通号建设集团有限公司
摘要：本文结合工程实例，对潮汐地区深水基础采用钢板桩围堰施工工艺进行了总结，解决了钢板桩焊接加长和先围囹后插打钢板桩等技术问题，具有一定的创新性和推广应用价值。
关键词：潮汐地区 深水基础 超长钢板桩 围堰
1.前言
水深超过10m深水基础围堰，通常情况下一般采用双壁钢围堰施工，由于双壁钢围堰采用的是场外整体拼装、场内船舶吊装，临时占地大、成本投资高，对河道正常通航有一定影响。由我公司施工的广东中山市福源路至阜港公路道路工程福源路特大桥的施工实践，结合本桥的水深、潮汐、航道紧张、施工场地狭窄等工程特点，从经济、技术、环保等多方面进行反复比选、论证，确定了本桥采用拉森钢板桩焊接加长后进行深水基础围堰施工。
根据以往施工经验，拉森钢板桩围堰多应用于水深为6-8m的基础围堰施工，加长钢板桩多应用于内陆河流和湖泊中的深水基础施工，在水深超过13m的潮汐地区却应用很少。我公司通过对以往类似工程进行反复调究、研究，结合本工程特点，多次组织专家进行论证、研究，应用了“钢板桩无缝对焊”和“钢板双面绑焊”相结合技术，自行设计了“杠杆悬挑系统”，建立了“河床-钢板桩-围囹-封底-河床立体式抗倾覆稳定系统”，解决了钢板桩加长焊接、钢板桩插打垂直度控制、施工过程中钢板桩围堰抗倾覆等一系列技术难题，通过在潮汐地区深水基础围堰施工实践，取得了很好的效果，充分体现了其结构简单、操作方便、占地不大、对通航影响小等特点，大大节约了投资成本，加快了施工进度，取得了很好的社会经济效益。
本文结合中山市福源路至阜港公路道路工程福源路特大桥工程实践，谈谈潮汐地区应用加长钢板桩围堰的体会。
2.工程概况
中山市福源路至阜港公路道路工程位于广东中山市三角镇、港口镇，全长6.7KM，为中山市一级市政道路工程。该工程福源路大桥全长1202.6m，跨越鸡鸦水道，该水道为珠江水系比较重要的支流，河面宽285m，水量丰富，潮汐现象明显，最大水深可达13.5m，是本工程中的重点、难点和控制性工程。
该桥原设计深水基础采用双壁钢围堰施工，由于采用双壁钢围堰需要场外整体拼装、场内船舶吊装，临时占地大、成本投资高，对河道正常通航影响大，通过反复比选和论证，决定本工程深水基础施工采用钢板桩围堰。
3.关键性技术特点
3.1.与采用双壁钢围堰施工相比，该技术结构简单、操作方便、占地不大、对通航影响小等特点。
3.2.该技术单根钢板桩长度达到24m，需对单根钢板桩进行焊接加长，在潮汐地区对拉森钢板桩进行焊接加长，对钢板桩的焊接工艺和技术提出了更高的要求，本工法单根钢板桩通过“钢板无缝对焊”和“双面绑焊”的综合应用，既保证了焊缝满焊无空隙错牙，相邻钢板间平直顺畅，又保证了钢板桩在反复冲击力和反复潮汐力作用下不被破坏、断裂。插打时相邻钢板桩焊缝采用相错布置，减少潮汐力对堰体的影响。
3.3.在插打过程中，如何确保钢板桩的垂直度是本工程施工控制的重点和难点。该技术改变了传统的 “先插打钢板桩再固定围囹”的方法，通过自行设计的“杠杆悬挑系统”，从工艺和技术上实现了“先固定围囹再插打钢板桩”的创新和突破，既确保了钢板桩插打过程中的垂直度，也保证了钢板桩围堰结构的整体性和稳定性。
3.4.从钢板桩插打完毕，到墩身出水面，大约需要2-3个月的时间，在围堰期间内，为保证钢板桩围堰的稳定性，提高钢板桩围堰结构在潮汐作用下抗倾覆和抗冲刷能力，钢板桩插打入土达到10m时，并与围囹外侧接触面逐层焊接固定，各层围囹间通过竖向连接构件相互连接成一整体，最下层围囹的下端连接构件埋入封底混凝土及河床内，建立了“河床-钢板桩-围囹-封底-河床立体式抗倾覆稳定体系”，经实践证明，该系统大大提高了围囹、钢板桩、封底混凝土的整体稳定性及抗潮汐能力，确保了施工过程中，长时间潮汐作用下深水基础施工的顺利进行。
4.工艺原理
4.1.利用杠杆悬挑原理及油顶升降、调整精轧螺纹钢螺杆实现围囹的下沉定位。
