一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构及其施工方法 技术领域 本发明涉及地下和水中建筑物基础施工技术领域， 具体涉及钢板桩围堰结构及其 施工方法的技术领域。
背景技术 水中基础施工时一般需要修筑围堰工程， 以便进行排水开挖基坑和基础施工。所 谓围堰， 就是在基坑四周修筑一道围护建筑物， 把水隔开， 以便在围护建筑物内进行开挖基 坑， 形成干施工条件进行基础施工。 也可以说围堰是修筑地下和水中建筑物时， 所做的临时 性围护结构， 其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置， 以便在围护结构内排水， 开挖基 抗， 修筑建筑物。除设计规定作为永久性防护结构外， 一般在墩台身修出水面以后， 基坑回 填完毕时即予拆除， 以免妨碍水流畅通， 加剧河床的局部冲刷。
钢板桩围堰是桥梁深水基础施工中应用广泛的一种临时围护形式， 也是最常用的 一种板桩围堰。 钢板桩围堰与双壁钢围堰、 钢套箱等相比， 具有结构简单、 插打比较容易、 施 工周期短、 可重复使用、 成本较低和易于质量控制等优点， 在深水基础施工中最受施工单位 的欢迎。
钢板桩适用于砂类土、 半干硬性黏性土、 碎石类土等土层， 并可打入风化岩面， 一 般采用钢板桩围堰时， 要求钢板桩埋入土体的入土深度 ( 即基坑开挖后钢板桩的桩尖在基 坑底面以下的深度 ) 必须达到最小入土深度要求， 以满足钢板桩围堰在基坑开挖以及基础 施工过程中的自身结构安全， 不发生 “踢脚” 和管涌现象， 满足围堰的抗滑移、 抗倾覆、 抗浮 以及基坑底抗隆起、 抗涌砂等稳定性要求。
很多情况下， 即使钢板桩的最小入土深度满足要求， 当基坑底面以下的土层为较 强透水性土层或者不透水层厚度不大时， 需要采取水下开挖方法， 先挖除基坑底面以下一 定厚度土层， 再灌注同样厚度的水下封底混凝土， 以满足围堰抗浮和基坑底抗隆起、 抗涌砂 等要求。
当基坑底面以下的土层为较弱土层时， 要求钢板桩必须有很大的入土深度， 才能 确保钢板桩围堰结构的稳定。即使这样， 钢板桩围堰结构的内力、 变形仍然很大， 常常不能 满足周围环境的要求。同时也需要对较弱土层换填一定的厚度， 才能进行桥梁低桩承台的 施工。如果由于岩层埋深较浅或者基坑底面以下为密实的大漂石等地质因素、 场地等条件 的限制， 导致钢板桩的入土深度受到约束而不能满足要求， 也达不到进行水下混凝土封底 的最小高度时， 采用钢板桩围堰进行深水基础施工的风险很大， 目前一般只能改为采用双 壁钢围堰进行施工。 双壁钢围堰需要经过专门的设计、 合适场地进行加工制作、 围堰的基坑 水下爆破及挖泥船挖泥整平、 大型船舶运输或浮运双壁钢围堰节段至现场、 布设复杂的锚 碇系统、 水上浮吊进行拼装与接高、 注水沉放、 着床定位、 清基并灌注水下封底混凝土等较 多的施工程序， 才能形成双壁钢围堰， 再进行桥梁的钻孔灌注桩及承台基础施工。
虽然双壁钢围堰能承受较大水压， 保证基础全年施工安全渡洪， 但双壁钢围堰的 材料用量大， 回收利用率小， 施工程序及水上船机多， 水上施工的安全风险多， 成本较钢板
