沉箱围堰施工工法

灵昆大桥沉箱围堰施工工法目录前言工法特点适用范围工艺原理施工工艺流程操作要点材料与设备质量控制平安措施环保措施资源节约效益分析应用实例沉箱围堰施工工法前言2007年，浙江省交通勘察设计检测到温州灵昆大桥桩根底存在冲刷、漏筋、缩径等问题。主管单位温州龙湾区交通局根据岛内正在建设的深水港的要求，提出将桥梁进行提高荷载标准等级加固处理，即将原桥的通行能力提升为一级公路，满足集装箱卡车的通行，下部桩基的加固由中建七局交通公司组织施工。在对现场进行了查看、分析，结合设计图纸要求，我们提出采用沉箱围堰的施工方法对该桥的存在缺陷的桩基进行加固处理。工法特点沉箱围堰的施工方法是新型的施工工艺，与传统的钢板桩围堰、土围堰、小围堰相比具有不可代替的优点。另外，因在海水中作业，土围堰无法实现。这里就不再赘述，现将另外三种围堰施工方法进行比照，具体比拟见下表。三种方案的比拟方案比拟类型方案比拟类型沉箱围堰方案钢板桩围堰方案小围堰方案〔设计〕技术优点可以一次性彻底解决所有桩基存在的问题可以一次性彻底解决所有桩基存在的问题无法彻底解决所有桩基存在的问题设备投入共需投入3套大沉箱、2套小沉箱共需投入4套钢板桩大围堰、2套钢板桩小围堰共需投入18套小围堰施工本钱用钢514吨，623万用钢量643吨，679万用钢量少，190万施工工期150天162天200天平安问题有保障有保障无保障通过以上比拟，我们发现沉箱围堰不仅可以一次彻底解决所有桩基存在的问题，而且所用材料本钱相对低，需要的施工工期最短，且平安有保障，我们选择了使用沉箱围堰作为施工处理措施。沉箱围堰施工方法适用范围沉箱围堰施工方法主要适用于深水根底施工，处理深度10m以内，开挖深度1.5m，实行深水处干处作业，沉箱围堰还可以作为钻机等设备的工作平台在水面平移进行水上作业。地质情况可以为粘土、砂土等类土以下情况，便于下插板插入土中。工艺原理本施工方法是钢结构结合基坑处理的方法设计施工，沉箱是采用钢结构，自重138吨，几个箱体空腹时的浮力到达360吨，沉箱浮起后，利用动力拖船〔80T〕在平潮时将沉箱拖到指定地点注水下沉。落潮过程中，自重不变沉箱浮力减小，自重加大的情况下，沉箱下插板插入滩涂中，沉箱坐正后，再在箱体内侧打设一周高压旋喷桩，起箱底止水帷幕作用，最后压密两浆〔水玻璃、水泥〕封底，实行箱体内的闭水，从而到达围堰内干施工作业。由于箱体有下插板，能够自己稳定，一旦下沉后，箱体能够稳定座在滩涂面上，且整个箱体地面落在最低滩涂面，故不需要进行整体稳定性验算，箱体之间全部用高强螺栓连接，不需要进行单个箱体踢脚稳定性验算，根据施工主要治理的问题是坑底隆起和渗流、箱体浮力、高压旋喷桩厚度的验算。坑底突涌验算考虑到围堰内的基底在覆盖土的作用下缺乏以抵抗下部的水压力，基坑就会失稳，出现突涌现象，我们对基坑的突涌稳定性进行验算。最高潮水挡水板潮水Υw箱体Υw下插板H砂土Υ土ΥΥt坑底突涌验算计算简图最高潮水挡水板潮水Υw箱体Υw下插板H砂土Υ土ΥΥt坑底突涌验算计算简图验算平衡公式：Υ土×t＝Υw×Η式中：Υ土：土的容重t：不透水层的厚度Υw：水的容重H:承压水头高于含水层顶板的高度8m当t＞Υw×Η/Υ土时，不会产生突涌其中没有考虑覆盖土层的重量和覆盖层与支护结构的摩擦力，此计算偏向平安。一般取值平安系数大于1.2。坑底抗隆起稳定性验算hdKhdKpe∏lgф＋δ〔Kpe∏lgф－1〕/tgф1+ω+h1+ω+hdKst＝式中：hd—嵌入深度h—基坑开挖深度验算旋喷桩的厚度旋喷桩上口连接箱体，上部的水平力主要由箱体下插板承受，墙体承当外围土体和潮水的压力，墙体的厚度采用抗倾覆稳定验算确定。