浅谈一种组合式围堰施工方案

詹彪

摘要： 某桥梁1#墩深埋承台施工采用下部钢筋混凝土+上部钢板桩的组合式围堰结构施工方案，既解决了常规围堰施工方法工期长、成本大的问题和钢筋混凝土井壁后期拆除困难的难题，也考虑了成桥后墩位处通航疏浚的需求。其施工方案的成功应用为同类型深埋基础的施工积累了宝贵经验。

Abstract： The construction scheme of combined cofferdam structure of lower reinforced concrete and upper steel sheet pile is adopted in the construction of deep-buried bearing platform of pier 1 of a bridge， which not only solves the problems of long construction period， high cost and difficult removal of reinforced concrete shaft lining in later stage of the conventional cofferdam construction method， but also considers the requirement of navigation dredging at pier position after completion of the bridge. The successful application of the construction scheme has accumulated valuable experience for the construction of deep foundation of the same type.

关键词： 钢筋混凝土；钢板桩；组合式围堰

Key words： reinforced concrete；steel sheet pile；combined cofferdam

中图分类号：TU473.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0158-03

1 工程概况

某桥梁1#墩承台为24×9.2×3.5m矩形承台（顶标高+16.0m，底标高+12.5m），墩位处原地面标高均在+26.5m左右，承台埋深高达10.5m，结合墩位处通航疏浚需要，同时考虑到钢筋混凝土井壁后期拆除较困难，经检算比选，承台施工最终采用下部钢筋混凝土+上部钢板桩的组合式围堰结构。围堰采用矩形结构设计，混凝土围堰平面尺寸为29.8m×15.4m，高度为7.5m，井壁厚度为1.6m；钢板桩井壁平面尺寸28.0m×13.6m，高9m，采用SP-U400×170型钢板桩施工；钢筋砼井壁与钢板桩之间采用内槽镶嵌的方式连接，搭接长度为0.5m。

2 施工方案

底节混凝土围堰采用就地制作下沉的施工方法，先对围堰范围内地基进行换填，制作混凝土围堰，井内射水吸泥下沉至标高+19.5m。安装钢板桩形成组合围堰，进行组合围堰内射水吸泥下沉至设计标高+10.5m。混凝土围堰壁高度方向分两次浇筑完成，一次下沉。第一次浇筑4m（含刃脚），第二次浇筑3.5m。待砼强度达到设计强度后，采用射水吸泥設备与人工相结合的方式取土排水下沉钢筋混凝土围堰。钢筋混凝土围堰下沉至顶面距离地表0.5m处，在第二节围堰井壁的预留槽内安装钢板桩井壁，采用水泥砂浆将槽内空隙填满压实，安装内支撑，采用排水、吸泥下沉，下沉至设计标高后，进行1.5m厚混凝土封底。

当封底达到设计要求后，抽水，凿除桩头，对基底进行清理，绑扎承台钢筋，立模板，布置温控设施，浇筑承台混凝土并养护。具体施工方案如下：

2.1 钢筋混凝土围堰基底清理

钻孔桩施工完成后进行场地清理，地表高程清理至+26.5m。对围堰进行测量放样定位，根据放样位置换填砂垫层，布置承垫木。

考虑现场实际地形情况，从下游向上游侧设置横向排水坡，通过地表排至墩旁河道里。

2.2 围堰垫层施工

由于地基承载力较低，为保证围堰制作时的稳定，刃脚底部采用砂垫层进行换填，以提高地基承载力。砂垫层的厚度根据整体的围堰重量和垫层底部地基土的承载力计算而定。

①砂垫层厚度设计：hs≥（G/fa-L）/2tgθ=（282/100-2）/（2×tg26°）=0.84m

式中：G-混凝土围堰7.5m高单位长度的重量（282kN/m）；

fa-砂垫层底部淤泥质粘土层的承载力标准值（100kPa，碾压后淤泥质粉质黏土）；

θ-砂垫层的压力扩散角，取26°；

L-围堰刃脚下枕木有效计算宽度，取2.0m；

hs-砂垫层的厚度（m），经上式计算得：hs≥0.84m，实际取1.0m。

②砂垫层宽度设计： B≥L+2hstanθ

式中：B-砂垫层的宽度（m）；

L-围堰刃脚下枕木有效计算宽度，取2.0m；

hs-砂垫层的厚度（m）；

θ-砂垫层的压力扩散角，取26°；

经上式计算得：B≥2.975m，实际取4.0m。

③刃脚垫木的铺设数量设计。垫木采用断面尺寸220×160mm的枕木，单根长2.5m。沿刃脚每米铺设垫木的根数n可按下式计算：n=G/（A·fa）

式中：G—混凝土围堰7.5m高单位长度的重量（282kN/m）；

A—每根垫木与砂垫层接触的底面积（m2），取0.55m2；

fa—砂垫层的承载力设计值（kN/m2），估值为中密砂，取200kPa；

因此：n=G/（A·fa）=282/（0.55×200）=2.56根。即：垫木中心间距为0.39m，取0.35m。

围堰刃脚需铺设垫木数量计算：（29.8+10.8）×2/0.35=234根。

围堰底隔墙下需铺设垫木数量计算：10.8/0.35=32根。

砂垫层分层铺设、夯实，同时进行水平测量和修整，验收合格后，定位放线，铺设枕木。

2.3 钢刃脚安装

根据设计图纸在枕木上组拼钢刃脚，现场抄垫利用75角钢焊接成三角形支架。通过测量放线，确定钢刃脚的平面位置，然后从上游侧刃脚部分开始两面对称的往向下游侧刃脚进行拼装。在拼装刃脚的过程中，随时测量和纠正刃脚的平面位置，以保证钢刃脚的顺利合拢和围堰位置的准确。

