铁路客专深水承台基坑钢板桩围堰与井点降水施工工法[详细]

1、大管井定点降水法、无封底砼、钢板桩围堰深水承台施工工法新建XX至XX铁路客运专线XX特大桥位于XX市既有XX线下游50米处、道外区松北区之间XX干流中,全长3065m。跨江部分36#墩41#墩主桥桥跨为77+3156.8+77m四线系杆拱连续梁,位于XX主河道中,平均水深10米。其中39#承台尺寸:24.9m*40.8m*9m,承台顶面标高为111.7米,承台下为40根钻孔桩,桩直径2米,桩长87米。水面常水位标高:116.5m；39#河床面标高105.2m。其它水中主墩情况与39#墩基本相同。XX客专为中国第一条严寒地区修建的铁路客专工程,XX大桥为全线的控制工程,施工受季节影响大且无同类桥

2、梁施工经验可供参考,工程规模大、工期紧、技术复杂、质量要求高。1、承台位于江、河主河道中,水深流急。桥位处有石笼等水中不明障碍物,施工过程中对新桥基础的钢围堰施工产生很大不利影响,提高了施工难度。2.2围堰平面尺寸大,开挖深度深,基底位于水面下15米以内。2.3河床面高,基底位于河床面下,围堰施工后需先抽砂、再施工围囹、支撑,增加了施工难度。2.4河床下为砂层,无隔水层,基底透水量大,河床变化复杂,对围堰施工、围堰内降水提出了很高的要求。3、适用范围跨江、跨河桥梁及水利等深水中结构物,水深15米以内,河床下为砂层,基底以下无隔水层,基底透水量大,需围堰辅助施工的水下结构物施工。4、工艺原理本方

3、案的主要思路为通过基底下土层的渗透系数、基坑总涌水量的计算,进行基础降水、围堰方案设计,以达到取消封底砼、无水条件下进行承台施工目的。共涉及4项关键技术,分别为:降水方案,井点布置原则,围堰施工方案,不设封底砼。4.1降水方案 钢板桩围堰法施工水中基坑时,如果基底下有隔水层,钢板桩穿透隔水层后抽出围堰内水即可施工承台；如果无隔水层,且土层渗透系数较大时如采用基坑内明排抽水,坑底下面的土在动水压力作用下悬浮失去稳定,变成流动状态,随地下水一起涌进坑内,发生流砂现象。此时主要措施是采用井点降水,使水位降至基坑底0.5米以下,使动水压力减小和方向朝下,坑底土面保持无水状态。常用的基坑降水方法有:轻型

4、井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水和大管井井点降水四种方法。其中大管井井点系由滤水井管、吸水管和抽水设备等组成,具有井距大、易于布置、排水量大、降水深和降水设备、操作工艺简单等特点,适用于渗透系数大、土质为砂类土、地下水丰富、降水深、面积大、时间长的降水工程中应用。大管井井点降水方案中,管井的间距、深度,水泵的型号根据基底下土层的渗透系数、基坑总涌水量确定。每个井点应根据排水流量选用潜水电泵,排水量要大于设计值的20%,每井一台水泵,并带吸水铸铁管,配一个控制井内水位的自动开关,在井口安装阀门调节流量的大小。4.2井点布置原则根据基底下土层的渗透系数、基坑总涌水量确定井点布置原则。土的渗透系

5、数是计算基坑和井点涌水量的重要参数,可在现场通过抽水试验确定。在围堰内设置抽水井一个,观测井一个,深度均为水面下25米,间距8米,用水泵匀速抽水,水面稳定时测量抽水井、观测井水面深度,根据抽水的水量Q计算渗透系数K值。渗透系数K:其中Q为抽水量,r为抽水井半径,r1为观测井至抽水井的距离,h1为观测井水位,h为抽水井底标高算起的完全井的动水位。H为含水层厚度。经现场试验测得各参数数值如下:r=0.6m,r1=8m,H=30m,h1=22.5m,h=20m,Q=3600m3/d；经计算渗透系数K=27.8m/d。4.3基坑群井涌水量计算多个相互之间距离在影响半径范围内的深井井点同时抽水时的总涌水