每个基础设三对防护桩（共6根），在每对防护桩钢护筒上端设双拼焊接I40a通长工字钢（长14.4m），两端悬挑超出防护桩长度各0.6m，作为围囹下沉杠杆悬挑基础构件；
在通长工字钢两端顶部各设120t高压油顶2台，油顶四周采用小牛腿与杠杆焊接固定。
在油顶顶部，分别摆放一根0.6~0.8mI40a工字钢，作为围囹下沉悬挑平衡构件，平衡构件与基础构件采用精轧螺纹钢螺杆连接，平衡构件一方面通过精轧螺纹钢螺杆与基础构件连接固定，另一方面由于油顶顶部截面积较大，可利用自重平衡稳定。另外，可通过油顶的升降与精轧螺纹钢螺杆的调整逐层实现围囹的下沉（如图4.1）。
图4.1 杠杆悬挑系统结构示意图
4.2.围囹的下沉及连接原理
精轧螺纹钢螺杆顶端固定在油顶顶部平衡构件上，穿过防护桩顶部基础基础构件，下端安装U型卡盘，将加工好的围囹固定在U型卡盘上,通过油顶的升降及精轧螺纹钢螺杆的调整逐层将围囹下沉到位。
最下层围囹应先进行焊拼施工，最下层围囹利用防护桩钢护筒作为定位桩，围囹构件与防护桩钢护筒进行焊连固定后再进行焊接拼装，并于围囹底部、顶部分别垂直围囹平面焊接竖向连接构件（I20a工字钢）；
利用杠杆悬挑系统将围囹下沉2.5m，即竖向连接构件长度，利用连接构件顶面进行上一层围囹的焊拼平面，并与上一层围囹进行焊连，同时沿上一层围囹顶面焊接竖向连接构件；以此类推，逐层完成围囹的拼装、焊连及下沉到位，直至完成全部围囹的下沉、到位。
4.3.钢板桩焊接技术
在钢板桩插打过程中，钢板桩不仅要承受反复冲击插打的冲击力作用，在施工过程中，还要承受反复冲刷潮汐力作用，钢板桩焊接技术是本工法的关键技术之一。
钢板桩焊接技术从两个方面综合考虑，一是加长钢板桩应保证其整体性，首先对钢板桩进行无缝对焊，即两根标准钢板桩进行对接焊连；二是应保证钢板桩的平整度和顺直度，在无缝对焊后对钢板桩进行双面绑焊，即在对焊接头处，采用两块钢板在钢板桩正、反两面分别进行绑焊。
4.4.钢板桩围堰抗潮汐冲刷和倾覆措施
拉森钢板桩在插打时，相邻钢板桩两两相扣；单根钢板桩长度达到24m，埋入河床深度达到10m；钢板桩与围囹间的接触面进行采用焊接连接；围囹与围囹间通过架立工字钢进行焊连；最下层架立工字钢埋入河床内，在封底混凝土浇筑完成后，并埋入封底混凝土内。
通过以上措施，确保了钢板桩、围囹与河床间的整体性，大大增强了钢板桩围堰在潮汐作用下的抗倾覆、抗冲刷的刚度和稳定性。
5.钢板桩围堰施工工艺
5.1.钢板桩围堰施工工艺流程，详见图5.1
图5.1 钢板桩围堰施工工艺流程图
5.2.施工准备
熟悉设计图纸，掌握墩台及桩基础几何尺寸；
组织施工技术人员对施工现场潮汐现象、水文条件及通航情况、地形地貌等情况进行全面调查；
通过双壁钢围堰及钢板桩围堰两种方案比选，最终确定采用加长钢板桩围堰方案；组织专业技术人员对钢板桩围堰进行总体设计，确定先围囹后钢板桩插打方案，并对围囹固定方案进行策划；
根据施工费方案和围堰设计，进行构件的采购和加工；
组织施工测量放样工作，确定墩台及桩基础位置，并设置好护桩；组织有关设备及人员进场。
5.3.栈桥及平台搭设
栈桥及平台是深水基础及围堰施工的运输通道和作业平台，在潮汐地区，首先就是要保证栈桥及作业平台能满足潮汐抗冲刷和抗浮力要求。
栈桥采用10mm厚钢板制作，基础为Φ0.53m的钢管桩（12m每节）。用I24a工字钢横向架设在钢管桩上端并进行焊接加固，再在工字钢上铺设贝雷梁和分配梁，搭设钢板形成栈桥。
水中平台根据防护桩和主墩位置插打钢管桩，钢管桩上端加工为凹型，便于固定横向工字钢，钢管桩顶端架设横向工字钢（I36a）后，对工字钢与钢管桩上端槽口进行焊接加固，再在上部铺设纵向工字钢（I36a）及钢板形成水上平台。
5.4.场地清理
对影响桩基础施工的部分栈桥、平台进行拆除和对部分钢管架进行拔除，并人工配合吊船转运清理，腾出围囹和钢板桩施工场地。
