引黄济临项目钢管桩内支撑体系钢围堰应用

孙忠明

(中铁十八局集团有限公司，天津　300222)



引黄济临项目钢管桩内支撑体系钢围堰应用

孙忠明

(中铁十八局集团有限公司，天津300222)

摘要：钢板桩围堰采用钢栈桥内支撑体系，既节约成本，又加快施工进度。针对引黄济临项目详细介绍一种创新型钢板桩围堰结构设计及施工工艺，该钢围堰富有创意的设计结合巧妙的施工措施取得了良好的经济效益，可以为类似水上围堰的设计和施工提供非常有价值的参考。

关键词：供水泵站；深水钢围堰；钢管桩内支撑；引黄临济项目

1钢板桩围堰、钢栈桥设计

1.1工程概况

引黄济临供水工程位于甘肃省中部临夏州境内，是临夏州“一号民生工程”，是省上督办、市州实施的全省重点水利工程。工程建设涉及临夏市、临夏县9个乡镇，主要解决临夏市45.6万城市人口、4.3万农村人口，临夏县7.1万农村人口的饮水安全及76.4万头牲畜用水问题。引黄济临工程由刘家峡水库提水，输水管线总长约40.5km，分为3线4段, 设计输水流量1.95m3/s,工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。

其中一级取水泵站为临库正向取水，泵站主要由引水暗涵、进水闸室、进水前池、主泵室、副厂房、安装间、临库侧护岸等组成。泵站主厂房为圆形竖井结构，主、副厂房及安装间呈“一”字布置，总长度58.1m，宽度21.0m。引水暗涵为现浇2.5m×2.5m×0.5mC30钢筋混凝土箱型结构，总长63m。考虑引水暗涵开挖深度大，涵身位于水面以下,故暗涵采用钢板桩围堰导流施工。

工程由于受库区水位影响，施工工期短，工期紧张，给施工增加了难度。受高水位和地形影响钢板桩支护强度高，施工规模较大。因此，必须采取应对措施。其中一项措施是合理优化钢板桩围堰施工，采用钢栈桥内支撑，增加工作面，加快施工进度，并引进90t进口大功率振动锤，极大地加快了钢板桩插打速度，缩短水下施工周期。

1.2总体设计

截水导流围堰主材采用钢板桩结构，本着综合利用、节约成本的原则，充分发挥钢栈桥作用，使栈桥既承受桥面上部施工动荷载，同时栈桥桥墩通过型钢链接形成整体结构对钢板桩围堰起到内撑作用，既保证工期、节约了成本又让出了更多的工作面，便于下一步施工。栈桥桥墩采用钢管桩结构。如图1。

图1 钢板桩围堰整体图

1.3栈桥设计

1.3.1桥面高程

根据水文地质情况，桥面高程定为：1 731m。

1.3.2栈桥布置形式

根据引水暗涵结构尺寸，钢栈桥绕暗涵环向布置，涵洞总长63m，其中深入库区段长度约40m，宽3.5m，故钢栈桥设计长度42m，宽度受暗涵开挖放坡影响按15m考虑。钢栈桥上部采用工字钢与贝雷梁组合结构，桥面下部采用钢管桩加连接钢梁结构。见图5。

栈桥深水区下部钢管桩长18m，施工采用50t履带吊提锤冲击进桩，根据入土深度和贯入度双控来验证钢管桩的承载力。

1.3.3钢结构栈桥设计

栈桥从上到下结构布置形式：

(1)栏杆采用12型槽钢，高1.0m，横穿Φ40，厚3.0mm钢管。

(2)桥跨6m，两侧桥面宽6m，进水口段桥面宽9m，桥面20a槽钢纵向布置，间距30cm，槽口朝下与下部20b型工字钢焊接形成面板结构，工字钢横向布置间距40cm。

(3)栈桥主梁桁架采用5排单层贝雷梁，跨径6m，进水口加宽段主梁桁架采用6排单层贝雷梁，跨径6m。

(4)桩顶分配梁采用双拼50工字钢横向焊接为一体，每墩设置。桩顶部先纵向固定3根双拼50a工字钢托梁，然后在托梁顶横向固定1根6m长双拼50a工字钢横梁组成桥墩(如图2、图3)。

