顺德水道特大桥深水钢板桩围堰设计与施工

蔡忠泽

(中铁六局集团石家庄铁路建设有限公司，石家庄 050010)

1 概述

顺德水道特大桥地处广东佛山地区，位于顺德桃村和三洲间的西海河道上，在广珠西线公路老桥和太澳高速新桥之间，桥梁区范围内的水面狭窄，施工条件较差。顺德水道特大桥在水中共有12个桥墩(59号墩～70号墩)，水深在7～21 m。

由于钢板桩整体刚度大，打拔桩容易，施工速度快，且回收率高，节省成本，防水性能好，打入时穿透能力强。同时还特别适用于场地狭小、无条件做止水帷幕的工程施工[1]。鉴于顺德水道特大桥处水面狭窄，且围堰有效深度内地层结构为第四系全新统海陆交互相冲积层，土质淤泥质亚黏土和粉砂土，适合钢板桩的插打。经过综合分析，对于顺德水道特大桥水中的11个承台和墩身施工均采用钢板桩围堰进行支护，但是根据桥梁基础施工的实践来看，钢板桩围堰一般适用于水深20 m以下的河道，而该特大桥桥墩处的最大水深达到了20.5 m，在钢板桩围堰的设计和施工方面存在着一定的难度。

2 钢板桩围堰的设计

2.1 设计方案

通过对主航道的深水处各个桥墩所在河道水深、地质条件的分析，综合考虑了各种类型的钢结构围堰并进行了全面比较，最后决定采用拉森型钢板桩围堰[2，3]。由于水深较大，在对钢板桩围堰受力、变形、稳定和反涌上浮等进行初步的分析和计算后，针对钢板桩受力的一些薄弱环节，最终决定采用改造强化内支撑体系长钢板桩围堰，即对钢板桩围堰采用了框构式内围囹、网式支撑与30 m长钢板桩相结合的结构形式，从而可以满足深水20.5 m，长桩(最长桩长度为30 m)，软基(最深层为19 m)状况下钢板桩围堰的受力、变形、稳定性和基底反涌上浮的稳定等方面的要求。

根据水中桥墩的布置情况，30 m深的围堰共有9个，其中63号墩所在河道水深最大，为20.5 m，且承台最大，篇幅所限，这里仅介绍63号桥墩围堰的设计。围堰采用了宽度为40 cm的拉森Ⅳ型钢板桩，钢板桩总长度为30 m。设计时按照施工期间围堰最高水位+3.5 m计，围堰顶的高程取为+4.0 m。由于63号承台的尺寸为19.2 m×16.2 m的矩形，考虑支立模板的作业空间，围堰的平面尺寸采用了23.2 m×20.2 m的矩形结构，封底混凝土厚度为5 m，如图1所示。在围堰内自上而下共设置了4道围囹以及内支撑，并且在第2、3、4围囹之间设置了12道竖向支撑和相应的剪刀撑，从而使2、3、4层围囹连成整体。4层围囹的高程和截面参数如表1所示。

图1 63号墩围堰布置(单位:m)

表1 63号墩围堰各围囹的高程

2.2 钢板桩封底厚度计算[4]

2.2.1 根据浮力计算封底厚度

作用在封底层的浮力是由封底混凝土和围堰的自重以及围堰在土中的摩擦阻力平衡的，当板桩打入基坑底以下的深度不大时，从安全角度考虑，浮力主要靠封底混凝土自重平衡，即采用下式[5]

解得

式中x——封底混凝土的厚度，m;

γc——封底混凝土容重，取23 kN/m3;

γw——水容重，取 9.8 kN/m3;

h——清淤后的水深，取21.02 m;

μ——考虑未计算桩土之间摩阻力和围堰自重的修正系数，根据土质及施工经验取为0.3。

将以上参数代入公式(1)得到封底混凝土的厚度为4.8 m，由于灌注的封底混凝土肯定会具有顶层浮浆，抽水后将顶层浮浆需要凿除，为了保证封底混凝土的质量，这里考虑了0.2 m的储备厚度，因此封底混凝土厚度取为4.8+0.2=5.0 m。

