一种水下嵌岩钢板桩围堰结构及其施工方法与流程

本发明公开了一种水下嵌岩钢板桩围堰结构及其施工方法，属于桥梁基础施工技术领域。

背景技术：

在铁路、公路跨江、跨河修建桥梁基础时，常遇到桥墩承台为了满足施工和防冲刷的需要，将承台埋入水下中风化乃至微风化岩石中，由于通常用的拉森钢板桩、单(双)层钢围堰不能打入到中风化或微风化岩层中，这就加大了承台的施工难度。例如，公开号为cn102409688a的中国专利文献，公开了一种钢板桩围堰的施工方法，所述施工方法包括以下步骤：(1)施工准备工作；(2)测量放线：根据围堰的设计尺寸和承台的中心位置，测量放线确定围堰的四个角点，并在角点处打设定位桩作为钢板桩围堰定位的控制点；(3)对由导梁、围囹、内撑、连系梁和托梁组成的内支撑系统施工；(4)围囹内撑先焊接拼装整体下放后进行插打钢板桩施工；(5)围堰吸泥；(6)围堰封底；(7)围堰抽水清基；(8)围堰拆除；该施工方法将所有围囹内撑先焊接拼装然后再整体下放，最后插打钢板桩，使围堰结构构件受力减小，缩短施工工期，降低施工风险；使钢板桩围堰在砂卵石层地质条件下得以成功实现。但是，该施工方法应用在普通岩石层地质条件时，存在钢板桩插打施工难度大，钢板桩围堰防冲刷能力有待提高的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水下嵌岩钢板桩围堰结构及其施工方法。

本发明通过以下技术方案得以实现：

一种水下嵌岩钢板桩围堰结构，包括多根钢板桩围成的环形围堰和设在环形围堰内侧的内支撑，所述环形围堰的下部通过混凝土固定在嵌岩槽内。

所述内支撑包括圈形围囹和设在圈形围囹上的斜支撑，圈形围囹的形状和尺寸与环形围堰的一致。

所述环形围堰内从下至上依次设有四层圈形围囹，各圈形围囹之间通过双拼工字钢进行连接。

所述环形围堰内的四层圈形围囹，从下至上第一层和第二层圈形围囹采用双拼工字钢制成，第三层圈形围囹采用四拼工字钢制成，第四层圈形围囹采用三拼工字钢制成，斜支撑采用工字钢、槽钢或方钢制成。

所述斜支撑采用满焊焊接在圈形围囹上。

所述嵌岩槽为回字形结构。

所述嵌岩槽的深度为钢板桩长度的1/4～1/2。

一种水下嵌岩钢板桩围堰施工方法，所述施工方法包括以下施工步骤：

(1)施工准备；

(2)测量放线：根据环形围堰的设计尺寸和承台的施工需要，测量放线确定环形围堰和平台的定位角点，并在各角点处打设定位桩作为环形围堰和平台施工的定位点；

(3)搭设平台：根据步骤(2)中平台定位桩的位置，下放钢管桩并进行固定，然后在钢管桩的顶部安装施工平台，该施工平台包括纵横交错设置的工字钢横梁层和工字钢纵梁层，工字钢纵梁层上安装有工字钢横梁层，工字钢横梁层上设有面板；

(4)平台开槽：在施工平台上开槽口，该槽口贯穿面板、工字钢横梁层和工字钢纵梁层；

(5)首次安装上下蜂巢定位板：在钢管桩上焊接上下两组三角牛腿，然后在上下两组三角牛腿上安装蜂巢定位板，安装后上下蜂巢定位板上的定位孔一一对正，且两蜂巢定位板的安装位置位于步骤中槽口的正下方；

(6)安装钢护筒群：使用吊车将钢护筒吊起，并对准上下蜂巢定位板上的一组定位孔将钢护筒逐渐沉放到位，采用同样的方法继续吊装钢护筒，直至蜂巢定位板上的各定位孔内均安装有钢护筒；

(7)钻机就位钻孔施工：钻机上的执行部件以步骤(6)中安装好的钢护筒作定位，逐孔完成钻孔作业，然后撤掉钻机和拆除钢护筒；

(8)错位钢护筒半径距离第二次安装上下蜂巢定位板：拆除步骤(5)中安装的上下蜂巢定位板，并将上下蜂巢定位板沿纵向移动一段距离，该距离等于钢护筒直径的1/2，然后将上下蜂巢定位板对应安装在上下两组三角牛腿上；

