阜六铁路深水基坑拉森钢板桩围堰施工技术

李遥

摘要： 新建阜六铁路颍河特大桥，跨颍河主航道连续梁47#主墩深水低桩承台基础，为20根Φ2.0m钻孔桩，桩长86m。承台为二阶形式，第一阶承台平面尺寸为24.6×19.3m，厚4m；第二阶承台平面尺寸为13×10m，厚2m。结合工程实际，主墩承台基础深基坑采用韩国拉森IV型小锁口钢板桩围堰施工，围堰设计为矩形形式，长28m、宽22.4m、深19.2m，桩长30m，目前是國内首例超长拉森钢板桩大体积深基坑围堰施工。本文通过对颍河特大桥主墩拉森钢板桩围堰施工过程进行归纳总结，为类似的深基坑围堰支护工程提供有益的参考经验。

Abstract： The foundation of the deepwater low pile for the 47th main pier of continuous girder of the main channel of the Yingge River of the newly built Fuyang-Luan Railway Yinghe River Super Large Bridge is 20 Φ2.0m bored piles with a length of 86m. The platform is in the second-order form. The plane size of the first stage platform is 24.6×19.3m， and the thickness is 4m. The plane size of the second stage platform is 13×10m and the thickness is 2m. In combination with the actual project， the deep foundation pit of the main pier foundation is constructed using the South Korea Larson Type IV small-lock steel sheet pile cofferdam. The cofferdam is designed in the form of a rectangle with a length of 28m， a width of 22.4m， a depth of 19.2m and pile length of 30m. It is the first large-scale deep pit excavation of Lason steel sheet pile in China. This paper summarizes the construction process of the Larsen steel sheet pile cofferdams of the main pier of the Yinghe River Bridge， and provides useful reference experience for the similar deep foundation pit cofferdam support project.

关键词： 深水基坑；拉森IV型钢板桩；围堰

Key words： deep water foundation pit；Lassen type IV steel sheet pile；cofferdam

中图分类号：TU753.62 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0177-04

1 工程概况

1.1 概况

新建阜六铁路颍河特大桥位于阜阳市境内，在颍东区与颍上县交界处跨越颍河；起点里程为DK7+303.24、终点里程为DK12+843.4，桥全长5540.16m。桥梁按客货共线铁路160km时速设计，同时预留200km时速条件。

颍河特大桥跨颍河航道连续梁47#主墩位于主航道内距岸边约38m，常水位时，基底施工水深分别为10.0m和10.5m。桥址处颍河河道弯曲、岸陡、流缓，主河道水面宽180～210m；施工期河床水深6.5～11m。承台基础设计为20根Φ2.0m钻孔灌注桩，桩中心间距5.3m，桩长86m。承台为深水低桩基础，分为二阶承台，第一阶承台横桥向宽24.6m，顺桥向宽19.3m，厚4m；第二阶承台横桥向宽13m，顺桥向宽10m，厚2m。承台底标高11.370m，承台顶标高17.370m。承台施工需设钢板桩围堰支护。

主墩深水低桩承台基础集大孔径、钻孔深度大、承台体积大以及水上平台施工为一体，施工难度较大。

1.2 水文地质情况

水文：颍河为淮河一级支流，流经阜阳市的界首、太和、颍东、颍泉、颍上等区县，于颍上县沫河口汇入淮河。区内降水具有短时间降水强度大的特征。主汛期一般在6～9月份，11月至翌年2月为枯水期。由于有下游颍上闸和上游阜阳闸的节制，河水位变化不大，水位常年标高在23.45m左右。在该区域地表水位较高，平均水位在24.6m左右。

桥址处颍河百年一遇设计洪水位为H1/100=32.84m，最大流量5160m3/s，最大流速1.79m/s；五年一遇设计洪水位为H1/5=27.5m，流量1900m3/s，断面平均流速0.97m/s，经查阅颍河的水文资料，桥址处最近十年内的平均水位均小于26m。

地质：桥址位于阜阳市颍东区、颍上县境内属淮河冲积平原，其中DK10+667前为颍河一级阶地，后为淮河二级阶地。桥址区跨颍河河床、漫滩及一级阶地、堤坝、淮河二级阶地等微地貌。地势平坦开阔，海拔高程26.5～29.5m。根据野外鉴别及室内试验结果，勘探范围内岩土层自上往下划分为八个大层和若干亚层，其中①～②层为第四系全新统，③～⑥层为第四系上更新统，⑦层为第四系中更新统，⑧层为第四系下更新统。（图1）