桩围堰高出较多， 另外由于形成双壁钢围堰的施工周期长， 往往使桥梁深水钻孔灌注桩丧 失了黄金季节的枯水期施工机会而不得不在河流的汛期进行施工， 加大水上施工风险， 甚 至会由于洪水的到来而停工， 延误了工程的工期。 特别是， 当原施工方案采用钢板桩围堰进 行桥梁深水低桩承台的施工， 但在桥梁钻孔灌注桩施工完毕后， 插打钢板桩时发现由于地 质勘察资料未能真实反映实际的地质情况， 岩层埋深变浅、 岩面标高起伏变化大， 导致钢板 桩的入土深度不能满足方案的设计要求， 再改变为双壁钢围堰施工方案时， 此时双壁钢围 堰的施工难度和代价将会比一开始就确定采用双壁钢围堰方案大得多， 甚至可能会影响到 已经成桩的钻孔灌注桩的质量本身。
因此， 需要研发一种钢板桩围堰结构， 在钢板桩的入土深度受到约束而不能满足 要求时， 可以进行桥梁深水低桩承台的施工， 而不必改为采用成本较高的双壁钢围堰方案 进行施工， 节省围堰作为临时工程的周转钢材用量， 确保钢板桩围堰的质量与安全稳定性， 保证工程以较低的成本和最小的施工风险来施工桥梁深水低桩承台， 扩大深水钢板桩围堰 施工技术的应用范围。 发明内容 本发明的目的正在于解决围堰的钢板桩入土深度不能满足正常入土深度要求的 技术难题， 提出一种新的钢板桩围堰结构及其施工方法。
本发明的另一目的在于提供一种应用上述施工方法建造深水单壁钢板桩围堰结 构并进行低桩承台及桥墩水下部分施工的方法。
为了达到上述目的， 本发明采用以下技术方案 ： 一种入土深度小的深水单壁钢板 桩围堰结构， 其特征在于包括以下结构 ：
若干钻孔灌注桩， 及
包围于钻孔灌注桩外的钢板桩围堰， 围堰的平面尺寸大于拟施工的承台平面尺寸 以预留施工作业空间， 及
围堰之外抛设于河床表面的袋装砂， 及
施工于围堰之内、 钻孔灌注桩外的高压旋喷桩。
本发明通过对钢板桩围堰的基坑底面以下至风化岩面之间深度范围内的土体进 行高压旋喷桩注浆处理， 可显著提高此范围土体的粘聚力、 内摩擦角等力学性质指标， 也即 提高此范围土体的被动土压力， 起到减少钢板桩围堰结构的内力、 水平位移的作用， 解决钢 板桩底部的 “踢脚” 问题 ； 另外， 该土层经过高压旋喷注浆处理， 提高了土粒相对密度和降低 土体的空隙比， 也就提高了围堰基坑底发生 “管涌” 的临界水力坡降， 同时高压旋喷注浆处 理后的土体与岩面固结形成较密闭的整体， 高压旋喷的水泥浆固结了大部分的砂土颗粒， 注浆渗透可能存在的不均匀性所留下的空隙能形成的流砂通道已十分有限， 土体注浆固结 后切断了水的渗透力带动细颗粒在土体空隙间移动的路径， 较大地提高了该层土体的抗渗 能力， 大大降低了基坑底发生涌砂、 管涌、 隆起的风险， 即便存在这种风险， 也使风险从 “流 砂” 发展到 “管涌” 的渐变过程时间大幅延长， 可使 “管涌” 爆发前的人员、 设备撤离及采取 应急措施留有足够的时间， 从而降低了 “管涌” 风险的危害程度。另外， 对钢板桩围堰外侧 5m 范围抛设袋装砂进行护底， 可增强围堰刚度， 减少钢板桩围堰结构在变化的水压力、 波浪 力作用下出现的 “摆动” 现象的影响， 以保障基坑的整体安全。