(9)重复步骤(6)和步骤(7)，并拆除上下蜂巢定位板；

(10)重复步骤步骤(4)至步骤(9)在其他三个方向进行施工，形成回字形嵌岩槽；

(11)安装上下钢板桩导向架：在施工平台和钢管桩上对应安装两钢板桩导向架，施工平台上的钢板桩导向架位于槽口处，钢管桩上的钢板桩导向架与施工平台上的钢板桩导向架对正；

(12)安装环形围堰及内支撑：人工配合吊车以步骤(11)中的两钢板桩导向架作定位安装钢板桩，逐步形成环形围堰，然后在环形围堰内安装圈形围囹和斜支撑；

(13)嵌岩槽混凝土封闭施工：同步对环形围堰内外侧的嵌岩槽空间浇筑混凝土，从而将环形围堰的下部固定安装在嵌岩槽内。

所述步骤(12)中钢板桩的安装顺序为从上游开始至下游合拢结束。

所述步骤(13)嵌岩槽混凝土封闭施工包括以下步骤：

①根据平台到嵌岩槽的距离配备两根导料管，导料管的一端与料斗装置的底部连接，另一端延伸到嵌岩槽的下部；

②在两根导料管内放入浮球；

③通过吊车将同步阀放置到料斗装置内，并安装到位；

④运输车将混凝土运送至平台上后，通过输送泵将混凝土泵送到料斗装置内，直至料斗装置盛满混凝土；

⑤通过吊车将同步阀吊起，料斗装置内的混凝土经导料管进入到嵌岩槽内，同时输送泵不断地向料斗装置内泵送混凝土，当嵌岩槽内的混凝土高度为嵌岩槽深度1/2～2/3时，拖动料斗装置和导料管沿钢板桩的横向在平台上往复移动，直至完成嵌岩槽混凝土浇筑施工。

本发明的有益效果在于：通过上下蜂巢定位板对钢护筒进行定位，定位简单快速，钢护筒沉放效率高，钻机的执行部件以钢护筒作定位，在基岩层上开凿嵌岩槽，通过料斗装置同步对环形围堰内外侧的嵌岩槽空间浇筑混凝土，从而将环形围堰的下部固定安装在嵌岩槽内，有效解决了钢板桩在岩石层地质条件下插打难度大的问题，同时提高了钢板桩围堰的防冲刷能力；采用非爆破的施工方法进行施工，有效降低了安全风险，对拟建承台周边的水环境和地质环境影响小，同时减小了对地基岩层的扰动和破坏。

附图说明

图1为本发明水下嵌岩钢板桩围堰结构的俯视结构示意图；

图2为图1沿a-a的剖视结构示意图；

图3为本发明的施工流程图；

图4为平台第一次安装蜂巢定位板后的主视结构示意图；

图5为图4的俯视结构示意图；

图6为图4的左视结构示意图；

图7为蜂巢定位板的结构示意图；

图8为吊车在平台上吊装钢护筒的结构示意图；

图9为平台上的钻机在基岩层上钻孔施工的结构示意图；

图10为基岩层上二次成孔与一次成孔的叠加示意图；

图11为施工后形成的局部嵌岩槽结构示意图；

图12为本发明的嵌岩槽的结构示意图；

图13为本发明的钢板桩安装施工示意图；

图14为对嵌岩槽进行混凝土浇筑的施工示意图；

图15为料斗装置的结构示意图。

图中：1-钢板桩，2-围囹，3-斜支撑，4-基岩层，5-嵌岩槽，6-混凝土，7-拟建承台，8-平台，9-蜂巢定位板，10-钢管桩，11-吊车，12-钢护筒，13-钻机，14-钢板桩导向架，15-料斗装置，16-导料管，17-同步阀，18-浮球。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1至图15所示，本发明所述的一种水下嵌岩钢板桩围堰结构，包括多根钢板桩1围成的环形围堰和安装在环形围堰内侧的内支撑，所述环形围堰的下部通过混凝土6固定在嵌岩槽5内。环形围堰可以是圆形、方形或其他形状，各钢板桩1依次首尾连接；采用非爆破方式进行施工，减小对地基岩层的扰动和破坏，提高了拟建承台7基底的承载能力，安全风险小，对拟建承台7周边的水环境及地质环境影响小。

所述内支撑包括圈形围囹2和安装在圈形围囹2上的斜支撑3，圈形围囹2的形状和尺寸与环形围堰的一致。

所述环形围堰内从下至上依次安装有四层圈形围囹2，各圈形围囹2之间通过双拼工字钢焊接连接。

所述环形围堰内的四层圈形围囹2，从下至上第一层和第二层圈形围囹2采用双拼工字钢制成，第三层圈形围囹2采用四拼工字钢制成，第四层圈形围囹2采用三拼工字钢制成，斜支撑3采用工字钢、槽钢或方钢制成。有效保证内支撑的结构强度，从而使环形围堰的上部结构固定。