2 施工方案的选定

深水基坑承台基础施工常采用双壁钢围堰、有底套箱、无底套箱及钢板桩围堰等施工方案，结合本工程桥址处地质土层及地理位置、水文条件、航道通航要求、施工工期要求以及成本控制等情况，选择矩形钢板桩围堰施工，其优点相对于双壁钢围堰及套箱施工具有：节约大量的人力、物力及财力，经济适用、施工简单、可大大提高施工效率缩短工期等优点。

3 主要施工方法

根據地方环保要求、河道通航要求以及现场河道地质、河流深度等条件，深水基础施工设施主要由施工钢栈桥、钻孔平台以及钢板桩围堰三大部分组成，本文主要探讨钢板桩围堰施工技术。

3.1 钢栈桥及平台

47#墩位距岸边约38m，须在河道两侧设置栈桥与岸边的便道连接，作为施工机械设备、材料及人员往来运输的通道。栈桥布置在线路前进方向的左侧，并在横桥向设两条临时施工平台，以形成“F”形式工作区域，桥面宽9m，钢栈桥长66m，具体布置如图2所示。

钢栈桥下部结构采用Φ420钢管桩，每排4根，入土深度不小于10m，钢管桩顶部设2I32双拼工字钢作分配梁，剪刀撑采用[8，交叉点采用焊接连接。上部结构依次为：桥面板宽9m采用厚10mm钢板；纵梁采用H10型钢，按照30cm间距布置；横梁采用I32工字钢，间距按照150cm布置；主梁采用三排单层321贝雷梁。

3.2 钢板桩围堰设计

结合本工程承台结构尺寸和围堰支撑体系构件尺寸以及承台施工人员操作空间，并考虑颍河通航最小宽度80m等各种因素，钢板桩围堰为矩形，平面尺寸为28m×22.4m（如图3）。钢板桩采用韩国拉森IV型小锁口钢板桩，桩长30m，在国内尚属首例超长拉森钢板桩大体积深基坑围堰。钢板桩顶标高28.36m，钢板桩底标高-1.64m，钢板桩桩尖在封底面以下不小于9.0m。在围堰顶面以下5.3m的位置沿钢板桩内侧设置I30a工字钢，工字钢长度12m，入封底混凝土面以下30cm，工字钢与拉森桩点焊连接，焊点间距30cm。

围堰从上到下设六道支撑（如图4所示），最上面一道为第一道，从上往下依次排序。第一道、第二道和第三道的围囹和内支撑均为H40c组成，第一道、第二道和第三道支撑中心标高分别为17.46m、24.46m和21.46m。第四道、第五道和第六道的围囹和内支撑均为双拼H40c型钢组成，第四道、第五道和第六道支撑中心线标高分别为18.66m、15.86m和13.36m。

4 施工工艺流程

围堰施工具体工艺流程：材料准备→测量定位→安装导向架→插打拉森桩→合拢→安装围囹支撑（依次从上往下）→封底→承台（砂夹石回填→拆除围囹支撑（从下往上）→墩柱施工→拔除拉森桩。

4.1 拉森钢板桩施工

4.1.1 设备、材料准备、制作

根据施工方案设计要求，围堰拉森桩长30m，采用两根15m桩对接。采用气包焊对接焊，另外在拉森桩外凸面绑焊20mm厚钢板。

根据桩位地质情况，在钢板桩的入土深度范围内，共四个大层和若干亚层，其中①～②层为第四系全新统，③～④层为第四系上更新统，从上至下土质依次为粉砂、粉质黏土，中间部分夹杂有粉土。其中粉质黏土基本承载力σ=220kPa，极限摩阻力fi=63kPa。钢板桩打设选用DZJ-90型振动锤。

4.1.2 插打钢板桩

根据设计施工方案，首先测量定点放出拉森桩具体线位，利用钻孔平台外侧周边钢管桩作为钢板桩外侧定位桩，用I36工字钢焊接安装作为钢板桩插打内外导向框架，使钢板桩沿导向架垂直打入。插打钢板桩定位桩时， 利用50T履带吊将振动锤与30m拉森桩垂直吊起，将桩固定垂直后再进行插打。第一根定位桩插打合格后，再另一侧依次插打钢板桩。在插打过程中，随时检查插打钢板桩是否偏差，存在偏差后及时调整，做到“插桩正直，有偏即纠，分散偏差，调整合拢”的原则进行纠正。