挡水板箱体下插板挡水板箱体下插板hwahwa∑eaiaih=1∑eaiaih=1eaikaiha∑EpjHwphdeaikaiha∑EpjHwphdhpbhpb高压旋喷桩墙体厚度计算简图高压旋喷桩墙体厚度计算简图10〔1.2Υ0h10〔1.2Υ0ha∑ai－hp∑pj〕b≥5Υcs5Υcs〔h＋hd〕－2Υ0Υw〔2h＋3hd－hwp+2hwa〕式中：∑Eai—水泥墙底以上基坑外侧水平荷载标准值的合力之和；∑Epj—水泥墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和；ha—合力∑ai作用点至水泥墙底的距离；hwp—合力∑pj作用点至水泥墙底的距离；Υcs—水泥土墙的平均容重；Υw—水的容重Υ0—平安系数取1hwp—基坑内侧地下水位高度hwa—基坑外侧地下水位高度水平标准荷载计算∑Eai作用在高压旋喷桩基上的荷载包括土压力、水压力。按照以下公式进行计算：eajk=σaiКai－2cik√Кai＋〔〔zi－hwa〕－〔mj－hwa〕ηwaКai〕Υw式中：σaik—作用于深度zi处的竖向应力标准值〔〕σaik＝σrk＋σok＋σlkКai—第i层的主动土压力系数；Кai＝tg2〔45°－ψik/2〕ψik—第i层的内摩擦角标准值；cik—三轴试验确定的第i层固结不排水剪粘聚力标准值；zi—计算点深度；mj—计算参数；hwa—基坑外侧地下水位深度；ηwa—计算系数；Υw—水的容重水平抗力标准值∑Epi：epj＝σpjkКpi－2cik√Кpi＋〔〔zj－hwp〕〔1－Кpi〕〕Υw式中：σpjk—作用于基坑底面以下zj处的竖向应力标准值；Кpi—第i层的被动土压力系数；Кpi＝tg2〔45°＋ψik/2〕σpjk＝Υmj×zjΥmj深度zj以上土的加权平均天然容重。浮力验算由于沉箱的排除海水体积较大，在潮水最高位置时，沉箱的理论排水量远大于沉箱自重，需要对沉箱受到的浮力进行验算。承台a上a下a上b箱h1a箱a下b下h2b箱h挖沉箱排水体积计算平面简图沉箱排水体积计算立面简图a箱a箱a箱承台a上a下a上b箱h1a箱a下b下h2b箱h挖沉箱排水体积计算平面简图沉箱排水体积计算立面简图a箱a箱a箱反压梁挡水板反压梁挡水板b上b上箱体箱体下插板下插板沉箱围堰采用正方形设计，经过计算其自重G＝138t，浮力F浮就是沉箱围堰排开水的体积减去箱体自重，此浮力仍旧很大，需要施加外力防止沉箱上浮：F浮＝a下×b下×h2+〔a下－0.5〕〔b下－0.5〕h挖＋a上×b上×h1－G式中：a、b是沉箱的内平面尺寸；0.5m是高压旋喷桩的宽度；h1、h2、h挖是沉箱最高水位到箱体顶、箱体高度、开挖深度；G是沉箱自重。防止沉箱上浮是采用H45钢梁置在原桥的承台下，反压沉箱箱体，注意沉箱箱体要进行适当加固，使得反压力均匀传递至整个箱体。从上式，我们没有计算箱底的吸力和潮水涨过箱体后潮水对箱体外沿的作用力，故此计算偏于平安。施工工艺流程沉箱制作沉箱制作沉箱试拼装沉箱设计沉箱转移至施工点沉箱对角拆分修改沉箱围墩组合箱体注水下沉将所有螺栓拧紧搭设平台以承台为工作面准备两只80t拖船最高潮水位、无风高压旋喷施工压密注浆施工高压旋喷就位压密注浆就位反压梁施工养护3天抽水、基坑开挖桩基处理沉箱上浮转移撤除反压梁YNYN沉箱制作沉箱的制作在厂家进行，先按照设计图纸下料，并作记号，钢板采用切割下料，不得使用氧气乙炔高温切割，防止钢板变形。箱体所用阀门设置在箱体内，阀门要采取防漏水处理，阀门设置在离沉箱底80cm以上。