所述斜支撑3采用满焊焊接在圈形围囹2上。

所述嵌岩槽5为回字形结构。嵌岩槽5的形状与环形围堰的一致，方便将环形围堰的下部放置和固定在嵌岩槽5内。

所述环形围堰内外侧的嵌岩槽5空间需同步灌注混凝土6。避免因混凝土6浇筑不同步影响嵌岩槽5封闭效果，从而影响环形围堰的抗冲刷能力。

所述嵌岩槽5的深度为钢板桩1长度的1/4～1/2。使环形围堰的下部固定在嵌岩槽5内后具有较强的抗冲刷能力。

一种水下嵌岩钢板桩围堰施工方法，所述施工方法包括以下施工步骤：

(1)施工准备；

a、技术准备：充分讨论平台8和嵌岩钢板桩围堰的方案，组织全体人员学习施工技术相关文件，进行岗位技术培训，建立健全组织架构和质量保证体系；

b、机械准备：准备吊车11、钻机13、振动锤、发电机等机械设备，及对这些设备进行全面清洁、保养、调试、检查和维修的相关设备，保证各类机械设备处于良好运转状态；

c、辅助装置或部件准备：准备蜂巢定位板9、钢护筒12、钢板桩导向架14、料斗装置15、导料管16、同步阀17和浮球18；

d、材料准备：准备的材料包括钢板桩1、双拼工字钢、三拼工字钢、四拼工字钢、钢管桩10、混凝土6等，及其他附属物要求供应及时，提前进场。

(2)测量放线：根据环形围堰的设计尺寸和承台的施工需要，测量放线确定环形围堰和平台8的定位角点，并在各角点处打设定位桩作为环形围堰和平台8施工的定位点。

(3)搭设平台：根据步骤(2)中平台8定位桩的位置，下放钢管桩10并进行固定，然后在钢管桩10的顶部安装施工平台，该施工平台包括纵横交错设置的工字钢横梁层和工字钢纵梁层，工字钢纵梁层上安装有工字钢横梁层，工字钢横梁层上安装有面板；在使用时，用吊车11吊起钢管桩10至平台定位桩，测量定位后缓慢下放钢管桩10，观测并调整钢管桩10的垂直度，通过振动锤使钢管桩10逐渐下沉，直至钢管桩10露出水面高度为1.5m～2m时停锤，焊接上节钢管桩10并振动下沉至设计标高，若将钢管桩10固定在基岩层4上，需要先在基岩层4上钻孔，再将钢管桩10的下部放到孔内，然后向各桩孔内灌入一定量的水泥砂浆使钢管桩10固定，在各钢管桩10之间焊接加强横杆，以保证钢管桩10群的支撑强度和整体稳定性，在钢管桩10的顶部焊接双拼工字钢后，将工字钢纵梁层焊接在双拼工字钢上，将工字钢横梁层焊接在工字钢纵梁层上，最后将面板焊接在工字钢横梁层，面板为10mm厚的防滑花纹钢板。

(4)平台开槽：在施工平台上开槽口，该槽口贯穿面板、工字钢横梁层和工字钢纵梁层；方便开凿嵌岩槽5和对嵌岩槽5进行混凝土6浇筑施工。

(5)首次安装上下蜂巢定位板：在钢管桩10上焊接上下两组三角牛腿，然后在上下两组三角牛腿上焊接蜂巢定位板9，焊接后上下蜂巢定位板9上的定位孔一一对正，且两蜂巢定位板9的安装位置位于步骤(4)中槽口的正下方；三角牛腿采用角钢制成，如图7所示，蜂巢定位板9上的定位孔孔径比钢护筒12的外径大30mm～50mm，蜂巢定位板9上加工有两排定位孔，每排定位孔的孔间距相等，沿蜂巢定位板9的长度方向两排定位孔的孔位错开一段距离，该距离与定位孔的半径相等；焊接后上下蜂巢定位板9上对应定位孔的中心线重合；通过上下蜂巢定位板9对钢护筒12进行定位，定位简单快速，提高钢护筒12的沉放效率。

(6)安装钢护筒群：使用吊车11将钢护筒12吊起，并对准上下蜂巢定位板9上的一组定位孔将钢护筒12逐渐沉放到位，采用同样的方法继续吊装钢护筒12，直至蜂巢定位板9上的各定位孔内均安装有钢护筒12。