钢板桩打设前对锁口进行检查，确保无开裂、扭曲、局部变形及焊瘤等情况，插打前或插打过程中在锁口内涂抹黄油用来止水的同时起到减小锁口摩擦阻力的润滑作用。在整个钢板桩围堰施工打设过程中，开始时插一根打一根，将每一根桩打到设计位置，插打时注意焊缝必须错开。转角桩根据围堰转角位置尺寸及角度，将一片钢板桩沿长度方向切割开焊在另一钢板桩上，现场焊制成所需的任意角度的异形桩。快合拢时，剩下最后5根桩时，先将钢板桩安插就位后再打设，若合拢有误，需加工异形桩插打合拢或在围堰钢板桩外1～2m位置插打3～5m长的U形燕子窝形式合拢，燕子窝内用粘土夯填，避免合拢处受力变形从缝隙里渗水或流沙。

钢板桩采用“屏风式”设计，打设顺序按照从南侧沿上游往下游，再东侧、北侧、西侧最后在南侧合拢。

4.2 围囹支撑安装流程

4.2.1 施工流程

原设计为第一道围囹支撑安装后，开始吸泥清淤直至8.86m灌注水下封底混凝土。然后再抽排水，安装第二道及后续围囹支撑。根据现场对拉森桩围堰桩顶位移变形、杆件应力的监控数据分析，围堰变形比较稳定，改为先安装支撑，最后干封封底混凝土。其施工工序为：①钢板桩插打完毕后，安装第一道围囹支撑，支撑中心线标高27.36m。②抽水至标高23.56m，安装第二道围囹支撑，支撑中心线标高24.46m。③抽水吸泥至标高20.56m，安装第三道围囹支撑，支撑中心线标高21.46m。④抽水吸泥至标高17.76m，安装第四道围囹支撑，支撑中心线标高18.66m。⑤抽水吸泥至标高14.96m，安装第五道围囹支撑，支撑中心线标高15.86m。⑥抽水吸泥至标高12.46m，安装第六道围囹支撑，支撑中心线标高13.36m。⑦抽水吸泥至封底标高10.36m，浇筑封底混凝土。⑧凿除桩头清理杂物，进行承台、墩身施工。在承台施工过程中，用砂夹石回填基坑，进行支撑体系转换。⑨墩身施工完毕后，根据现场后续施工要求，决定拆除围堰的时间。

4.2.2 围堰内抽水清泥

结合本工程基坑深、基坑大、地质土层多样性、施工工期紧、安全质量要求高等特点，针对不同地层地质情况在抽水清泥上采取多种方法同时进行，具体采用：大功率砂石泵5台、高压水泵5台、自行设计加工的超大功率潜水砂石泵、小型挖掘机2台、泥砂抓斗、泥砂吊箱以及多台起吊设备同时配合施工。根据围堰支撑施工工序，逐层抽水安装，围堰漏水时，主要在锁口接缝处，采用旧棉絮在围堰内封堵，同时在外侧用钢管将锯木和砂的拌合物送至漏水处以及用塑料薄膜封堵。

4.2.3 支撑安装

因围堰基坑长28m宽22.4m深18m的超大基坑，支撑用量较多且单根长度较长，结合本围堰支撑设计，按照从上至下的安装顺序，在第一道以后的支撑杆件将很难下放就位，对此，根据设计图尺寸预先在后场加工，在第一道围囹安装就位后，分别将第六、第五、第四、第三及第二道的H型钢围囹下放至基坑内，用钢缆绳固定在拉森桩上，利于后续施工。由于原设计围堰内部8根双拼[20槽钢竖向支撑，支撑刚度较小且不利于DZJ90振动锤打插，后改用H40c型钢支撑。（图5围堰施工图）

围堰支撑安装，根据测量标高，在拉森桩上定位焊接牛腿支撑，用履带吊吊装就位。围囹必须紧贴拉森桩，若钢板桩变形存在间隙，需用钢垫片等支垫密贴。支撑连接采用气包焊焊接。

4.2.4 灌注封底砼

封底混凝土采用C20标号，原设计为水下封底混凝土厚2.5m。根据现场实际情况，围囹支撑结构稳定、安全可靠，基底土质全部为粉质黏土，土层密实、不透水、不涌水，整体承载力较大，故将水下封底改为干封，混凝土厚度改为1m，混凝土标号改为C40。由于基坑较大，一次性全部清底将需较长时间且存在很大的安全风险，故采取分两半两次封底，增大了安全质量的保障性，并且大大缩短了围堰施工时间，如图6。

混凝土由自建拌和站拌制，混凝土输送车运输，两台汽车泵泵送。由于基底存在一层泥浆，为确保混凝土浇筑质量，在混凝土浇筑前，在基底排放竹篱笆（如图6），混凝土从较高位置浇筑，将泥浆渐渐挤至集水坑，采用砂石泵将其抽出。封底混凝土的强度达到90%以上时，进行桩头凿除和后续承台施工。

