中的应用 235 桩围堰。

钢板桩主要承受静水压力与土压力（外侧为主动土压力，内侧为被动土压力），因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力（c=0）。中风化岩地层用容许地基承载力值代替被动土压力强度值，且不计主动土压力。基坑顶均布荷载按20kN/m计，转化等效土层厚h=20/19.5=1.02m。本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。

由于钢板柱围堰的入土深度较大，进入了中风化岩，岩土体对入土部分的围堰起到了嵌固作用，此时围堰上端收到内撑的支撑作用，下端受到岩土体的嵌固支承作用。但是，由于内撑对钢板桩围堰是弹性支撑，并不是完全刚性，因此，在计算中，先假设内撑对钢板桩为刚性支撑，计算出钢板桩作用于圈梁的反力，将该反力作用在内撑上计算出钢板桩与内撑连接处的最大位移，最后对钢板桩施加强制支座位移，得出钢板桩的内力和应力。

用等值梁法计算设计钢板桩围堰，为简化计算，常用土压力等于零点的位置来代替正负弯矩转折点的位置。计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数（为安全起见，对主动土压力则不予折减），钢板桩被动土压力修正系数如表2、3。

设计计算作出如下假设：

（1）假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩。

（2）因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不计土的粘聚力（c=0）。

（3）基坑顶均布荷载按20kN/m计，转化等效土层厚h=20/19.5=1.02m。

（4）弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算。

（5）假设钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结。 （6）本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。

（7）中风化岩地层用容许地基承载力值代替被动土压力强度值，且不计主动土压力。

表2 被动土压力修正系数

土体内摩擦角

40° 35° 30° 25° 20° 15° 10° K 2.3 2.0 1.8 1.7 1.6 1.4 1.2 K’

0.35

0.4

0.47

0.55

0.

0.75

1

注：K为桩前被动土压力修正系数，K’为桩后被动土压力修正系数。

表3 主、被动土压力系数及被动土压力修正系数

土层名称 Ka Ka

Kp Kp K K’ 填土 0.406 0.637 2.4 1.570 1.7 0.55 卵石

0.333 0.577 3.000 1.732 1.8 0.47 强风化凝灰质粉砂岩

0.271

0.521

3.690

1.921

2.0

0.40

2．钢板桩选型

根据地质情况和受力分析，采用拉森Ⅵ型钢板桩，材质SY295，单根长度为12m。围堰顶高程为60.0m，高出筑岛平台50cm，围堰底高程为48.0m，进入基坑底以下中风化凝灰质粉砂岩1.68m。基坑开挖底高程49.68m，基坑深9.82m。封底混凝土设计厚1.5m（暂定）。

围堰平面尺寸为27.7×14.2m，共设置两道内支撑。 3．内围檩支撑布置

根据受力分析，围堰设计二道内围檩支撑，距钢板桩顶0.5m、4.3m各设一道。承台底部根据设计要求浇筑厚度1.5m（暂定）的C25水下封底混凝土。围檩按照四周包围形式，第一道围檩采用双拼I36a工字钢，第二道围檩焊接双拼I63a工字钢，内侧支撑均采用Ф630×10mm钢管；围檩与钢板桩之间的空隙采用废旧型钢支垫。钢支撑采用整根φ630×10mm钢管制作，尽量避免接头。当支撑钢管接头无法避免时，必须采用不小于同等厚度钢板或同型号废旧钢管切块沿接头四周进行加固。钢板尺寸不小于100×200mm，沿接头四周均匀布置8块，钢板与钢管之间严格按照焊接规范进行满焊。焊接前注意钢管轴线顺直，偏差不得大于0.5%。钢板桩围堰布置如图2、3。

图2 钢板桩围堰支撑平面布置图

图3 钢板桩围堰立面布置图（纵桥向） 四、施工工艺和方法 1．旋挖钻引孔工艺

因基坑底位于中风化基岩中，采用钢板桩直接插打，经试打，不能打入预定深度，围堰不能满足抗洪水冲击和水、土侧压力的要求，故采用钻机引孔工艺。为了缩短施工周期，采用220型旋挖钻机。

（1）先用钻机在钢板桩围堰位置施工引导孔，引导孔的深度10.5m，即开挖至桩底标高48m；引导孔采用分序跳打成孔（如图4），孔直径1.0m，孔与孔之间交叉重叠

236 中 国 水 运 第18卷 0.3~0.4m，以保证成孔的连续性。

（2）施工二序孔时，为防已施工的一序孔内填料塌孔，可在相邻的一序孔交界面处打设钢板桩阻挡。

图4 引导孔施工顺序图

图5 旋挖钻机施工图 图6 钢板桩堆放图 （3）要求引导孔施工时用震动锤和长护筒配合孔内闭水，尽量采取干挖工艺，成孔以后，立即用粉碎的中风化岩层钻渣或用碎石和粘土的混合料进行回填，并用旋挖机挤压密实，保证回填密实且有止水效果（图5）。

（4）引导孔施工部分完成后，满足钢板桩施工所需要的场地条件，即可施打钢板桩（图6）。

2．钢板桩围堰的施工工艺流程

（1）清理桩基施工平台，在靠近承台侧定位桩上焊接牛腿，安装第一道内支撑作为钢板桩插打导向围檩；

（2）按顺序插打钢板桩至合拢；内支撑完成后，即可开挖基坑。在基坑开挖到一定深度后，根据板桩变形情况和止水效果，必要时对板桩嵌岩部位引导孔内侧填料进行注浆或者挤密的方法进行加固（图7），确保钢板桩嵌岩部分既能止水，又能满足围堰变形受力要求；

图7 钢板桩围堰注浆布置图

（3）钢板桩围堰内第一次挖土至55.68m（承台上方50cm位置处）处，安装第二道内支撑，并完善第一道内支撑；

（4）钢板桩围堰内第二次挖土至承台底高程51.18m处；报请设计和监理验基坑，确定封底混凝土厚度；

（5）止水、凿桩头、桩基检测、清理基坑至设计部位，

浇筑承台混凝土垫层；

（6）待砼达到设计强度后，施工承台；

（7）拆除承台模板，在承台与钢板桩空隙间回填3.6m高砂、土混合物，顶部浇筑0.4m高砼冠梁；

（8）待0.4m高砼冠梁达到强度后，拆除第二道内支撑； （9）施工主墩V型墩第一节段；

（10）拆除第一道内支撑并拔除钢板桩，回填并清理施工场地。

五、效果分析

（1）安全性：经开挖，钢板桩止水效果良好，基坑内无漏水现象（图8），土石方在无水环境下开挖，作业方便安全。封底砼厚度为50cm即满足要求，减小了基坑深度。因钢板桩嵌入基岩，变形小，基坑监测数据显示，钢板桩变形在5mm内，安全可靠。2017年6月的一场洪水漫过基坑，经坑内抽水后检查，基坑无变形，安然无恙（图9）。

（2）工期：引孔和打设钢板桩15d，内支撑和开挖15d，凿桩头和封底砼10d。共计40d，施工速度较快，比原计划提前30d。

（3）经济性：钢板桩和内支撑在承台施工后可拔出利用，成本较低；基坑在无水条件下开挖提高了功效。

图8 基坑开挖效果 图9承台浇筑 六、结束语

采用先钻机引孔再回填土，后打设钢板桩的施工工艺，解决了钢板桩在较硬的风化岩地层中打入困难等施工难题，相较于钢套箱、锁扣钢管桩等围堰措施，具有施工速度快，不惧洪水冲刷，安全风险小，成本较低，止水效果好的优势，从本工程应用的结果看，具有较大的推广应用价值。

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