2.2.2 根据封底混凝土应力计算封底厚度

根据建筑施工计算手册[6]，封底混凝土的厚度宜按下式计算

式中ht——封底混凝土的厚度，m;

Mtm——在最大均布反力作用下的最大设计弯矩(kN·m)，按支承条件考虑的荷载系数可由结构设计手册查取，查表得到其值为1 568.696 kN·m;

——混凝土弯曲抗拉极限强度，取1.3 MPa;

封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.2～0.5 m，以便在抽水后将顶层浮浆和软弱层凿除，以保证质量。所以封底混凝土厚度x取为4.28+0.2=4.48 m。

综上所述，封底混凝土的厚度取为5.0 m满足要求。

2.3 基坑稳定性验算

稳定性计算考虑了2个方面，一是为了防止在坑底内抽水可能引起流沙的危险，二是坑底软土的隆起计算。

对于流砂采用简化计算方法进行验算[7～9]。其原则是板桩有足够的入土深度以增大渗流长度，减小向上动水力。由于基坑内抽水后引起的水头差为h＇造成的渗流，其最短渗流途径为h1+t。h1为桩长，t为封底混凝土底面到钢板桩底部的距离，在流程t中水对土粒动水力应是垂直向上的，故可要求此动水力不超过土的浮重γb，则不产生流沙的安全条件为

γsi——荷载安全系数，取 1.1;

γm——材料安全系数，取2.31;

b——计算宽度，取 1 m。

故封底混凝土的厚度为

式中，K为安全系数，根据建筑施工计算手册，取1.5～2.0，这里的K取1.5;i为水力梯度，即为水的容重，取10 kN/m3，γb为土的浮容重，取 9 kN/m3。

代入公式得:K·i·γW=1.5×0.514×10=7.71＜γb=9，桩长定为30 m满足稳定性要求，不会出现流沙的危险。

对于较深的软土基坑在水压力作用下，围堰坑底的软土可能受挤在坑底发生隆起现象，根据建筑施工计算手册，这里采用滑动面简单方法进行验算。

式中:γW为水的容重，取10 kN/m3;H为封底混凝土底部水深，即 17.715+3.5=21.215 m;α=arctan(b/h)=arctan(11.6/3)≈1.32(rad)，h为最底层内支撑相对封底混凝土的顶高度，b为坑底长度(23.2 m)一半，即为11.6 m;Su为滑动面上不排水抗剪强度，取50 kPa。

2.4 钢板桩及内支撑的计算

根据分析，钢板桩围堰的最不利工况为浇筑封底混凝土后并把围堰内的水抽光，取此工况对结构进行验算。围堰结构所受的侧压力包括以下几个方面[7，8]:一是在河床以上范围内三角形荷载的静水压力，即Pa=ρgH1(H1为封底混凝土底面距离水面的高度);二是河床以下至封底混凝土底面以上范围内所受静水压力以及主动土压力之和。主动土压力和被动土压力均根据朗金土压力理论来进行计算[10]，主动土压力系数Ka=tan2(45°－φ/2)，由于围堰开挖范围内的土质为粉砂或淤泥质土，偏于安全，内摩擦角取为10°，则Ka=0.704，土的饱和容重 ρ2=9.0 kN/m3，因此主动土压力计算公式为:Pa=ρ2KaH2(H2为封底混凝土底面距河床底的高度)。同样，被动土压力Pb=ρ2KbH2，Kb=tan2(45°+φ/2)。

计算采用有限元软件midas civil 6.71。在建立围堰模型的时候，钢板桩采用板单元，根据等刚度的原则，将钢板桩截面换算为等效的矩形板截面。其中钢板桩采用板单元模拟，内支撑体系与围囹均采用梁单元模拟，63号墩围堰的midas计算模型如图2所示，围囹和支撑的构造如图3所示。各层围囹的内支撑采用了与围囹同型号的单根工字钢;第2、3、4层围囹间设置的12道竖向支撑和相应的剪刀撑、竖向支撑则都采用了单根I40a的型钢。