当钢板桩底部标高与预设标高相差较大时， 在围堰外侧对应位置增加高压旋喷 桩， 所述围堰内侧的相邻高压旋喷桩间相互搭接 0.1m， 围堰外侧的相邻高压旋喷桩间相互 搭接 0.15m， 内、 外侧高压旋喷桩桩底到达风化岩面或进入风化岩面以下 0.1 ～ 0.2m， 围堰 外侧的高压旋喷桩桩顶标高高于围堰内的高压旋喷桩桩顶标高。 相邻高压旋喷桩之间的搭 接加密可以起到加强该位置隔水可靠性的作用， 其围堰外侧的高压旋喷桩桩顶标高比内侧 的高压旋喷桩高出 3.0m， 桩底标高则与钢板桩内侧的高压旋喷桩相同。
具体地， 所述钢板桩底部到达风化岩面或进入风化岩面以下 0.1 ～ 0.2m。
进一步地， 本发明的钢板桩围堰结构还包括若干层水平支撑体系， 所述水平支撑 体系为围檩及支撑体。
一种入土深度小的深水单壁钢板桩围堰结构的施工方法， 包括以下步骤 ：
(1) 施工钻孔灌注桩 ；
(2) 插打钢板桩、 合拢形成钢板桩围堰 ；
(3) 围堰外侧抛设袋装砂进行护底 ；
(4) 进行高压旋喷桩施工 ；
(5) 抽水、 开挖基坑， 安装若干层水平支撑体系。
具体地， 所述水平支撑体系有 3 ～ 5 层。
具体地， 所述步骤 (5) 在围堰内抽水采用分层抽取的方法， 每安装一层水平支撑 体系再抽下一层水 ； 抽水时对钢板桩锁口漏水处在锁口外侧安装橡胶止水带止水 ； 钢板桩 内侧采用棉花塞缝进行堵漏。
优选地， 所述橡胶止水带由强磁铁与橡胶密封带构成， 所述橡胶密封带的其中一 面具有凸棱， 所述强磁铁安置于所述凸棱内部， 且所述凸棱在使用状态下面向钢板桩。
一种低桩承台及桥墩水下部分的施工方法， 其特征在于包括以下步骤 ：
(1) 依据上述方法的施工步骤形成围堰结构 ；
(2) 割除钻孔灌注桩的剩余钢护筒， 破除桩头多余混凝土， 围堰内清基整平， 铺设 承台施工垫层 ；
(3) 制作安装承台钢筋， 浇筑承台第一层混凝土， 回填砂至第一层承台面， 拆除最 下一层水平支撑体系 ；
(4) 浇筑承台第二层混凝土， 回填砂至承台顶面， 拆除倒数第二层水平支撑体系 ；
(5) 分节段施工桥梁的墩身的水下部分， 依次拆除剩余的水平支撑体系 ；
(6) 墩身施工露出水面一定高度后， 拔除钢板桩。
本发明应用钢板桩围堰的质量与安全稳定性能够得到保证， 使工程以较低的成本 和最小的施工风险来施工桥梁深水低桩承台及桥墩水下部分， 而不必采用成本较高的双壁 钢围堰方案进行施工， 节省了围堰作为临时工程的周转钢材用量， 扩大了深水钢板桩围堰 施工技术的应用范围。采用钢板桩围堰进行施工的综合成本远比双壁钢围堰方案成本要 低。 附图说明
图 1a 是本发明的钢板桩围堰结构的平面布置图。
图 1b 是图 1a 的 A-A 剖面图。图 1c 是图 1a 的 B-B 剖面图。 图 2 是应用本发明的钢板桩围堰结构进行低桩承台及桥墩水下部分施工的示意图， 其中 图 2a 显示钢板桩插打、 合拢完成， 围堰外侧抛设袋装砂护底 ；
图 2b 显示高压旋喷桩施工完成 ；
图 2c 显示抽水、 安装第一层水平支撑体系 ；
图 2d 显示抽水、 安装第二层水平支撑体系 ；
图 2e 显示分层抽水、 开挖基抗， 并安装第三及第四层水平支撑体系 ；
图 2f 显示浇筑完成承台第一层混凝土 ；
图 2g 显示回填砂至第一层承台面及拆除第四层水平支撑体系 ；
图 2h 显示浇筑完成承台第二层混凝土 ；
图 2i 显示回填砂至承台顶面， 分节段施工完成桥梁墩身的水下部分及拆除余下 的水平支撑体系 ；