图2 支墩平面图

图3 栈桥标准横断面图

(5)墩桩采用6根直径φ630、壁厚δ=10mm的钢管桩组成，钢管桩中心纵向间距2m，横向间距2.5m，沿纵向两排布置。桥墩纵向间距6m，深水区桩长为18m，其余桩长根据地质情况确定。为加强栈桥的稳定性，桥头及转角处做一个9根桩的板凳式强化桥墩。

(6)栈桥下部钢管桩间采用20a型工字钢做剪刀斜撑连系、加固，交叉点采用焊接连接。

1.4钢板桩围堰设计

根据水文地质情况，围堰桩面高程定为：1 731m。

本工程钢板桩围堰采用FSP-Ⅳ型拉森钢板桩，截面尺寸40cm宽、17cm厚(如图4，图5)。方案设计思路，利用搭建好的钢栈桥作为内支撑，在栈桥外缘钢管桩侧面焊接三道50a工字钢围檩，围檩安装后，则贴紧围檩由河中间转角向两侧逐根打入锁扣钢板桩，直至合拢。围檩与钢管桩间空隙采用钢楔加固。

图4 FSP-Ⅳ型拉森钢板桩

图5 钢板桩围堰布置形式

2钢板桩围堰、钢栈桥施工

2.1钢栈桥施工

施工工艺流程见图6。

2.1.1栈桥钢管桩施工

为满足施工要求，现场临库区修建一条临时便道，便于设备及材料进场。履带吊车先由便道进入栈桥桥台后就位，震动锤及钢管桩用平板拖车运至吊车后方，履带吊将钢管桩起吊，依靠导梁竖直立在桩位附近，然后吊装振动锤，将桩顶卡入龙口，合拢机械手。就位入土通过钢管桩自重和6t重桩锤的重量将管桩压到地面以下，稳定后立即复测桩位及桩身倾斜度，钢管桩平面位置及垂直度调整完成后，开始震锤压桩。钢管桩的顶部标高通过进入入土层深度和锤击贯入度两方面控制，直到满足承载力要求。

图6 钢栈桥施工工艺流程图

栈桥搭建示意图见图7。

2.1.2管桩顶部承重梁施工

栈桥钢管桩桥墩插打就位后，立即安排进行下一步桩顶横梁施工。横梁预先在加工场地下料，通过便道倒运至桥头后，用履带吊就位。

专业电焊工把钢管桩和横梁焊接，工字钢横梁上的钢挡块安装就位，贝雷梁及桥面板的卡口锁紧后，一个栈桥桥墩的下部结构施做完成。

2.1.3钢栈桥桥墩上部结构拼装

从桥台开始至终点，第一跨军用梁贝雷片在岸边开阔地拼装好，用履带吊将拼装好的贝雷梁安装至已就位的桥台和1号墩横梁上，依次并排安装另外4组贝雷梁。完成后贝雷梁之间采用槽钢进行连接固定，形成整体。第二跨则利用第一跨梁面完成贝雷梁拼装，拼装后吊装至已就位的第1、2号墩横梁上，并进行加固连接稳妥。除设置必要伸缩缝位置外，在贝雷梁就位安装时还需要将安装段与已完成安装贝雷梁纵梁端部用销子连接。军用贝雷梁纵梁加固安装完成后，由近及远逐块安装20b工字钢与20a槽钢形成的面板结构。完后面板以后，对栈桥的护栏进行施工。

图7 栈桥搭建示意图

2.1.4技术保障措施

钢栈桥布置、组拼和安装全部按要求实施。

安装技术要求：

(1)贝雷片确保完整性无残缺，贝雷梁连接用销钉必须安装到位，端头采用保险插销锁固，贝雷片与贝雷片之间用12b号槽钢连接件连接，斜撑、平联螺栓必须紧固到位。

(2)钢管桩平面偏差小于5cm，倾斜度小于1%。

(3)打桩过程中如遇到大石块，采用水上冲孔沉桩工艺及抓斗施工，将障碍物排除钢管桩轴线以外，以保证钢管桩的顺利施工。

(4)接桩：钢管桩的连接采用外拼板及接头对接焊连接，必须保证焊缝长度及焊缝饱满度要求，所用焊条强度不得小于主材强度。需接长的钢管桩对接接头必须顺直，允许偏差不大于0.5%。

