深水钢板桩围堰结构计算与应用

高明成

(中铁十局集团西北工程有限公司，陕西西安 710065)

1 工程概况

平果右江双线特大桥为云南至广西铁路站前工程Ⅰ标控制性工程之一，全长1 496 m，主跨采用(80+144+80)m连续梁跨越右江，连续梁主墩为18，19号墩。全桥共有墩台39个，其中桩基础承台21个，扩大基础承台18个;桩基146根，桩长平均11 m，其中直径为1.25 m的桩基122根，直径为2.0 m的桩基24根，墩身结构形式为圆端型实体桥墩。

2 方案选择、分析及验算

2.1 施工方案的选择

最初施工方案拟选用钢套围堰进行深水承台施工，但考虑这种围堰在水压力作用下，只产生环向轴力，虽减少内支撑，但采用此方法需要把巨大而沉重的钢套箱整体沉入水中，工序复杂，吊运困难，钢板桩重复利用率低，不经济，并且承台下部地质形状呈锯齿形，封堵困难。公司考虑既有机械设备、地质条件以及钢板桩市场外购及外租价格，并进行结构计算、技术论证，拟采用钢板桩围堰施工，钢板桩不仅施工方便，周转率高，折旧低，而且大大降低了施工成本。

2.2 钢板桩围堰结构设计、验算

1)钢板桩尺寸。钢板桩围堰长、宽尺寸受承台直径和安装、拆卸承台模板时的作业面控制，因承台埋置河床下，且施工水位深5 m左右，所以承台尺寸为15.8 m×11.6 m×4.0 m，开挖拟设计钢板桩围堰尺寸为:20.4 m×16.2 m×11 m。

2)参数取值(见表1)。桥墩中心处地质情况，水流速度v= 2.96 m/s，水的容重9.8 kN/m3。

3)钢板桩检算:根据土层特点，仅对钢板桩围堰的自身强度和整体稳定性检算。考虑钢板桩插打时对土层产生的扰动，土体容重均按浮容重考虑。根据综合情况按挖深至79.6 m，此时钢板桩长为10 m;钢板桩挖深至河床覆盖层，钢板桩围堰外侧承受荷载主要为静水压力，平均桩长12 m。利用midas程序对钢板桩围堰进行整体建模(见图1)。

表1 参数取值

检算结果:围囹计算。围囹受到的最大应力发生在最下层围囹与内撑相交处，值为54.8 MPa，小于容许应力140 MPa，满足要求。

4)内撑计算。钢管截面面积A=(529×529-513×513)× 3.14/4=13 088 mm2，惯性半径i=1/4×√(5 292+5 132)= 184 mm，λ=12 913/184=70，φ=0.751，所以钢管考虑稳定自身所能受最大压力:N=φ×A×［f］=0.751×13 088×140= 1 376 kN，内撑受到的最大应力值为68.1 MPa，小于容许应力140 MPa，满足要求。内撑受到的最大轴力值为1 078.8 kN，发生在最下层斜撑上，小于容许轴力1 376 kN，满足要求。

图1 钢围堰图

5)钢板桩计算。计算得到钢板桩围堰每延米的绕水平轴的最大弯矩为183 kN·m/m，取一片钢板桩进行验算，钢板桩的宽带为0.4 m，查得钢板桩边缘断面的模量为:W=814.8 cm3，计算得到钢板桩外缘应力为:σ=M/W=0.4×248.2×103/0.000 814 8= 121.8 MPa。钢板桩弯矩图见图2。

图2 钢板桩弯矩图

最大值发生在顺桥向南侧河床覆盖层与钢板桩的相交处，钢板桩容许应力为140 MPa，应力满足要求。结构的屈曲模态计算结果如图3所示，结构的屈曲模态最小特征值为97.8，结构整体稳定性能满足要求。

图3 整体屈曲模态

3 钢板桩施工方案

3.1 施工准备

新购入钢板桩材料进场时，应检查产品合格证、尺寸以及力学性能是否符合要求，经整修或焊接的钢板桩，现场进行钢板桩锁口试验。分类堆放、编号、登记检验合格的钢板桩。采用组桩插打钢板桩时，组桩的嵌缝用旧棉絮塞填紧密，组桩及单块桩两侧锁口均在插打前涂黄油，以便降低摩擦力，增加防渗性能。