图2 63号墩计算模型

图3 63号墩围囹和支撑构造

经过计算，在侧向压力的作用下，围堰结构的最大位移为13.8 mm，如图4所示，满足要求。同时计算得到钢板桩围堰每延米的绕水平轴最大弯矩为298.9 kN·m/m。取1片钢板桩来进行验算:钢板桩的宽度为0.4 m，查得钢板桩边缘断面的模量为:W=814.8 cm3，则可以得到钢板桩外缘的应力为142.9 MPa，小于Q235钢的容许应力145 MPa。

支撑、围囹的应力计算结果如图5所示，最下面一道支撑围囹的最大应力达到118.6 MPa，根据公路钢结构设计规范，亦在Q235钢的容许应力范围内，能够满足要求。

图4 结构变形计算结果

图5 支撑、围囹的应力

3 施工难点及处理方法

由于钢板桩桩长高达30 m，水深也超过了20 m，因此在进行钢板桩围堰施工时，存在着以下难点:(1)超长钢板桩细软导致吊装不便，施打易弯、易扭、易变形，且由于桩底周围土层软弱，桩底位置不易控制;(2)深水漂浮使得钢板桩不易定位，且难以控制垂直度，并且围堰周边长，边线易产生弯曲;(3)围堰临水面大，因此侧压力大使得板壁易变形，渗漏水较难控制;(4)封底难度大。一方面，混凝土体积大，浇筑难度大，持续时间长，厚度高达5 m，体积在1 250～2 323 m3，在布管、移管等施工方法上须采取相应措施;另一方面由于最大水深20.5 m，水压大，须适当控制提管和混凝土浇筑速度;此外，基底软弱，易产生底层混凝土挤淤。

针对以上问题，在钢板桩施工时采取了以下措施确保施工顺利、安全。(1)先下围囹后打桩，围囹自下而上分层下放、分层安装，这需要潜水员水下作业，安装围囹的同时还要在围囹上增加导向点，这样即可控制钢板桩的扭曲变形和打入的垂直度以及边线的走向，同时施工需要严格控制，保证钢板桩紧贴围囹边插打;(2)采用超长平板驳船运输，长臂浮吊4吊点起吊钢板桩，确保吊桩稳、竖直、安全;(3)采用液压压桩并且采用吊压配合，确保压桩平稳、下沉均匀;(4)根据本桥围堰水下封底混凝土所具有的特点和难度，采取了如下施工方案:①将围堰分为12个仓，分仓隔板可用废旧模板进行加工成片后，运至水上施工平台进行拼装，待水下挖基完成后，由潜水员下放至设计高程，并用钢管将其与钢护筒双向支撑，隔板与护筒间采用[10槽钢进行焊接，作为隔板支撑，如图6所示;②封底混凝土浇筑顺序:先浇筑 A、E、I、D、H、L 6 个仓的混凝土至混凝土面上升1.0～1.2 m时停止灌注，然后将料斗拆下安装至剩下的 B、C、F、G、J、K 6 个仓，待这6个仓内混凝土上升2.0～2.2 m时停止灌注，再将料斗拆下安装至前6个隔仓，浇筑至3.0～3.2 m高，如此循环直至所有舱内混凝土浇筑至设计高程。

图6 封底混凝土隔仓平面布置

此外，当封底混凝土完成以后对基坑抽水时，对于锁口不密而产生漏水现象时，采用湿棉絮塞缝。对桩缝较宽的可采取麻丝根掺黄油塞缝止水，还可以采用粉煤灰、锯木沫、膨胀水泥于围堰外沿桩角顺水流方向撒放的综合处理办法，以达到止水的目的。

4 结语

顺德水道特大桥30 m长的钢板桩围堰，在国内钢板桩围堰用于软基施工中较为罕见，目前顺德水道特大桥已经顺利完工，施工中63号墩围堰的实测最大变形仅为12.5 mm。采用钢板桩围堰，降低了施工成本，且保证了施工工期，取得了很好的社会效益和经济效益。

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