(5)开始沉桩时宜用自重下沉，待桩身有足够稳定性后，再采用振动下沉。

(6)桩头采用桩帽锁不得滑动，以免降低沉桩效率，震动冲击损坏机具，桩头应尽量深入夹桩器，有足够大的夹持接触面，以免破坏桩头。

(7)振动锤和桩身轴线务必在同一垂直线上，振动锤起吊应保持垂直及夹头水平，导向排架应确保顺直。

(8)沉桩过程中应控制振动锤连续作业时间，以免因时间过长而造成振动锤损坏，钢管桩在沉桩作业过程中，必须一次完成，中途停顿不宜过久，时间过长会增加土体摩擦力，需赶在土体摩擦力恢复前完成作业。

2.1.5栈桥施工要点

(1)钢管桩剪刀撑交叉点应采用焊接连接，以减小剪刀撑抗压自由长度。

(2)栈桥制动墩钢管桩、横梁及与贝雷梁上弦杆或下弦杆应联接牢固，以承受车辆牵引力或制动力。

(3)墩顶分配梁上应设置贝雷梁限位件，以防贝雷梁横竖向位移，限位件可采用槽钢或钢板与墩顶分配梁焊接。

(4)接桩或沉桩时，应进行测量观测钢管桩顺直度或垂直度。

(5)应以钢管桩入土深度和贯入度双控的方法作为停锤标准。

(6)沉桩时做好沉桩记录。沉桩记录必须真实、准确。

2.2锁扣钢板桩施工

钢板桩工艺流程图见图8。

图8 钢管桩沉桩工艺流程图

2.2.1材料准备

采用FSP-Ⅳ型拉森钢板桩，截面尺寸40cm宽、17cm厚。在施工前进行钢板桩备料，做到早计划、早落实，备足相应材料并根据桩长在岸上加工足够数量的钢板桩。

2.2.2钢板桩拼装焊接

钢板桩安排在加工场内进行拼装焊接，按照设计要求及《建筑钢结构焊接技术规程》、《钢结构工程施工质量验收规范》中的相关规定进行焊接。焊接前设置台架等措施以保证钢管桩平直度符合要求，同时焊接过程中采取措施减少焊接变形。

2.2.3钢板桩检查

钢板桩加工成型后，先进行整理。清除锁口内杂物(如电焊瘤渣、废填充物等)，对缺陷部位加以整修。检查包括表面缺陷、长度、宽度、厚度、平整度和锁口完整性等内容。

2.2.4钢板桩等材料运输

钢板桩加工场地配备25t汽车吊进行吊装及拼装工作，钢板桩主要采用平板车倒运。钢板桩在倒运过程中不得超过两层重叠运输，而且，在装卸过程不得直接从车上掉落地面，须进行捆绑后采用滚移的方式进行卸料。钢板桩在加工厂装车后，沿钢栈桥运输到沉桩位置。

2.2.5钢板桩插打

钢板桩采用50t履带吊进行插桩，并采用能量较大的90kW的振动锤。

具体沉桩步骤：钢围堰施工设备和材料均通过便道和已搭设好的栈桥进入现场。首先50t履带吊进入栈桥，停置在需要插打钢板桩的位置，先采用吊机把预插打钢板桩直立竖在目标位置附近，钢板桩直立自稳后，改吊振动锤，振动锤吊起后移动至钢板桩顶部，采用预先在振动锤上固定的拉线配合吊车司机对振动锤位置进行调整，使振动锤下夹口对准钢板桩中心U形槽口，然后插入振动锤，合拢机械手，通过两个垂直方向的测量来调整钢板桩垂直度。在钢板桩平面位置确定，垂直度调整到位后，开始进行沉桩，在钢板桩和振动锤的自重作用下将管桩先压入土层下，固定位置，然后进行复测平面位置和倾斜度，偏差满足要求后，开始启动液压泵震锤沉桩。钢板桩桩顶标高控制依靠沉入入土层深度控制，钢板桩的插打不可一味求快，尤其是开始下桩时应边震边调，尽量地保证桩身的垂直度。