2.4 钢筋、模板及混凝土施工

钢筋混凝土围堰分两次浇筑成型，围堰内外搭设钢管脚手架作为施工人员操作平台，模板采用15mm厚度竹胶板作为面板，普通钢管作为主次背楞，根据计算间距设置对拉螺栓。围堰混凝土采用泵车泵送入模，分层浇筑，及时振捣，浇筑完成后及时进行覆盖养生。

2.5 钢筋混凝土围堰下沉

待围堰底节砼强度达到设计强度100%时，按围堰布置图安装围堰撑管。下沉前对围堰结构上的杂物进行清理，嵌补好对拉螺栓的预留孔，施工接缝外壁涂刷沥青；复核测量控制点（包括轴线和水准点），在围堰周围布置沉降观察点，围堰侧面下沉标尺刻度绘制完成，记录初始标高；在围堰北侧底隔墙处设置内外安全通道。承垫木抽垫前按设计拟订的次序用红漆对承垫木分组编号。

2.5.1 混凝土围堰下沉计算

①围堰自重：Gk1=956.82×25=23920.5kN

②摩阻力：围堰在原地面处开始下沉，原地面高程为+26.5m，下沉至顶面距离地面0.5m，此时围堰底口高程为+19.5m，下沉深度为7m。地表土层为粉质粘土层，层厚为4.0m，极限摩阻力为40kPa；以下为淤泥质粉质粘土层，极限摩阻力为20 kPa。

则井壁总的摩阻力为：Fk=（29.8+15.4）×2×[1/2×5×（1.34×0+3.66×40）/5+2×（0.34×40+1.66×20）/2]=10848.0kN

③下沉系数：围堰考虑排水下沉，则下沉过程不计浮力，则下沉系数为：k=Gk1/Fk=2.21>1.05，满足下沉要求。

④下沉稳定系数：k=Gk1/（Fk+R1）=23920.5/（10848+21696）=0.74<0.9，满足要求。

2.5.2 混凝土围堰下沉

①抽除承垫木：承垫木抽除时先抽除“定位枕木”以外承垫木，并逐渐扩大其抽除范围，最后抽除“定位枕木”。

②刃脚内外回填：当抽出承垫木出现空挡后，立即用砂回填。以后每抽出一组即应回填。回填时采用人工捣实，每层20～30mm。回填应密实，以减少围堰下沉量和定位枕木折断数量，防止围堰产生较大位移和倾斜。

③围堰下沉作业。出土方式采取人工射水、吸泥，排水下沉，出土顺序由内向外：先取靠近中间底隔墙处的土体，再取远离底隔墙的土体，严格控制底隔墙两侧井格取土面高差。

围堰起沉阶段围堰四周刃脚采用人工分层（每层20cm左右）射水吸泥，射松散的砂先集中于围堰中央，然后用吸泥机排出。起沉阶段通过水平仪和全站仪两种手段对下沉量、四角高差、偏位进行测量，及时了解下沉速度和偏差量，使围堰在初沉阶段平稳下沉，形成初沉阶段的良好轨迹，使刃脚埋在土层中，降低围堰重心。

围堰取土采用分层、均匀、对称方式进行。取土要点是：先从围堰中间开始逐渐向四周，每层射水取土厚度为0.4～0.5m，沿刃脚周围保留0.5～1.5m的土堤，然后再沿围堰井壁每2～3m一段向刃脚方向逐层全面、对称、均匀地削薄土层，每次削10～20cm，当土层经不住刃脚的挤压而破裂时，围堰便在自重的作用下挤土下沉。

围堰内吸出的砂流入泥浆池1（东下游侧），砂可回收利用，吸出的土方流入泥浆池2（东上游侧），沉淀后及时用挖掘机掏出外运，不得堆放在围堰旁，以免造成围堰偏斜或位移。围堰下沉到标高+19.5m时，需向围堰内补水，保持内外水头平衡，待汛期后再施工。

2.6 钢板桩安装及组合式围堰下沉

2.6.1 施工准备

汛期后水位下降至+24m时，将第二节围堰井壁预留槽内杂物清理干净，采用吊机从上游往下游依次对称安装钢板桩，安装时需做好钢板桩临时固定（可利用型钢或木楔将钢板桩底部与槽口间空隙临时抄死），在伸入混凝土围堰井壁范围的钢板桩外表面涂沥青隔离，并把钢板桩与混凝土井壁连接处采用水泥砂浆填充密实。待砂浆强度达到设计要求时，安装钢板桩内的支撑牛腿以及内支撑，并紧固锚固钢筋。