图 3 是钢板桩围堰施工桥梁低桩承台及墩身水下部分的建造工艺流程图 ；
图 4a 是橡胶止水带结构示意图 ；
图 4b 是橡胶止水带使用状态示意图。
其中， 101 钢板桩 102 承台 102a 第一层承台 103 围檩 104 横向支撑 105 角 撑 106 钻孔灌注桩 106a 钻孔灌注桩的钢护筒 107 袋装砂 108、 109 高压旋喷桩 110 垫层 111 回填砂 112 墩身 201 混合花岗岩岩面 202 河床面 301 强磁铁 302 橡胶 密封带 401 围堰内侧 402 围堰外侧
具体实施方式
如图 1a ～ 1c 所示， 为本发明的钢板桩围堰结构实例的示意图。
现以某市某公路桥的建造为例， 该主桥跨径组合为 (80m+200m+80m) 的自锚式悬 索桥。主墩为 16 及 17 号墩， 位于淮河航道中， 覆盖层主要由粉土、 粘土、 细砂、 砾砂构成， 覆 盖层厚度 5.5 ～ 11m， 变化甚大。下伏基岩由上至下依次为全风化角闪岩、 强风化混合花岗 岩、 中风化角闪岩、 中风化混合花岗岩。
原设计图纸提供的 16 号墩岩面标高为 -2.86m， 17 号墩为 -0.76m， 由于岩面变化起 伏变化很大， 试桩时发现钢板桩的底部远未能达到原钢板桩围堰的钢板桩底设计标高， 即 16 号墩要求钢板桩入土深度为 5.93m， 17 号墩要求钢板桩入土深度为 3.83m。重新进行地 质补充钻探后发现， 补钻结果与原设计图纸提供的存在较大差异， 主要是实际岩面标高 16 号墩为 -0.2 ～ 0.3m， 17 号墩为 +1.3 ～ +1.5m， 补钻发现主墩覆盖层仅有 5.8m ～ 8.1m， 实 际岩面比原设计图纸提供的岩面标高高出 2.5m， 围堰最浅的岩面标高为 +1.5m， 即 17 号墩 的钢板桩最浅入土深度只能达到 1.57m。钢板桩实际施打过程， 即使是 16 号墩也有多个位 置的钢板桩只能到达 +1 ～ +1.52m 标高。为解决此技术难题， 采用了本发明的钢板桩围堰 设计方案进行 16 号、 17 号墩的承台施工。
总体施工流程如图 3 所示 ： 现场施工准备→钢板桩插打、 合拢形成围堰→高压旋 喷桩注浆施工→围堰内按预定标高逐层抽水、 开挖→由上至下逐层安装围檩及水平钢管支 撑等水平支撑体系→基坑底面处理及铺设垫层→承台施工→逐层回填砂， 逐层拆除围堰的水平钢管支撑及围檩→墩身水下部分施工→钢板桩拆除。
具体来说， 采取以下步骤 ：
(1) 根据现场施工条件和进度要求， 主墩采用先搭设水上钻桩平台完成钻孔灌注 桩 106 基础施工。
(2) 钢板桩插打及合拢
下列的现场准备工作完成后开始钢板桩的插打施工 ： ①钻孔灌注桩 106 施工完成 后， 将钻机撤离围堰施工范围 ； ②精确测量放样出钢板桩围堰的边线位置 ； ③对需要用作 起重作业区的钻孔灌注桩的钢护筒位置进行加固封孔处理。围堰的平面尺寸按承台 102 平 面几何尺寸向外扩大 1.5m， 以保证承台施工作业空间。围堰采用 U 形的拉森 IV 型钢板桩 101， 屈服强度为 295MPa。
采用 150kw 电动式振动锤作为钢板桩的插打设备， 因为其在满足激振力等参数要 求的基础上， 对钢板桩垂直度控制较好， 成本费用也便宜。另外采用 50t 履带吊机起吊振动 锤配合钢板桩的插打。