5.5.钢板桩焊接加长
本工程中单根钢板桩长度达到24m，因此需对12m的标准钢板桩采用焊接接长处理。焊接前，需对拉森钢板桩垂直度、平整度进行检查、校正以及对锁扣进行检查。
为避免在插打后出现水平的焊接通缝，钢板桩焊接采用“1+1”和“0.5+1+0.5” 两种方式，即“1根标准钢板桩+1根标准钢板桩”焊接和“半根标准钢板桩+1根标准钢板桩+半根标准钢板桩”焊接，确保插打后各相邻钢板桩焊缝相错布置，不形成水平焊接通缝。
为确保钢板桩焊接的质量能满足冲击力和潮汐力反复作用的要求，吊车配合人工采用“钢板桩无缝对焊”技术 将两根钢板桩焊接加长，然后采用“钢板双面绑焊”技术钢板桩焊接接缝处正反面采用宽20cm，厚10mm的钢板块进行满焊补强加固。
接缝焊接好后采用滴油检漏，保证密闭性，在锁扣处满涂黄油，使其在插打钢板桩时保持润滑，便于施工，又利于插打完毕后止水。
5.6.拼装杠杆悬挑构件
利用防护桩钢护筒上端摆放双拼焊接I40a工字钢（长度14.4m，悬挑两端长度0.6m）形成杠杆共三处；在杠杆上端两侧摆设高压油顶（120t，6个），在油顶四周采用牛腿角与杠杆焊接固定。采用两根I40a工字钢拼焊（长度0.6m）成悬挑构件，悬挑构件两端用氧割割穿2个洞孔（上下端孔对称），再将悬挑构件摆放油顶上端，采用精轧螺纹钢螺杆穿通上下部悬挑构件，使用螺帽加钢板垫圈固定，固定围囹支撑。
5.7.围囹加工
围囹是钢板桩围堰的基本骨架，由于潮汐地区钢板桩的插打垂直度难以控制，本工法改变传统的“先插打钢板桩后围囹”为“先围囹后钢板桩插打”的方式，先完成围囹的加工及定位。
5.7.1.围囹的焊接拼装及下沉
使用吊船吊装已加工好的围囹支撑构件，利用精轧螺纹钢及托盘吊装固定围囹构件后，再进行围囹焊拼施工，按施工顺序，首先进行第五层（最下层）围囹的焊接拼装及预焊竖向连接工字钢的施工，下沉后让出焊接作业面位置再进行第四层围囹焊拼施工，以此类推，直至完成全部五层的围囹焊拼和下沉定位（如图5.7.1-1）。为方便焊拼作业，围囹焊接作业面设于水面以上1.0~1.5m左右。
在最下层围囹拼装的同时，沿围囹构件顶部和底部，分别垂直围囹平面方向竖向焊接I20a工字钢作为连接构件（长2.5m），间距3m（如图5.7.1-2.）。
其他各层围囹利用下一层围囹焊接的连接构件的顶端平面进行焊接瓶装，并与上一层连接构件进行焊连，同时沿围囹顶部垂直围囹平面方向竖向焊接I20a工字钢作为连接构件（长2.5m），间距3m（如图5.7.1-3）。
图5.7.1-3 第三层围囹焊拼及第四、五层围囹下沉示意图
按以上图示焊拼及下沉顺序，直至完成全部五层的围囹施工和定位。
5.7.2.围囹下沉及定位方法
通过连接构件与上、下层围囹间的焊接，利用杠杆悬挑构件逐层焊接逐层下沉，直到完成全部五层围囹的焊接、加工、下沉、定位，最下层底部连接工字钢压入一定河床深度，并保证围囹的四个角基本处于一个平面上。
第一步、利用杠杆悬挑构件原理，扣紧通长杠杆构件精轧螺纹钢螺杆上螺帽，松开悬挑构件顶部螺帽；
第二步、同步启动通长杠杆两端油顶，使悬挑构件上升；
第三步、油顶到位后，扣紧悬挑构件顶端螺帽，松开杠杆螺帽，打开油压阀门减少压力，使上下端悬挑构件带动围囹及连接构件下沉2.5米，利用围囹顶部焊接的连接构件顶端平面作为上一层围囹加工平面。
第四步、利用围囹顶部焊接连接构件的顶端，进行上一层围囹的加工焊接，并将连接杆件顶端与上层围囹间进行焊连，同时在上层围囹顶部焊接竖向连接构件；
第五步、按以上方法逐层完成各层围囹的下沉、加工、拼装、焊接、下沉施工。
5.8.插打钢板桩、合拢
在围囹下沉到位后，以围囹为骨架，沿围囹外侧组织钢板桩的插打施工。