6、量按下式计算:式中S为井点群重心处水位降低值,为各井点至井点群重心的距离,抽水影响半径R中砂时取100米,H为含水层厚度。-3-由于基坑长宽比小于5,基坑按假想半径为x0的圆井进行计算根据围堰平面尺寸需采用22台水泵,则每台水泵功率最小为:,因最初涌水量较稳定涌水量大,实际涌水量应增加20%,同时考虑到水泵效率70%及各点涌水量不均匀系数,实际选用22台150水泵抽水。井点布置方案:沿基坑周围均布布置18眼,承台纵轴线上布置4眼,井点深入承台底以下12米,总井深26米,直径0.6米,间距8-9米,每眼井采用22个150T/h水泵降水。43围堰方案4.3.1围堰方案设计-5-39#围堰钢板桩长1

7、9m,钢板桩顶面、底面标高为116.5、97.5米,水面标高按116.50m计,河床面标高为105.20m,承台底标高为102.70m,围堰内设22眼大管井井点降水配合施工,无封底砼,承台底砼垫层厚0.2米。围堰内设四道内支撑,围囹采用工字钢,内支撑采用609钢管和820钢管,壁厚12mm,支撑间距4米,具体位置见下图。4.3.2确定内支撑布置间距内支撑按等弯矩法布置,此方法将支撑布置成使板桩各跨度的最大弯矩相等,且等与板桩的允许抵抗弯矩,以充分发挥板桩的抗弯强度,并使板桩材料最经济。a、根据SX-27钢板桩允许抵抗弯矩计算桩顶部悬臂部分的最大允许跨度h:由所以:式中板桩抗弯强度设计值本例中:

8、 板桩墙后的水的重度 主动土压力系数,对于水,此项取1.0b、计算下部各层支撑的跨度,把板桩视作一个承受三角形的连续梁,各支点假设不转动,即每跨两端固定,可知各支点最大弯矩均为时各跨跨度。有:,本例中,对于39#墩当板桩后为水时,本例中,在水面标高处即悬臂端顶端增设了一道支撑,是偏于安全的考虑。根据承台、板桩标高关系及施工方便考虑,实际取值为:,。4.3.3、采用等值梁法进行钢板桩计算原则:a、计算作用于钢板桩上的土压力强度,并绘出土压力分布图。-8-b、计算钢板桩上土压力强度等于零的点离挖土面的距离y。为简化计算,常用土压力强度等于零的位置来代替正负弯矩转折点的位置。c、按超静定梁计算等值梁

9、的最大弯矩和各支点反力。d、根据FN和墙前被动土压力对钢板桩底端的力矩相等的原理求得x,计算钢板桩的最小入土深度t0,t0=x+y,实际钢板桩的入土深度取t=1.2t0。其中:“Pb”为钢板桩外侧计算截面处水、主动土压强；、为计算截面处水、土高度；“y”为等值梁支点至围堰内土层顶距离； K为被动土压力修正系数,当土内摩擦角时,K取1.8；“FN”代表等值集中荷载。“主土”代表主动土压力；“”代表饱和土压力。4.3.4、采用等值梁法时特别注意事项:1、计算土压力强度时,应考虑板桩墙与土的摩擦作用,将板桩墙前的被动土压力乘以修正系数K,为安全起见,对主动土压力不予折减。2、如果围堰在主河道中或地下

10、水位以下,围堰内、外土应考虑地下水共同作用下计算土压力强度,本例中采用水、土合算法计算主动、被动土压力。3、等值梁法计算最小入土深度过程中,根据对板桩底端的力矩相等的原理求x值时,简图中的主、被动土压力应取土压力强度为零点(即F点)以下的土压力进行计算,而不是取板桩内、外全部主、被动土压力计算,这是一般技术人员计算板桩长度容易出错的地方,导致计算后的板桩长度远超于理论长度,增加施工难度,并造成不必要的浪费。用等值梁法计算板桩是偏于安全的。通过计算分析,最终39#围堰方案为:围堰采用19m长钢板桩,型号为sx27,钢板桩顶面、底面标高为116.5、97.5米。围堰内设四道内支撑,顶层采用砼围囹,

11、截面尺寸:0.7米*1.2米,其它三层围囹采用工字钢,内支撑采用609钢管,壁厚12mm,支撑水平间距4米。4.4不设封底砼根据现场实际水文、地质情况分析,通过合理选择围堰方案和降水方案,确保降水后水面在承台垫层下1米以下,避免了以往施工中用封底砼封堵压力水的做法,变堵为疏,用降水井降低围堰内水头高度,确保围堰内无水环境下施工,减少了5米厚封底砼6500m3,相应的减短了钢板桩长度。在施工过程中承台基底无漏水、无明显变形,在确保安全的前提下,降低了工程造价,加快了施工进度。5、施工工艺流程及操作要点5.1施工方法根据本桥特点及实际情况,决定采用单层钢板桩围堰法施工,围堰内设四道内支撑,在围堰内