2.2.6钢板桩沉桩注意事项

(1)注意插打过程中的标高控制，偏差控制在±10cm以内。

(2)当因外力引起桩顶破损或局部变形，应割除并进行接长处理，确保顶面标高满足要求。

(3)要求平面位置偏差小于d/4，倾斜度不大于1%。

(4)桩基承载力主要以贯入度为主，标高辅助控制。

2.2.7钢板桩施工过程中经常遇到的问题及处理措施

(1)沉桩施工中经常遇到大石块或其它不明坚硬障碍物,导致钢板桩入土深度不够,该情况换用转角桩避开障碍物。

(2)插打钢板桩过程中遇到软泥地质，软泥中夹杂块石等不明障碍物容易引起偏斜，该情况下可以将钢板桩提升2m后，再下锤，往复数次，可移动石块，纠正钢板桩位置，减小倾斜量。

(3)当钢板桩倾斜度较大时,可以采用异型桩来进行纠正,异形桩需根据已插打桩身倾斜度进行加工，倾斜度不大的情况下，可以采用物理方法进行物理矫正。

(4)在软弱地基插打钢板桩时，容易将临近钢板桩带入现象，处理措施是将相邻的多根桩进行焊接成整体，并在施工桩槽口上涂抹黄油以减轻摩擦阻力。

3抽水加固

(1)工字钢角撑加固。斜向支撑采用履带吊提升，辅以手动电葫芦进行安装就位，先将下层牛腿焊接好，用电焊机焊接在钢管桩上，要满焊连接，焊缝高度为10mm,下层牛腿钢板焊接好后，用吊车把拼装好的钢架放在牛腿上立即进行焊接，将上下两层牛腿、围檩、钢管桩进行满焊，形成一个整体，围堰把围檩焊接好后，拼装横撑及角撑，起吊支撑也采用两点起吊法。

(2)安装完一层支撑后，采用大功率离心泵抽出围堰内河水。水位降到一定高度后保持水位变，立即进行第二层支撑，方法同第一层支撑。

(3)如有多处涌水，抽水进度过于缓慢，则需采取有效的止水措施，待水位得到控制后再进行水位以下施工，直至抽水形成暗涵施工干环境。

4围堰变形观测

4.1检测周期

为确保基坑稳定，根据实际情况布设观测点，对围堰的变形位移进行监测，并对围堰坑的安全稳定性进行评价，采取有效措施确保施工安全。具体措施如下：

(1)在围堰周边可靠位置埋设至少3个监测点。

(2)监测点的埋设原则：观测点埋设在结构尺寸变化段，并沿周边埋设。

(3)监测频率：在围堰拼装过程中，监测频率不少于1次/1d；引水暗涵浇注一周内，监测频率为1次/2d，后期监测频率可适当降低。

(4)在检测数据达到警报值时，应增加观测频率。

对每天观测的数据也要及时收集，并及时转交专业工程师分析，把观测得到的数据进行图标曲线分析。

4.2监测点的布置

水平位移观测点的设置：对应位置设置至少2个观测点。布置原则尽量避开障碍物、能够通视。

临近建筑物布置原则：布置在钢围堰的转角及中部位置，保证能通视。

观测点根据现场施工情况进行增设和调整，要保证观测点的稳固、醒目、有效性和不易被破坏。

4.3监测控制值

围堰监测项目主要有：支撑体系水平位移、钢板桩变形、渗漏水情况。

位移报警值(见表1)参照《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)及工程实际情况而定。

表1　本基坑监测报警值表

备注：仪器精度要求1mm；观测方法固定，测量路线一致，专人监控，不随意换人。初始值应在基坑开挖前观测，并取连续观测3次稳定值的平均值。

5钢板桩围堰拆除

主体施工完成后，先拆除钢板桩围堰，再拆除钢栈桥。拆除顺序：钢板桩先由两侧岸边进行，向水域中间推进；钢栈桥则从水域中间向岸边逐跨拆除。栈桥上部的面板、工字钢横向分配梁、贝雷梁及H型钢下横梁可用履带吊吊除，钢桩基础采用50t履带吊配90kW振动锤拔除。拆除顺序自上而下依次进行。