将已检查校正过焊接接长的钢板桩,使用吊车周转到施工地点，再用吊船带DZ90型震动锤按照已施工完的围囹支撑周边进行插打施工，至设计标高。为了避免急水流对钢板桩的冲击，采取先施工下游两侧，再施工下游顶端一侧，最后在插打下游一侧实行合拢。插打时必须随时检查钢板桩垂直度，发现有倾斜现象，马上调整，重新插打，确保钢板桩紧靠围囹支撑，防止倾斜。
在合拢口时，必须先根据现场合拢口长度，按照钢板桩宽度尺寸，计算出需多少根钢板桩，确保合拢一致到位。
5.9.吸泥施工
在围囹底纵横向每3m设置一个标高控制点，先下潜水员配合技术人员实测水底各控制点标高，再用吊船配合吸泥机根据实际测点标高进行吸泥施工，在吸泥过程中用测绳对控制点随时进行实测，并及时派遣潜水员下去找平基坑底标高，防止底面标高高差过大，导致封底混凝土厚度不均，发生穿底反涌现象。
5.10.封底混凝土施工
围堰封底砼采用C30水下灌注施工工艺，为了混凝土流动性好，混凝土塌落度要求控制在210-230mm。
采用Φ30cm的刚性导管，灌注水下封底砼前对刚性导管进行水密承压和接头抗拉试验，进行水密试验不应小于水深的1.3倍的压力，也不应小于导管壁和焊缝可能承受灌注砼时最大内压力的1.3倍。刚性导管布设梅花型布置，最大的流动半径距离3m。
水下封底混凝土施工在导管上安装砼储料斗，用螺栓将储料斗底部法兰盘与导管顶部法兰盘连接，固定于导管支架上。泵送砼入储料斗，首批砼储料斗容量3m3,待储料斗注满封底砼后，采用拔球方式连续灌注封底砼，砼泵车连续输送。待导管埋置深度达到0.6～0.9m时，停止灌注，拆除砼储料斗，安装砼漏斗，继续灌注，将砼储料斗移至下一导管上安装，同以上步骤进行连续施工。
5.11.围堰抽水、围囹支撑与钢板桩接触面焊接加固、设置流水槽集水井
封底混凝土施工后，根据试验室水下混凝土实验压试报告，确定水下混凝土凝固时间，再准备两台15千瓦抽水泵，24小时抽水，潜水员在封底混凝土施工前，先用止水带对围堰进行塞缝止水，再抽水过程中同步塞缝，发现有漏水现象及时补缝。
在抽水过程中，必须安排人员对围囹与钢板桩内接触面的缝隙使用小钢块焊接加固固定，减少钢板桩受水压影响，防止变形。
抽水施工完毕后，对基坑周围设置流水槽和集水井，备用一台抽水机，24小时待定施工，保持基坑无水状态再将杠杆悬挑构件实行吊船配合人工进行拆除。
5.12.拆除围囹支撑和钢板桩
待承台和墩身施工完毕至上部结构施工出水面标高，方可将围堰基坑底层填筑粗砂至第一围囹底端标高，用水夯填实，利用防护桩桩顶端（或者重新插打钢管桩作为支撑点）安装好杠杆悬挑构件，用油顶通过杠杆悬挑构件使整体围囹支撑往上得力。
痒割切断封底混凝土预埋连接件，采用吊船和震动锤先拔出河道水流下方向钢板桩，使围堰内水位线与河道正常水位标高达到一致，减少河道水流对钢围堰的冲击力，再对河道水流上方和两侧的钢板桩拔出。采用高压油顶通过杠杆悬挑构件使整体围囹支撑往上升，在水面以上采用300t吊船配合人工痒割对围囹支撑从上往下拆除。
4.结束语
本文结合潮汐地区深水基础钢板桩围堰的施工实践，解决了钢板桩焊接、围囹超前安装固定等关键性技术问题，成功实现了钢板桩围堰应用于潮汐地区的深水基础施工，经实践证明，此方案大大节约了投资成本、减少了施工临时用地、加快了施工进度，取得了很好的社会、经济、环保效益，得到了业主的广泛好评，该成果的取得，不仅能应用于潮汐地区的深水基础施工，也能应用于内陆河流湖泊的深水基础施工，具有广阔的应用前景。
参考文献
⑴蒋国亮，王昆 《钢板桩围堰在潮汐河流中的设计和施工》 《山西建筑》 2007 第19期
⑵吴俊 《钢板桩围堰施工技术在水中承台施工中的应用》《西部探矿工程》 2010 第2期
论文作者:尹育文
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/17
标签：钢板论文; 围堰论文; 构件论文; 潮汐论文; 工字钢论文; 杠杆论文; 封底论文; 《防护工程》2017年第16期论文;