钢板桩底部到达风化岩面或进入风化岩面以下 0.1 ～ 0.2m。钢板桩围堰合拢后， 在潜水员配合下由人工在钢板桩围堰外侧 5m 范围抛设袋装砂 107 进行护底。 (3) 高压旋喷桩施工
采用单管法施工， 每米桩长掺入强度等级 32.5 普通硅酸盐水泥 200kg 与氯化钙 4kg， 氯化钙纯度大于 70％。高压旋喷桩施工时， 控制钻孔位置偏差≤ 50mm 以内， 喷射注浆 管的倾斜度≤ 1.0％， 喷射注浆管的压力控制在 20 ～ 30MPa， 每 m 桩长的旋喷周期为 7min。 在围堰内、 钻孔灌注桩位置以外的所有区域施工高压旋喷桩 108， 高压旋喷桩 108 的桩顶标 高为承台底面标高， 桩底标高至风化岩的岩面， 一般可进入到风化岩面以下 0.1 ～ 0.2m。 对 于出现钢板桩底部标高与预设标高相差较大位置的情况， 采取在钢板桩外侧对应位置增加 2 排高压旋喷桩 109 处理。内侧高压旋喷桩 108 与外侧高压旋喷桩 109 的桩径均为 0.50m， 内侧相邻高压旋喷桩之间相互搭接 0.1m， 外侧相邻高压旋喷桩之间相互搭接 0.15m。
(4) 围堰内抽水、 开挖及安装围檩、 水平钢管支撑施工
插打钢板桩的同时， 在围堰边的空地上进行围堰支撑结构单元的加工， 以保证钢 板桩插打完成后， 围堰的支撑结构能得到尽快安装。
围堰内抽水采取分层抽取方法， 分层原则是每安装一层围檩 103 及横向支撑 104、 角撑 105 后再抽下一层水。第一层抽水抽至低于第一层围檩标高以下 1.5m 处， 焊接牛腿， 安装第一层围檩及水平钢管横向支撑。 安装完成后继续抽水抽至第二层围檩标高以下 1.5m 处， 安装第二层围檩及横向支撑 104、 角撑 105。依上述方法完成围堰内的抽水。抽水时， 对 钢板桩锁口漏水处由潜水员在锁口外侧安装橡胶止水带进行止水， 该种止水带如图 4a 所 示的结构， 采用强磁铁 301 与橡胶密封带 302 构成， 橡胶密封带 302 的其中一面具有凸棱， 凸棱棱体内设有安置孔， 所述强磁铁安置于所述安置孔内， 且橡胶密封带具有凸棱的一面 在使用状态下面向钢板桩， 贴在钢板桩锁口外侧， 遇到外侧水压力， 会越粘越紧， 其安装使 用如图 4b 所示。在钢板桩内侧小漏处， 可采用棉花塞缝进行堵漏。
围堰内土方开挖采用分层、 分块的干开挖方法， 利用小型挖掘机开挖和吸泥开挖 相结合。分层开挖的原则是每施工一层水平支撑体系后再开挖下一层土方， 第一层土方开 挖深度为河床面至第三层水平支撑体系底部， 安装第三层围檩及水平钢管支撑 ； 接着进行
第二层土方开挖， 安装第四层水平支撑体系， 然后进行最后一层土方开挖。采用分块开挖 时， 就是将基坑划分为周边块和中部块， 分块开挖为先挖中部块再挖四周块。
围堰的内撑体系由围檩 103、 角撑 105 及横向支撑 104 组成， 是围堰主要受力结构。 围檩在后场进行单元分块加工， 再使用平板车运至施工现场进行安装。安装时先在钢板桩 上焊接牛腿， 将围檩 103 安装牛腿上， 焊接围檩 103 形成整体。围檩安装完毕， 紧接安装横 向支撑 104 及角撑 105。 为利于钢板桩受力及止水， 在围檩 103 与钢板桩空隙之间加槽钢连 接。