(7)钻机就位钻孔施工：钻机13上的钻头以步骤(6)中安装好的钢护筒12作定位，逐孔完成钻孔作业，然后撤掉钻机13和拆除钢护筒12；钻孔作业完成后，在基岩层4上形成一次成孔，一次成孔的形状和位置与蜂巢定位板9上的定位孔一致。

(8)错位钢护筒半径距离第二次安装上下蜂巢定位板：拆除步骤(5)中安装的上下蜂巢定位板9，并将上下蜂巢定位板9沿纵向移动一段距离，该距离等于钢护筒12直径的1/2，然后将上下蜂巢定位板9对应安装在上下两组三角牛腿上。

(9)重复步骤(6)和步骤(7)，并拆除上下蜂巢定位板9；重复步骤(6)和步骤(7)后得到二次成孔，二次成孔与一次成孔部分重叠，从而去除一次成孔时孔与孔之间的孔壁部分，得到1/4嵌岩槽5。

(10)重复步骤步骤(4)至步骤(9)在其他三个方向进行施工，形成回字形嵌岩槽5。

(11)安装上下钢板桩导向架：在施工平台和钢管桩10上对应安装两钢板桩导向架14，施工平台上的钢板桩导向架14位于槽口处，钢管桩10上的钢板桩导向架14与施工平台上的钢板桩导向架14对正。

(12)安装环形围堰及内支撑：人工配合吊车11以步骤(11)中的两钢板桩导向架14作定位安装钢板桩1，逐步形成环形围堰，然后在环形围堰内安装圈形围囹2和斜支撑3；环形围堰合拢后，在其内壁上划线确定各层圈形围囹2的安装位置，然后将各圈形围囹2焊接在环形围堰内，在各圈形围囹2之间焊接双拼工字钢作为支撑，最后在圈形围囹2上焊接斜支撑3。

(13)嵌岩槽混凝土封闭施工：同步对环形围堰内外侧的嵌岩槽5空间浇筑混凝土，从而将环形围堰的下部固定安装在嵌岩槽5内。

所述步骤(12)中钢板桩1的安装顺序为从上游开始至下游合拢结束。

所述步骤(13)嵌岩槽混凝土封闭施工包括以下步骤：

①根据平台8到嵌岩槽5的距离配备两根导料管16，导料管16的一端与料斗装置15的底部连接，另一端延伸到嵌岩槽5的下部；

②在两根导料管16内放入浮球18；

③通过吊车11将同步阀17放置到料斗装置15内，并安装到位；

④运输车将混凝土6运送至平台8上后，通过输送泵将混凝土6泵送到料斗装置15内，直至料斗装置15盛满混凝土6；

⑤通过吊车11将同步阀17吊起，料斗装置15内的混凝土6经导料管16进入到嵌岩槽5内，同时输送泵不断地向料斗装置15内泵送混凝土6，当嵌岩槽5内的混凝土6高度为嵌岩槽5深度1/2～2/3时，拖动料斗装置15和导料管16沿钢板桩1的横向在平台8上往复移动，直至完成嵌岩槽5混凝土6浇筑施工。

如图15所示，所述料斗装置15包括料斗主体，料斗主体包括主体框架，及焊接在主体框架上将主体框架围成漏斗状容纳腔的板件，料斗主体的底部焊接有分流鞍，料斗主体的底部在分流鞍的两侧均焊接有下料管；分流鞍的两侧分别焊接一根规格一致的下料管，并在料斗主体装混凝土6之前通过同步阀17将料斗主体底部的下料管堵住，待料斗主体内装满混凝土6后，通过吊车11吊起同步阀17，使料斗主体内的混凝土6同时灌入两根导料管16，从而同步对环形围堰内外侧的嵌岩槽5空间浇筑混凝土6。

本发明所述的一种水下嵌岩钢板桩围堰结构及其施工方法，其工作原理如下：

通过上下蜂巢定位板9对钢护筒12进行定位，定位简单快速，钢护筒12沉放效率高，钻机13的执行部件以钢护筒12作定位，在基岩层4上开凿嵌岩槽5，通过料斗装置15同步对环形围堰内外侧的嵌岩槽5空间浇筑混凝土6，从而将环形围堰的下部固定安装在嵌岩槽5内，有效解决了钢板桩1在岩石层地质条件下插打难度大的问题，同时提高了钢板桩围堰的防冲刷能力；采用非爆破的施工方法进行施工，有效降低了安全风险，对拟建承台7周边的水环境和地质环境影响小，同时减小了对地基岩层的扰动和破坏。