12、周边及纵轴线上设降水井。开挖土方前先进行降水,保证围堰内水头在开挖面1米以下,开挖时大功率水泵明排水配合,逐层开挖逐层施工内支撑,开挖到承台底标高时施工20cm砼垫层,凿除桩头,绑扎承台钢筋,施工承台砼。5.2工艺流程图施工准备搭设钻孔平台钻孔桩施工成桩后拆除平台安装钢板桩导向架施工钢板桩围堰围堰内设降水井降 水水泵配合抽水、抽砂施工设备准备逐层施工围囹、内支撑浇筑砼垫层凿除钻孔桩桩头桩基检测原材料试验模板制作钢筋制作承台立模绑扎钢筋混凝土试件制作浇筑承台混凝土5.3操作要点钻孔:打入钢管,安装工字钢、贝雷片、槽钢形成钻孔平台,平台顶标高为119.00m,钻机在平台上钻孔。全部钻孔完成后拆除平

13、台,施工钢板桩围堰。钢板桩围堰:打入导向桩,安装导向架,施工钢板桩围堰。采用振动锤将钢板桩按设计位置打入河床,钢板桩长19米,钢板桩间打入前用黄油填充,防止渗水。施工降水井:在围堰内周边用小钻机钻孔,降水井直径0.6米,孔底位于承台底面下12米。成孔后在孔内设降水管、水泵降水。抽水、抽砂:围堰内设两台450T/H大排量水泵明排抽水,平台下5米高范围内采用挖掘机直接挖土,人工配合清土除砂,5米以下抽砂采用高压射水配合泥浆泵抽砂。施工内支撑:抽水前先施工顶层砼围囹,然后围堰内分层抽水、挖砂,逐层施工围囹及内支撑,抽砂至承台底以下20cm,浇筑垫层砼。浇筑承台砼:凿除桩头,桩基检测,绑扎承台钢筋,浇

14、筑承台砼。6、材料与设备表6 主要材料、机械设备配置表(一个围堰)序号名称型号单位数量备 注1钢板桩SX-27吨469.42工字钢I45b吨733钢管609吨148.04钢管820吨59.815振动锤90个16装载机50台17履带吊车50吨台18叉车台29平板车台110降水井600眼2211高压水枪个612水泵300T个37、劳力组织表7-1 围堰施工作业时间表工作内容占用时间/天成桩后拆除钻孔平台3安装钢板桩导向架3施工钢板桩围堰22围堰内设降水井5逐层降水、抽砂4层*7.5天/层逐层施工围囹、内支撑4层*7.5天/层浇筑砼垫层1凿除钻孔桩桩头5桩基检测1合计100表7-2 围堰施工人员配置

15、表(一个围堰)序号工种名称人数工 作 内 容1现场总指挥1负责现场施工部署与协调2分项指挥2钢结构和降水指挥各一名3安全员2负责现场安全监督检查4技术员2负责施工监控5司机3负责机械操作6电工1负责现场施工用电7电焊工16钢管、型钢焊接8技术工人8现场配合施工9普工4现场配合施工合计398、质量控制8.1降水井施工过程中控制要点8.1.1护筒采用钢管,循环钻成孔,泥浆护壁,成孔后立即清孔,并安装井管。井管下入后,井管的滤管部分应放置在含水层的适当范围内。8.1.2安装水泵前用压缩空气洗井法清洗滤井,冲除沉渣,洗井24小时后流出清水即可连续抽水,如较浑浊,泥砂含量大应查找原因。8.1.3井管安装

16、完成后向孔内填1m厚米石滤料,上部井壁与土壁间用13cm石子填充。管井安装后,立即抽水洗井,防止长时间闲置使滤管填塞。8.1.4每台水泵应配置一个控制开关,降水过程中不能停顿,应有备用发电机,防止停电后水位反弹,危机围堰安全。8.2钢板桩围堰施工控制要点8.2.1钢板桩应有出厂合格证,机械性能和尺寸符合要求,桩身平直,无破损。经过整修或焊接的钢板桩应做锁口通过试验检查。8.2.2钢板桩接长时应采用等强度钢板桩焊接接长,相邻钢板桩接头上下错开2m以上。8.2.3钢板桩打入前要用型钢作为导梁,在插打钢板桩时起导向作用。导梁间距比钢板桩有效厚度大810cm,以利于钢板桩的插打。8.2.4钢板桩插打前