5.1内支撑拆除

当水中暗涵全部施工完成后，先拆除内支撑，然后利用打入设备逐根拔出钢板桩。

5.2钢板桩拔除

待围堰内支撑钢结构拆除完成后，逐根拆除钢管桩。

拔除钢板桩之前，应对拔桩顺序和时间进行仔细研究，以免震动过大，带土过多会引起地面沉降和位移，给已完工的周边结构带来危害。拔除板桩时为防止土体带出，将其抽出略高于地面时开动震锤，震动几分钟后再慢慢提升比坑底略高时暂停引拔，先用振动锤振动2min，让土孔填实一部分。

桩身就位后，先用开启震动，对钢管桩周围的土进行松动，产生“液化”，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢振拔。拔桩时特别需注意桩机的负荷情况，如发现拔桩困难或拔不上来时，应先往下施打少许，然后再往上拨，反复几次可将桩拔出来。

对存在拔桩阻力较大的钢板桩，采用短时间间断振动的方法，每次振动不少于15min，振动锤连续作业不超过1.5h。根据以往工程的施工情况，由于基坑施工中钢板桩产生的变形使得钢板桩拔除困难，若无法拔出，需派潜水员潜入水中切割，切割前上端必须用吊车扣挂稳妥方可进行水下切割作业。其必须逐根拆除，避免脱落对作业人员造成伤害。

5.3设备选用

(1)起重、运输设备。根据施工需要，起重机选用50t履带式起重机，进场汽车吊负责加工厂内钢板桩、施工机具等的吊运装车工作，材料运输以板车运输为主。

(2)钢板桩沉埋设备。根据工程量及地质情况，以及施工进度安排，钢栈桥、钢围堰的钢板桩沉埋由DZ60～90振动沉拨锤实施悬臂插打。

(3)构件焊接设备。主要包括4台电焊机、1台切割机等电焊切割设备。

6渗水堵漏措施

(1)为减少钢板桩围堰渗水，抽水过程应采取速降法，快速形成内外水压差，迫使钢板桩与钢板桩间的锁扣迅速张拉锁紧，从而达到堵漏效果。

(2)钢板桩插打前在锁口内涂刷黄油，当锁口不紧密发生漏水时，可用土工布等在围堰内侧进行填塞止漏，外侧则采用塑料布或防水布对钢围堰进行包裹，起到止水作用。

(3)围堰抽水过程中要加强钢板桩的止水堵漏措施。抽水时在贴近围堰外侧撒大量木屑，使其由水带至漏水处自行堵塞，在桩底部漏水处，可采用局部混凝土封底等措施。

(4)钢围堰止水完成后，进行基底清理工作。在施工区域开挖集水坑,周边施做排水沟，用水泵及时排除围堰内渗水。

Application of steel cofferdam of steel pipe pile inner support system in the project of bringing the Yellow River to Linxia Hui autonomous prefectures

SUN Zhong-ming

(China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd, Tianjin 300222, China)

Abstract：Steel sheet pile cofferdam with steel structure bridge inner support system not only saves cost, but also speeds up the construction schedule. According to the project of bringing the Yellow River to Linxia Hui autonomous prefectures, an innovative steel sheet pile cofferdam structure design and construction technology was introduced in detail. The creative design of steel cofferdam combined with clever construction measures has achieved good economic benefits, which can provide a very valuable reference for the design and construction of similar cofferdams.

Key words：Water supply pump station; deep water steel cofferdams; steel tube inner support; project of bringing the Yellow River to Linxia Hui autonomous prefectures

收稿日期：2016-03-30

作者简介：孙忠明(1983-)，男，天津人，工程师，大学，主要从事铁道及水利工程施工工作。

中图分类号：U443.15+9

文献标识码：B

文章编号：1673-0496(2016)02-0028-06

DOI:10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2016.02.009