内河航道水上支架平台板桩沉桩施工

2011-05-31孟宪刚李晓吉吉

东北水利水电 2011年12期

孟宪刚，李晓吉吉

（1.江苏省水利建设工程有限公司，江苏扬州225004；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）

1 工程概况

苏南运河三级航道整治吴江联丰段航道施工项目WJ1标段西岸老护岸的坍塌段加固采用板桩成墙结构，板桩断面为0.45 m×0.60 m，D1型结构板桩长19.50 m，D2型结构板桩长12.5 m。该标段航道幅面狭窄，平均宽60 m，局部宽度不足40 m，此外老护岸紧邻S227省道，车流量大，在如此狭窄的航道内使用19.5 m长板桩进行护岸施工难度很大。

2 施工方案的选定

方案一：使用大型水上专业船舶进行沉桩施工。优点：施工专业性强、技术成熟。缺点：老护岸加固需要近岸施工，施工船舶有时需要进行垂直河岸施工，对航道通航具有很大影响。

方案二：水上施打钢管桩，顶部铺设、连接拉森钢板桩，与岸上铺设的拉森钢板桩形成简易的水上支架平台，使用滚筒式桩架及导杆式桩锤沉桩施工。优点：占用施工空间小，对航道及陆上交通影响均较小。缺点：水上平台的支撑力来自于钢管桩与土之间的摩擦力，因此需要进行严密计算，并充分加大安全系数，以降低土质变化带来的风险。

由于苏南运河通航繁忙、航道幅面狭窄，使用大型水上专业船舶进行施工不仅严重影响了航道运输、更加具有很大的安全隐患。因此选择了方案二“搭设水上简易平台”的方案。

3 施工工艺

3.1 工艺流程

水上施打钢管桩，顶部铺设、连接拉森钢板桩，与岸上铺设的拉森钢板桩形成简易的水上支架平台，使用滚筒式桩架及导杆式桩锤沉桩施工。施工工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

3.2 水上支架平台承载力计算

计算依据：JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》，JTJ254-98《港口桩基规范》和该工程地质勘察报告。

3.2.1 单桩承载力计算

基本计算公式：

未进入持力层，开口桩不考虑端承载力。

桩型为钢管桩（开口），直径d＝273 mm；截面积Ap＝0.06 m；周长 u＝0.86 m。

1）第1-3土层为：粉质粘土混粉砂，侧阻力标准值fs＝17.9 kPa；层面标高为：-0.6 m；层底标高为：-1.4 m；土层厚度 li1＝0.8 m；求得 βi＝10.04×17.9-0.55＝2.054。

极限承载力 Qk1=u·li·βi·fsi＝0.86×0.8×2.054×17.9＝25.29 kN。

2）第2土层为：淤泥质粉质粘土,侧阻力标准值fs＝3.5 kPa；层面标高为：-1.4 m；层底标高为：-5.1 m；土层厚度 li2＝3.7 m；淤泥质粉质粘土取 βi＝1。

极限承载力Qk1=u·li·βi·fsi＝0.86×3.7×1×3.5＝11.14 kN。

3.2.2 受力平衡分析

桩机荷载分布区域为12 m（长）×5.6 m（宽）；桩机（桩架加桩锤）重 40 t，板桩重 13 t。

1）支架受力简图如图2所示。

2）各受力点受力计算：M1＝0，G0×2.5－F2×5＝0；M2＝0，G0×2.5－F1×5＝0；得出 F1＝260 kN，F2＝260 kN。

3）水上支架设计。

图2 支架受力简图

各种机械设备自重：单根拉森钢板桩重G1i=0.260 t；单根钢管桩重G2i=0.36 t。

安全系数为 2，即（Qk×N）÷（F2＋G1i×2＋G2i×N）=2，则求得桩数N=20。

滑动安全系数取 1.849。

3.3 水上支架搭设方法

该工程采用1台DD60导杆式桩锤和滚筒式桩架进行施工。桩机安装前，水上支架必须搭建完成（至少30 m），桩机直接安装在水上支架上，第一根桩沉入后，板桩夹具前部直接套在已沉入的第一根桩上，后部用钢丝绳吊住，确保夹具中心与板桩轴线一致后，内外用2个手拉葫芦拉紧，确保夹具不移位，不晃动，随后桩机沿着第一根板桩由前往后进行依次施工，每一根桩必须垂直插入夹具中，确保板桩轴线不偏位。

1）水上支架采用φ27.3 cm，长8 m的钢管桩(开口)，支架搭于板桩轴线外侧2.8 m水中（双排，梅花形布置），用PC220挖机压入，入土约4.5 m。要求管桩顶部标高一致，高度比老护岸岸上设置的拉森钢板桩略高20～30 cm，以防加载后岸上与水下土质不同发生不均匀沉降。管桩顶部扣上长10 m，宽0.4 m，高0.15 m，壁厚8 mm的拉森钢板桩，使用φ30 cm的木桩与钢管桩连接形成纵向、横向剪刀撑，使支架连成整体，以利于整体受力（管桩间距设定为1.2 m），支架必须平整结实不摇晃。岸上设置2根拉森钢板桩以均布受力。