箱体之间连接处要焊接牢固，撤除的位置要设置止水带，止水带用螺丝连接在箱体上，做到不能因挤压损坏。沉箱焊接完成后，在场地进行拼装，做到没有问题后下水。沉箱就位沉箱就位前要将墩台位置清理平整，特别是将承台周钢管清理至滩涂下，原承台周边的滩涂要根本在一个水平面上，确保箱底下插板能全部插入土中，遇到原桥钢管时，采用外套小护筒在最低潮位时切除钢管。沉箱拖移时间控制在涨潮根本结束前的一个小时，同时根本撤除沉箱之间〔对角〕的连接螺栓，留下的螺栓不要超过设计的30％，便于靠近墩台后及时分解沉箱，为就位二次组合留下时间。分解后要将沉箱及时按照方位就位，一个边长度7m顺桥方向下靠，一个边长度11m横桥方向下靠墩台。分解并靠近墩台的沉箱用尼龙绳拉紧，防止落潮时沉箱漂移。必要配置5吨手拉葫芦4根，2吨手拉葫芦2根，第一时间将沉箱用高强螺栓连接，连接时沉箱局部螺栓孔会漏水，用小水泵抽除。等到所有箱体的连接螺栓连接牢固并加强后将沉箱注水下沉。螺栓的连接先外后内，按照顺时针或逆时针加强螺栓。反压梁施工当沉箱下沉就位后，开始反压梁的施工，我们注意到在沉箱下沉成功时，沉箱的浮力到达680吨，一旦潮水过了箱体，会产生箱体上浮，利用反压钢梁可以有效解决沉箱的浮力，加载钢梁前先对沉箱箱体进行加固，使浮力均匀传递到箱体，本次采用的钢梁共计4根，单根长度12m，钢横梁顺桥向设置。钢梁与承台之间用小槽钢顶住，之间的孔隙用三角木楔塞紧。箱底止水帷幕和压密封底高压旋喷桩平均桩径为φ900mm、桩间距700mm，长度700cm。高压旋喷钻机采用XPZ－50型单管高压旋喷桩，BWT100／30高压注浆泵机，当钻机钻到设计标高后，用高压旋喷机把安有水平喷嘴的注浆管下到孔底，利用高压设备使喷嘴以24Mpa的压力把浆液喷射出去，冲击切割土体，并与土体搅拌混合，随着注浆管的旋转和提升而形成圆柱桩体，浆与土体经过一系列的物理化学反响，固结成桩，从而到达支护、止水的作用。压密注浆采用二重管压密注浆。注浆孔的间距为1.5m。采用的钻探设备为XY-1型钻机，钻孔直径110mm，孔深为4.00m，进入桩基处理面下1.5m。注浆液采用425#硅酸盐水泥，水灰比为1：1～0.5：1。注浆设备采用HB80/10型泵，注浆压力0.3MPa～1.0MPa，在注浆初期水灰比采用1：1，假设“吃浆”均匀，可增大水灰比的浓度，直至0.5：1。当注浆压力达1.0MPa，并不“吃浆”，应停止注浆。维护加固在桩基抽水，开挖前还需要对桩基进行外围的加固，防止潮水反复冲刷处理。潮水流速高，容易对箱底形成冲刷，导致箱底出现脱空，在沉箱下沉到位后，安排水上挖机对箱体外进行堆土作业，堆土范围为箱体外1.5m范围内，堆土高度1m，必要时在箱体的两个迎水面打设钢管，里面填装装土蛇皮袋。材料和设备沉箱围堰施工用的材料序号材料名称材料规格使用部位备注1钢板t＝8顶板、腹板、底板、隔舱板、加劲板2钢板t＝30端头板箱体连接3槽钢〔12.6箱体与挡水板连接面4角铁L50×5挡板加强5角钢L75×50×5箱体通长6钢板t＝6挡水板面板7角铁L63×5挡水板加强肋8角钢L50×5剪刀撑9钢管￠219219×注水口10高强螺栓M20×110沉箱连接11普通螺栓M16×40挡水板连接12高强螺栓M16×50挡水板连接13橡胶垫10-12mm挡水板、箱体间止水14角钢L50×5钢爬梯15H型钢H45反压箱体沉箱围堰主要包括箱体、挡水板、下插板、反压梁等局部。沉箱围堰施工用的设备按照要求投入了3套沉箱，高压旋喷设备1套，压密注浆设备1套。