17、涂以黄油或热的混合油膏(质量配合比为:黄油:沥青:干锯末:干黏土=2:2:2:1),以减少插打时的摩阻力,并增加防渗性能。8.2.5砂土中插打钢板桩应采用振动法下沉,并合理选择振动锤型号,如下沉困难要辅以射水方法下沉。打入时应从上游开始,至下游合拢。8.2.6钢板桩因倾斜无法合拢时,应使用特制楔形钢板桩,楔形的上下宽度之差不得超过桩长的2%。8.3围堰内降水过程中控制要点8.3.1本方案成败关键在降水,降水井深度、间距布置、水泵功率的选择应重点考虑,地质条件、是否有隔水层、承台下砂层渗透系数为重要参考资料,必须保证在围堰内形成整体降水体系,确保降水后水面在承台垫层下1米以下。8.3.2降水井降

18、的是砂层中的地下水,不是江水。应通过砂层渗透系数计算围堰内最大渗水量,确定降水井布置方案。8.3.3刚开始降水时各降水井均为满负荷工作,随着降水时间延长砂层含水量不断减少,降水井只需满足砂层渗水量要求即可。实际施工时,降水一个月以后降水井可逐渐减少,施工后期40%降水井工作即可满足降水要求。8.3.4降水井只能降地下水,地上水用水泵明排效果显著,另外钢板桩渗漏时必须堵漏。8.3.5围堰内设一至两眼观测井随时检查降水效果,根据实际情况完善降水方案。9、安全措施9.1施工前对施工人员进行岗位及安全培训,进行安全技术交底；9.2施工前对支架进行系统检查,即使排出隐患；9.3施工前对所用机械设备进行检

19、查,严禁机械设备带病作业；9.4监督施工作业人员施工中严格按照安全技术交底进行施工,严禁违章作业；9.5检查施工现场电线、电缆情况,放置漏电,施工用电设备必须按一机一闸一保护进行配置；9.6机械操作人员必须进行岗前培训,持证上岗；9.7作业人员必须佩戴安全防护用品。10、环保措施10.1 制定环保责任,综合办公室负责施工环境保护工作,进场后与政府环保机构及时取得联系,了解本地区环保法规和对土建施工环境保护的要求,签订有关协议,制订具体报审办法。10.2 严格遵守合同中对施工环境保护的要求,任何时间均接受监理工程师、业主、政府环保机构工作人员的监督和检查,执行其对环保工作的具体要求和安排。10.

20、3 遵守国家有关环境保护的法律、法规,采取措施控制施工现场的各种粉尘、废气、废水、固体废弃物以及噪声、振动对环境、江水的污染和危害。10.4 对产生噪声、振动的施工机械,采取有效的控制措施,减轻噪声扰民。在施工作业时,噪声、振动较大的设备尽量不安排在夜间施工。11、技术经济分析为了确保工程顺利进行,在基础围堰施工前,比较深水基础施工中各种围堰类型,根据各围堰特点,结合现场实际情况选择施工方案。深水基础围堰施工常采用双壁钢围堰方案,钢板桩围堰、封底砼方案及钢板桩围堰、降水井方案三种形式。三种方案设计、比选如下:11.1方案比选a、双壁钢围堰方案工艺流程:工厂加工制作设置水中拼装平台逐节拼装双壁钢

21、围堰焊接围堰内除砂逐节下放钢围堰水下抽砂浇筑封底砼承台施工水下切割、拆除钢围堰。施工要点:1、利用承台四周的辅助平台,采用吊车、振动锤搭设水中拼装平台、定位桩、吊挂系统。2、双壁钢围堰各层整体拼装完毕后,采用吊挂系统下放就位,吊具采用特制扁担梁来防止钢吊箱扭曲或变形。3、下放用千斤顶需同步工作,安放在四个边上的定位桩外壁与钢吊箱侧模之间设定位器调整钢吊箱位置。4、因河床面较高,钢围堰下放前及下放过程中进行水中抽砂、吸泥。5、水下浇筑封底砼,抽水后对封底砼的顶面找平或凿除凸出部位。6、承台施工后进行水下切割,拆除双壁钢围堰。方案优点:整体稳定、结构受力好；安全性高。方案缺点:围堰需在工厂内分块加