(5) 围堰内清基、 整平及铺设垫层
围堰内布置若干个集水井， 采用大功率抽水机进行围堰内抽水排水， 再由人工进 行围堰底部 0.2 ～ 0.3m 厚的开挖、 清基和整平的工作。
承台施工的混凝土垫层厚度为 0.469m， 由于钢板桩锁口及内侧存在一些渗漏水， 在混凝土垫层中部底面的水压力会大于垫层自重压力， 很可能顶穿破坏垫层， 为了解决混 凝土垫层的抗浮稳定问题， 采取在垫层中铺设若干个碎石导渗沟， 起到反滤层作用并降低 垫层底的水压， 同时使垫层周边距钢板桩 0.05m， 为垫层底部水压力提供释放通道。
(6) 承台施工 垫层完成后进行承台施工， 承台分成两层浇筑而成， 厚度为 5m。承台混凝土施工 时， 进行混凝土温度的控制及监测。
(7) 围堰的基坑回填及围堰拆除
依次回填砂至承台分次浇筑层的顶面、 承台顶面， 并拆除相应层次的水平钢管支 撑和围檩， 并分节段施工桥梁墩身的下部至露出水面一定高度后， 采用 50t 履带吊机配合 150kw 电动式振动锤逐根拔除钢板桩， 恢复河床原有的形态。
经实施本发明， 工程的钢板桩围堰在整个基坑开挖及桥梁承台施工过程中， 围堰 结构的各项应力及钢板桩的桩身变形监测数据均在允许的安全范围之内， 围堰的基坑底没 有发生隆起及涌砂现象， 开挖过程中出现的小量涌水经采取正常的抽排水措施得到处理， 桥梁的承台施工得以按期在淮河的洪水来临之前顺利完成。 本发明应用的钢板桩围堰的质 量与安全稳定性能够得到保证， 使工程以较低的成本和最小的施工风险来施工桥梁深水低 桩承台及桥墩的水下部分， 而不必采用成本较高的双壁钢围堰方案进行施工， 节省了围堰 作为临时工程的周转钢材用量， 扩大了深水钢板桩围堰施工技术的应用范围。经财务部门 核算， 本工程的两个主墩承台采用钢板桩围堰进行施工的综合成本比工程投标时采用的双 壁钢围堰方案节约了近 180 万元。
详细施工步骤示意图如图 2 各图所示， 其中 ：
图 2a 显示 ： 在施工钻孔灌注桩后进行钢板桩插打、 合拢。
图 2b 显示 ： 高压旋喷桩施工完成。
图 2c 显示 ： 试抽水， 堵缝止水 ； 安装第一层围檩 103、 横向支撑 104 及角撑 105。
图 2d 显示 ： 抽水到第二层水平支撑体系的中心线以下 1.5m 位置 ； 安装第二层围 檩 103 及横向支撑 104、 角撑 105。
图 2e 显示 ： 围堰内抽水、 开挖， 安装第三层围檩 103 及横向支撑 104、 角撑 105 ； 围 堰内抽水、 开挖， 安装第四层围檩 103 及横向支撑 104、 角撑 105。
图 2f 显示 ： 围堰内抽水、 开挖 ； 割除钻孔灌注桩的剩余钢护筒， 破除桩头多余混
凝土 ； 围堰内清基及整平， 铺设承台施工的垫层 ； 制作安装承台钢筋， 浇筑承台第一层混凝 土。
图 2g 显示 ： 回填砂至第一层承台面 ； 拆除第四层围檩 103 及横向支撑 104、 角撑 105。
图 2h 显示 ： 浇筑完成承台第二层混凝土。
图 2i 显示 ： 回填砂至承台顶面 ； 拆除第三层围檩 103 及横向支撑 104、 角撑 105 ； 分 节段施工桥梁的墩身水下部分， 并依次拆除第二、 一层围檩 103 及横向支撑 104、 角撑 105 ； 墩身施工露出水面一定高度后， 可拔除钢板桩。