序号机械或设备名称型号规格数量性能1大沉箱2.5×11m32大沉箱2.5×13m33挖泥船0.3方14泥浆泵45kw35高压泵3.5kw36单管高压旋喷桩机XPZ－5017钻机XY－128砂轮切割机29冲击电锤210附着式振捣器HZ6Z－50811电焊机BX1-300412小型运输船80t413内陆式挖机1质量控制箱体接头质量箱体是钢结构，但是钢结构间的连接需要进行密水处理，我们在钢箱体〔包括挡水板、箱体〕之间设置安装了橡胶垫圈作为止水材料，并用高强螺栓连接牢固，螺栓的间距不得大于10cm。其他需要焊接的局部焊接牢固，不得有焊接孔洞，连续焊接。沉箱下水前要在场地进行试拼装，拼装检查螺栓孔的位置是否在一个位置，能否确保沉箱的连接钢板密实连接，不漏水。箱体内的背肋是否焊接牢固，应该不连续分段焊接，焊缝长度不小于5cm，焊接的间距不大于5cm。反压系统质量控制反压梁压紧在箱体上，防止箱体上浮，由于潮水的来回影响箱体潮水的浮力不均匀，造成箱体不均匀的上浮，由于反压梁限制箱体的上浮，其压力必然作用于软的地基，造成箱体向下移位，落潮时，箱底出现脱空，容易引起漏水。所以要经常检查反压梁上的调平木楔，一旦松动就及时打紧。地基的处理原来的海涂面是一个上下不平的外表，沉箱就位前需要进行开挖整平，经过开挖处理发现桩周存在大量的钢管，钢管埋置入土较深，且在最低潮位时，不满足海涂下降的要求。最后决定采用小护筒切割钢管。将钢管处理到最低海涂下50cm。高压旋喷桩及压密注浆的处理高压旋喷施工前将沉箱围堰内的水位要保持水平，防止潮水由箱底涌进箱体围堰内。冲刷高压成桩，有效形成了箱底止水帷幕。施工时控制提管速度，提管的速度直接影响成桩质量，提管大致控制在每12分钟一节〔1.5m〕，成桩的有效直径0.7m，桩基的间距沿着围堰内侧环向为0.7m。由于沉箱外侧角隅处潮水冲刷严重，容易引起管涌，施工时在围堰内侧垂直角的位置适当加2根桩。施工时，拉线控制桩基的线性和间距，放线时，桩基紧贴着围堰内侧施工，有效将桩体和沉箱下插板成为一体。平安措施平安措施是本工法控制的难点，施工前及施工过程要加强平安的教育，防止不熟练工作引起事故。我们主要从水上作业、桥面作业、机械及用电三个方面对施工人员进行了教育。本次施工无事故发生。水上平安平安事项施工人员进入施工现场必须戴好平安帽扣好帽扣，登高2米必须戴好平安带扣好平安扣，禁止醉酒作业。施工前对沉箱，船只必须进行检查，合格前方可使用，严禁机械带病作业。水上作业必须穿救生衣，特别在沉箱外面施工注浆，堵漏，小围堰和其他桩基作业，作业处必须保证一艘船在作业面附近，随时救生。船只由专人驾驶，并按期保养〔修理〕，每天做一次清理检查。人员临近船边作业，要注意防止落水，上下爬梯防止踏空。人员上下班用的爬梯要设置平安防护网。沉箱移动时要防止沉箱被水流冲击引起倾覆。沉箱拼装时要注意箱体稳定，人员不得站在箱体结合处，防止被挤压伤害。保持行走通道干净、整齐，及时清理踏板上的泥巴，防止人员滑倒。箱体抽水完成后，由于自重及水压较大，注意观察箱体下土体的稳定性。桥面作业平安事项施工现场晚上必须设有专人值班，各施工点设标记标识，特别桥面施工点设置明显的平安警示标志。桥上人员横过桥面注意来往车辆做好防盗防火平安工作，宿舍严禁使用明火，贵重物品自己保存好。本工程为多工种，集体配合的工程，而且是地面和水上交叉作业，因此要求各工种紧密配合，统一协调指挥。开挖的基坑要设置临时防护网和警示标志，防止其他人员意外跌落。注意观察基坑稳定情况桥上要注意设置平安保护墩，同时施工人员穿反光服装。桥上东西往下放的时候，注意下面人