22、工；需搭设拼装作业平台；现场拼装、焊接量大；河床4m深范围内存在大量上游冲击下来块石及铁轨、沉积物等,下放过程中遇障碍物时处理困难；封底砼厚度不均,有渗漏时需堵漏；拆除时需水下切割,施工困难。b、钢板桩围堰、封底砼方案工艺流程:对于深水基础钢板桩围堰,传统做法有两种:1、先施工定位桩,将内围囹、内支撑按设计位置提前就位,打入钢板桩围堰,浇筑水下封底砼,围堰内抽水,施工承台。2、先打入钢板桩,围堰内抽砂,浇筑水下封底砼,围堰内分层抽水、分层施工围囹、内支撑,施工承台。施工要点:1、钢板桩之间漏水,随抽水随堵漏。2、水下抽砂效率低,封底砼底面砂层很难平整。3、封底砼漏水时需注浆堵漏。4、施工过程中

23、随时观测钢板桩变形情况。方案优缺点:第一种做法的优点是工艺简单,钢板桩拔出方便,可重复利用；钢板桩、内支撑受力明确,无工况转换过程；钢板桩变形相对较小,安全可靠。缺点是如果河床面高于承台底面,底部几道围囹无法直接就位,只适用于河床面低于承台底面的情况,河床内多年沉积大量块石,无法水下抽砂,不适用本工程。第二种做法的优点是工艺简单,钢板桩拔出方便,可重复利用；浇筑水下封底砼后,钢板桩底部受力可按固定支座考虑,受力明确,利于钢板桩整体稳定。缺点是封底砼施工前需采用水中抽砂方法,抽砂效率较低,且抽砂后河床面不平及水下砼表面不平造成封底砼厚度不均,有局部渗漏现象。c、钢板桩围堰、降水井方案工艺流程:安

24、装钢板桩导向架施工钢板桩围堰围堰内设降水井降水水泵配合抽水、抽砂逐层施工围囹、内支撑浇筑砼垫层承台施工拔出钢板桩。本方案除钢板桩围堰、封底砼方案中提到的施工要点外,还应注意以下事项:1、抽水井深度、间距布置、水泵型号需计算确定。2、抽砂时要大功率水泵明排配合。3、水面要降至承台垫层底以下1米。方案优点:降水后围堰内相当于陆地作业,方便施工；抽砂效率高；无水下封底砼。方案缺点:降水效果直接关系到本方案成败,方案实施前必须考虑周全；降水过程中不可停顿,停电时及时切换到备用发电机供电。从安全方面考虑方案a占优,但施工工艺复杂；方案b工艺简单,受力明确,风险小；方案c中降水效果是否能达到理想状态不确定

25、,需在施工中随时调整方案以满足降水要求。故方案比选中方案b优。11.2工期比选a、双壁钢围堰方案双壁钢围堰内壁长40.8米*宽24.9米*高19米,壁厚1.4米。考虑到施工及运输方便,围堰共分为六节,底两节3.5米高,上层四节3米高；每节围堰、内支撑焊接成型需20天,每节吸泥、下放就位需15天；另外水中拼装平台、封底砼共需30天；合计240天。水下切割、拆除钢围堰可平行作业,不计入工期内。b、钢板桩围堰、封底砼方案考虑到内围囹及承台模板施工方便,钢板桩围堰中心距承台边2米设置,钢板桩围堰尺寸为长45米*宽28.8米*高19米。导向架、钢板桩打入需30天,水中除砂共需45天,封底砼15天,封底后

26、抽水施工四道内围囹、内支撑30天；合计120天。c、钢板桩围堰、降水井方案围堰降水井可与钻孔桩同时作业,不计入围堰工期。钢板桩围堰尺寸为长45米*宽28.8米*高19米。导向架、钢板桩打入需30天,然后启动降水井,大功率水泵明排水配合,围堰内相当于无水作业,此时除砂共需30天,四道内围囹、内支撑30天；合计90天。本工程位于XX市区,冬季寒冷,无法正常施工,每年有效工期七个月。主桥钻孔桩完成时间为6月末,考虑到气候影响及总工期安排,要想在10月末前完成承台施工要求围堰尽快完成,为克服水下大量障碍物,故工期比选中方案c优。11.3造价比选a、双壁钢围堰方案双壁钢围堰中1100吨,制作、安装费按9000元/吨计约1000万元；水中除砂、下放就位费用110万,封底、围堰双壁间砼5米厚6500m3,按400元/ m3计约260万元；钢围堰拆除需水下切割,费用50万元,拆除后约450吨,按3000元/吨计残值约135万元。水中拼装平台等未计,合计1285万元。b、钢板桩围堰、封底砼方案钢板桩、围囹、内支撑共重700吨,租期7个月,租金150万元；水中除砂、打拔钢板桩、安拆围囹支撑费用90万；封底砼5米厚6500m3,按400元/m3计约260万元；合计500万。c、钢板桩围堰、降水井方