2）水上支架防护。在平台北方（船舶航行方向）停靠一艘驳船，船舶抛锚并与岸上带缆连接牢固，以起到警示作用，并在万一有船舶误驶向支架平台时起到防护作用。

3）水上支架预压。水上支架平台搭设完成后，逐步进行预压，逐步放置15根8.5 m方桩（每根约2 t，总重约30 t）在支架上均匀防止使之受力；待受力平衡沉降稳定后移走方桩，竖起桩架（约35 t），在支架上进行反复行走多次；视情况装配桩锤（6 t），再次行走；最后使用两根板桩（每根重约13 t）斜向放置在支架上，进行超过最大荷载20%的预压。所有预压过程约持续2 d，过程中认真观测记录沉降量及水上平台的偏移量。

4）沉降观测。记录两排钢管桩的桩顶高程，测量仪器为水准仪，沉降观测从水上支架搭设完成好即开始，记录频率随荷载增加而相应调整，在桩架竖直后沉降观测频率为每小时观测一次，在水上平台进行最大静荷载120%预压，沉降基本稳定正常施工后，沉降观测恢复至每3 h一次的频率；记录附近建筑物的高程数据，以分析沉降变化情况，并仔细观察建筑物上是否有裂缝，以防施工造成建筑物破坏。

5）偏移观测。观测水上平台的水平位移，测量仪器为GPS测量仪，观测频率同沉降观测；观测附近建筑物的位移情况，防止施工对建筑物的地基产生扰动，造成偏移失稳。

3.4 沉桩施工方法

3.4.1 板桩起吊

1）起吊预制桩：用50 t吊车把板桩三点起吊至桩架下，松开索具，使用卷扬机的钢丝绳和索具通过桩架顶端的滑轮后捆住桩上端4 m处，吊车索具栓系住板桩下部，再起动卷扬机起吊预制桩下端4 m处（桩身抗折性能见附件），吊车主要起引导桩尖方向作用，防止桩身旋转摇摆，使桩尖垂直对准桩位中心，送入桩架的龙门导杆内，此时卸除吊车的钢丝绳和索具，使板桩缓缓垂直插入土中，位置要准确。

2）稳桩。桩就位后，在桩顶放上弹性垫层如草袋、废麻袋等，放下桩帽套入桩顶，桩帽上再放上垫木，降下桩锤轻轻压住桩帽。桩锤底面、桩帽上面和桩顶都应保持水平，桩锤、桩帽和桩身中心线应在同一垂直线上，尽量避免偏心，同时重点控制阳榫和榫槽的连线与板桩墙中心线一致或平行，以免越打越偏。

3.4.2 沉桩

打桩顺序为单一方向进行。打桩时采用“重锤轻击”。开始打桩时，锤的落距宜较低，一般为0.6～0.8 m。待桩入土一定深度（1～2 m），桩尖不易产生偏移时，适当增大落距，逐渐提高到规定的数值，并控制锤击应力保持连续锤击。

打桩入土深度的控制以标高为主。施工时，及时掌握锤的落距与入土深度之间的关系，并做好记录，接近设计沉桩标高时，要严格控制锤的落距，确保与设计桩顶标高吻合。打桩最后阶段，沉降太小时，要避免硬打，如难沉下，要检查桩垫、桩帽是否适宜，需要时可更换或补充软垫。

打桩时严禁偏打，桩锤、桩帽和桩身轴线重合，衬垫要平整均匀，构造合适。在施打过程中，对每一根桩均应适时更换新衬垫。打桩入土的速度应均匀，并连续施打，锤击间歇时间不要过长。如发现锤的回弹较大且经常发生，则表示桩锤太轻，此时应更换重的桩锤。如桩锤突然有较大的回弹，则表示桩尖可能遇到阻碍，此时须减小锤的落距，使桩缓慢下沉，待穿过阻碍层后，再加大落距正常施打，如降低落距后，仍存在回弹现象，应停止锤击，分析原因后再行处理。若发现桩已打斜，将桩拔出，探明原因,排除障碍，用砂石填孔后，重新插入施打。

当落锤高度已达规定最大值，每击贯入度小于或等于2 mm时，应立即停锤，如果此时沉桩深度还末达到设计要求，则查明原因，采用换锤或辅以射水等措施。严禁在已沉好的桩上系缆索。打桩施工前，按要求进行试桩，以确定打桩施工的各项原始参数。

在沉桩过程中，记录沉桩各项数据，注意对已打桩和周边设施及原有护岸进行保护。