3.2 围笼安装

安装围笼时，首先进行测量定位，用一层导框做成围笼，然后打定位桩，在定位桩上挂装导框，导框在岸边组成，浮运到位以缆索锚碇，在开始插打板桩后，逐步将导框转挂在已打好的板桩上。

3.3 插打钢板桩至合龙

1)本项目钢板桩采用开始一部分逐块插打，后一部分则先插合龙后再打的施工方法。2)施打前，在锁口内涂抹防水混合料，组拼桩时用棉絮塞缝。3)根据钢板桩围堰计算尺寸、布桩原则以及轮廓线，并结合平果右江河流水位、流速等特点，浮吊固定在桩位上游，先施工上游一排桩，并与技术人员测设已知点、控制轴线相呼应，浮吊就位后，按照施工顺序逐根施工。在合龙口插打钢板桩，然后在合龙口处采用钢板桩插打一个半径约1.5 m的半圆将合龙口围住，在半圆内填筑砂袋，由潜水员下水进行仔细堆码将合龙口的缝隙封堵，这样会有少量的漏水，采用水泵强抽排除。在钢板桩全部插打完成后，安装围囹之前采用振动锤将钢板桩逐根全部进行重复振打一遍。

3.4 封底浇筑

由于外防水封堵方法复杂，很难进行，并且水下封底可能造成钢板桩不能拔出，根据必选采用先抽水、加内支撑，然后封底。当清淤达到要求时，按常规进行封底施工，封底时在钢板桩围堰内侧支模，采用C25混凝土封底，厚度约1.3 m。

3.5 抽水、防渗及堵漏

抽水前，在钢板桩与导框之间空隙处用方木或枕木塞紧，确保导框在压力作用下均匀分布，用大型的泥浆泵和清水泵抽水，在抽水过程中若发现有渗漏，锁口不密实时，需要积极采取措施，采用板条、棉絮或土工布在板内侧塞缝，同时在外侧水中撒放锯末或煤渣夹粉土混合物，在流动水以及钢板桩侧壁水压力作用下冲入缝隙或渗漏处，达到封闭的目的。若水下渗漏过大，必须采用快硬早强的高标号混凝土水下浇筑封底。

3.6 承台和桥墩施工

抽完水后，人工清理基底，避免基底承载力受损，导致漏水，基坑开挖到设计标高后，采用空压机破除桩头，桩头设计桩顶以上20 cm用人工破除。桩头破除后平整基坑底面，浇筑20 cm混凝土垫层。垫层混凝土达到设计强度后，支立钢模板，并把在陆上绑扎好的承台钢筋主体骨架吊入模板内，修正完毕经监理验收合格后，分层分段斜向浇筑承台混凝土，承台施工完成后施工墩柱。

3.7 钢板桩的拔出

施工完承台墩身后，按照打桩的逆顺序、受力状态、拔桩的难易程度以及水位的高低等将钢板桩拔出，在拔出钢板桩前，向围堰内灌水，使围堰内水面高出河水面1 m左右，利用静水压力将钢板桩推开，使其水下封底混凝土脱离，必要时用打桩锤击打待拔的钢板桩，使桩底松动后再一一拔出。若部分钢板桩很难拔出，使用外加荷载导致桩身变形、扭曲等现象，材料人员应及时修正变形的桩，同时进行涂抹防锈漆或油类物养护，确保钢板桩正常使用。

4 施工注意事项

1)打桩顺序选择上，从上游开始，至下游合龙。2)施工过程中，重锤低击，均匀施打，同时做好打入记录，确保桩入岩以及单桩承载力。3)施打前和施工过程中，应随时观察桩是否发生倾斜、偏移，若发生偏移，及时采取措施予以矫正。

5 结语

通过钢板桩围堰结构计算与应用，掌握深水施工钢板桩围堰结构计算参数、施工方案等，为类似施工提供参考。

［1］ 欧领特.钢板桩工程手册［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 聂庆科，梁金国，韩 立.深基坑双排桩支护结构设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［3］ GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［4］ 杜永昌.高速与客运专线铁路施工工艺手册［M］.北京：科学技术文件出版社，2003.