4.2.5 承台施工

根据施工技术规范相关要求，第一阶承台属于大体积混凝土施工，在混凝土施工中应当采取相应措施避免因水化热所引起混凝土温度裂缝的出现，而影响质量。另外，围堰第六道支撑与第一阶承台存在位置冲突，如果第六道支撑不拆除，承台采用一次浇筑情况下，围囹的内支撑将被浇筑在承台中，这样会影响支撑周围以及双拼H型钢内部混凝土的浇筑质量。再则，由于承台结构较大，在围囹支撑交错有限的空间内绑扎钢筋及安装模板，与无任何障碍下施工相比较存在较大的困难，所需的时间相應增加，对整个围堰安全要求就相应增高，以及拌合站在生产1899m3混凝土的能力有限等因素，将影响大体积混凝土浇筑质量，为此，决定在施工快捷、安全、保质的原则下，采取第一阶承台分两次浇筑，即第一次浇筑2.2m标高为13.56m；第二次浇筑1.8m标高为15.36m。

一阶承台底层混凝土浇筑完成模板拆除后，用砂夹石回填承台四周基坑，浇水使其自密实，以起到支撑体系的转换，然后拆除第六道支撑。在拆除支撑过程中，按照支撑安装时的相反顺序操作，同时安排专人对安装在第四道、第五道围囹内支撑上的应力测试元件进行观测，以及钢板桩桩顶位移变化观测，随时掌握支撑受力变形情况及钢板桩位移变化情况，严格按照设计方案上规定控制应力及位移范围进行监控。

5 施工过程中的问题及处理方案

5.1 拉森桩施工过程中出现的问题及处理方案

原设计拉森桩采用两根15m桩对接，单根桩长30m。在插打施工过程中，钢板桩入土深度约12～13m以后，钢板桩进尺缓慢，桩身振动较大、变形明显，为了确保围堰整体质量安全，停止打桩施工，安排将插打变形的拉森桩拔出换桩再打。立即组织现场技术人员和操作工人进行研究分析，对原方案进行重新审核，同时查阅大量同类工程相关资料、请教施工经验丰富的打桩工人。

经研究分析存在以下原因：①设计地质与实际地质情况不一致，实际地层土质的摩阻力较大；②钢板桩的长细比较大，致使刚度减小；③拉森桩的入土深度较大约20m。针对上述原因，只有加强拉森桩的整体刚度，最终讨论决定采用在围堰顶面以下5.3m的位置沿钢板桩内侧添加12m 长的I30a工字钢。经过调整后的方案，拉森桩插打恢复正常。

在基坑围囹支撑安装过程中，发现有局部钢板桩存在偏位倾斜现象，越向下偏位越大。回顾打桩过程，在插打时曾出现桩偏位现象，及时用手动葫芦进行纠偏。但在基坑施工中发现仍存在偏位情况，经综合分析，由于本工程钢板桩较长，打入深度较深，地层地质复杂，只采用一道导向架施工，是导致拉森桩偏位的主要因素。为此，在钢板桩打设施工中，必须严格控制钢板桩垂直度，采取双轴向控制。在条件允许情况下，尽可能增设双层或多层导向架，偏差在1%以内，确保钢板桩围堰整体刚度和止水效果。

5.2 基坑内止水、抽水吸泥过程中存在的问题

在围堰内抽水清泥过程中，拉森桩合拢处多次出现漏水，主要是由于拉森桩合拢处采用U型燕子窝形式合拢。由于清泥过程长，内外水压差逐渐增加拉森桩产生微小变形，桩与桩之间出现细小缝隙，同时燕子窝内部土体与钢板桩之间也出现间隙，致使燕子窝外界水与燕子窝内部水体形成通路，在围堰内外压差作用下，水将燕子窝内的泥土从缝隙中带入围堰。每次漏水后，围堰内外水位一致后，用土袋重新填筑燕子窝，并用振动锤振动夯实。待稳定后开始抽水清泥，抽水至漏水位置处，用20mm厚钢板将漏水两侧钢板桩焊接，钢板桩缝隙内用旧棉絮填堵密实。经此方法处理，最终将水全部止住，并顺利封底。

6 结束语

本文根据现场实际情况对颍河特大桥深水基坑施工方案进行优化，并对过程中遇到的问题进行综合分析和总结，为今后类似深水围堰基坑施工积累经验。由于深水拉森桩围堰基坑施工作者尚属首次，知识浅薄，本文中不足之处，恳请读者给予批评指正。

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