2.6.2 设置排水沟

测量放出组合式围堰外地面开挖的四个角桩，在地面四周边缘向外设排水沟，基坑边缘2.0m范围内严禁堆放材料、弃土，禁止机械车辆通行。

2.6.3 组合后围堰下沉计算

①围堰自重：Gk2=Gk1+G′=23920.5+1789.8=25710.3kN

②摩阻力：组合后开始下沉之前，将围堰外侧土面开挖至+23.0m处，围堰整体下沉至底口设计高程+10.5m，下沉深度为9m。此时，经围堰外侧开挖后，粉质粘土层层厚为1.84m，则井壁总的摩阻力为：Fk2=Fk1′+F′=（29.8+15.4）×2×7.5×20+129.3×1/2×5×（1.84×40+3.16×20）/5=22417.1kN

③下沉系數：组合围堰考虑不排水下沉，则下沉过程需扣除浮力fw。围堰在下沉时的下沉系数为：k=（Gk-fw）/Fk=（25710.3-11014）/22417.1=0.66<1.05，不满足下沉要求。

组合围堰考虑排水下沉，则下沉过程不计浮力。围堰在下沉时的下沉系数为：k=Gk/Fk=25710.3/22417.1=1.15>1.05，满足下沉要求。

④下沉稳定系数：k=Gk/（Fk+R1）=25710.3/[22417.1+（29.8+15.4）×2×（0.4+0.6）×240]=0.58<0.9，满足要求。

采用水力机械吸泥排水下沉。围堰水力机械施工的主要特点是利用高压水柱射水对井内土体进行切割、冲刷、搅动使土形成泥浆，同时由吸泥泵将泥浆及土的碎块吸排至井外，使围堰下沉。围堰下沉过程中，做好围堰下游侧栈桥沉降观测，发现异常，立即停止下沉施工，并向项目安质工程师、技术负责人和监理工程师汇报，未采取有效防护措施前不得继续下沉。

2.7 围堰封底

2.7.1 封底技术措施

当围堰下沉至距设计底标高10cm时，停止井内挖土和排水，使其靠自重下沉至或接近设计底标高，经过2～3天下沉稳定或经观测在8h内累计下沉量不大于10mm时，即进行围堰封底。

封底前先对井底进行修整使其形成锅底形状，整理好锅底和清除浮泥，对新老砼接触面凿毛清洗，再从刃脚向中心挖出放射形的排水沟，内填卵石成为排水暗沟，在中间部位设2～3个集水井（深1～2m），井间用盲沟相互连通，井内插入？覫600～800mm、四周带孔眼的钢管，四周填以卵石，使井底的水流汇集在井中，然后用潜水泵排出，以此保证围堰内的地下水位低于基底面0.5m左右。

混凝土封底一次浇筑、分格、逐段、对称进行，不得中途停顿，避免产生施工缝而造成渗漏现象。素混凝土封底的同时集水井不得填埋，排水工作继续进行，以保证混凝土在终凝前不渗水。素混凝土封底表面应平整。

封底混凝土浇筑后进行自然养护。在养护期内，继续利用集水井进行排水。待底板混凝土强度达到70%并经抗浮验算后，再对集水井进行封堵处理。集水井的封堵方法是：将井内水抽干，在套管内迅速用干硬性的高强度混凝土进行堵塞并捣实，然后上法兰盘用螺栓拧紧，或用电焊封闭，上部再用混凝土垫实捣平。

2.7.2 封底混凝土计算

封底混凝土在围堰下沉就位后施工，其主要受底部水的浮力及其自身的重力荷载作用。

围堰封底混凝土施工时按枯水期水位考虑，取地下水位高程为+22.0m计算。则封底混凝土所受浮力为：FW=（22-11）×10=110kPa，封底混凝土厚度为1.5m。

扣除封底混凝土自重后受力：F=FW-G=110-34.5=75.5kPa

从计算结果可得混凝土最大拉应力σ=0.39MPa<[σt]=0.67MPa，满足要求。

3 方案执行情况评价

组合式围堰施工过程中严格控制各关键工序，取得了较为明显的效果：围堰抽垫采取边抽支垫边回填密实；围堰取土下沉过程采取分层对称均匀取土，先取隔墙处土体，保持沉井下沉中，隔墙处于悬空状态，同时根据地质情况采取动态控制，采用排水取土和水下吸泥相结合的方法进行沉井下沉，有效防止了基底隆起或流砂等情況引起沉井倾斜以及对相邻结构物造成不利影响；围堰下沉全过程测量监控，围堰纠偏控制做到了勤测、勤纠，下沉全过程将围堰偏位很好地控制在允许范围内。

4 结束语

组合式围堰结构结合沉井工艺的施工方案，将深埋承台施工复杂工艺变得简单可控，节约了工期和施工成本，同时也解决了钢筋混凝土井壁后期拆除困难的难题和成桥后墩位处通航疏浚的需求。其施工方案的成功应用为同类型深埋基础的施工提供了借鉴经验。

参考文献：

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