嵌岩承台钢板桩围堰的设计与施工

张 芳

(中铁第十四工程局集团第三工程有限公司，山东兖州 272100)

在深水桥梁基础施工中，采取何种措施进行阻水是施工的关键，它直接影响工程的工期和成本。通常采取的阻水措施大致有以下几种:竖井、混凝土沉井、钢板桩围堰、钢围堰、薄壁钢筋混凝土围堰、钢吊箱围堰、锁口钢管桩围堰等。根据不同的地质条件可选择不同的围堰形式。锦赤铁路洗矿厂特大桥8号～13号墩位于英达矿业尾矿库中，水深约5m～8m，承台开挖深度9m～13m。地质情况从上至下依次为含少量块石的杂填土、素填土、尾矿弃渣为主的密实中砂、全风化片麻岩，承台不同程度的进入全风化片麻岩。

1 方案比选

在桥梁钻孔桩施工完毕降低承台开挖面以后，根据桥位的地质情况，对竖井、沉井、钢板桩围堰三种阻水方案进行了比选、论证。

1)竖井方案。通过土体加固及降水处理后，采用无支护的方式直接进行承台开挖;此方案的优点是施工速度快，工期可靠;缺点是对排水、降水及注浆加固设计和施工控制要求较高，竖井拆除较难。

2)沉井方案。采用此方案的优点是内部无支撑，施工方便;可以根据开挖深度接高，对环境适应能力强;缺点是施工工序较多、控制纠偏难度较大;穿越孤石能力差，遇到大块石，下沉困难;基础施工完毕后无法拆除。

3)钢板桩围堰方案。优点是插打钢板桩简单，拆除容易，可以重复利用，施工成本相对较低;缺点是钢板桩围堰入岩难，穿越块孤石能力差，存在较大的安全、质量风险;内部支撑多，影响承台开挖。

以上三种方案都可行，并各具优缺点，考虑到现场的场地条件、施工成本及环境保护等综合因素，最终采用钢板桩方案，通过施工情况看，此方案取得了良好的效果。

2 钢板桩围堰的设计

2.1 钢板桩围堰的结构布置

根据本桥的实际情况钢板桩采用拉森Ⅴ型，其中10号，11号墩采用15m长钢板桩，五层围囹支撑;9号，12号采用12m长钢板桩，围囹采用四层。为了承台墩身施工方便，每层围囹采取不同的结构形式，围囹支撑具体布置见图1，图2。

2.2 钢板桩围堰计算

本方案以本桥11号墩为例，按照钢板桩打入承台底部全风化片麻岩2m为依据进行设计。基础开挖深度为13m，钢板桩总长度选择15m。

2.2.1 钢板桩受力检算

填土的力学参数选择如下:填土的自重为17kN/m3，浮容重为7kN/m3，内摩擦角参考粘土的内摩擦角取20°(本文以开挖至基坑底，钢板桩受力最大的情况为例进行计算分析)。

拉森钢板桩的计算按照等值梁法进行计算，则有钢板桩底部水土压力计算为:

基底水土压力之和为156.08kPa，荷载分项系数取1.2，则有计算最大受力为156.08×1.2=187.3kN/m。

在开挖至基坑底，封底混凝土未施作之前，此时钢板桩的受力最大。由于钢板桩无法打入强风化岩层，在这种工况下，底部嵌固深度不能为钢板桩提供足够的支撑力，底部无支撑点。此工况下采用Beam软件分析钢板桩受力(见图3)。

钢板桩封底以后，采用Beam软件分析钢板桩的受力(见图4)。

钢板桩按照每延米进行受力计算，拉森Ⅴ型钢板桩其最大允许弯矩为:

通过计算看出，钢板桩强度满足受力要求。

2.2.2 钢围囹受力检算

钢板桩围囹最大压力为604kN/m，围囹采用3Ⅰ50a工字钢，采用Midas计算程序建立受力模型，对钢围囹的受力进行检算，两种不同结构形式钢围囹受力的应力图见图5。

通过图5可以看出，钢围囹最大的应力为:

192mPa＜[σ]=210mPa，因此钢围囹强度满足要求。

3 钢板桩围堰的施工

1)施工场地准备。降低尾矿库内水位后，在桥梁施工的范围内清除淤泥，坡脚底部远离钢板桩围堰10m以上，将钢板桩围堰施工地面标高降低至414m。整平施工场地，在施工便道范围内填石渣，保证大型设备进入施工场地。在基坑以外适当位置设置排水沟，防止基坑开挖施工过程中雨水流入基坑。

2)插打试桩。为了确认钢板桩实际打入深度，采用90t振动锤在每个承台周围分别插打部分试桩，根据实际打入深度确定每个承台钢板桩的入土长度，以便及时进行方案调整。

3)导向架的安装。导向架采用单层双面形式，通常由导梁和围檩桩等组成。

4)钢板桩插打。在钢板桩锁口内涂黄油，安置吊点，根据钢板桩长度在桩1/3以上处捆扎，捆扎处应有夹板，并垫有木板，防止绑扎滑移和吊点受力后锁口变形。振动锤将桩夹住后，进一步复核桩的垂直度、位置，认可后进行插打，使钢板桩打至不再下沉为止，其他钢板桩则以插打好的桩为准，对准锁口，控制好方向。

5)钢板桩底部注浆加固。由于钢板桩需要嵌入全风化岩层，为了确保钢板桩围堰在承台基坑开挖时的周围土体的稳定和封底后围堰内不渗水，在钢板桩内外侧均匀打入注浆管，通过注入水泥浆使周围的矿渣固结。注浆管采用φ108mm钢管，壁厚3.5mm。在钢管壁上按照15cm～20cm间距梅花形钻孔，钻孔孔径3mm，底部封闭，注浆管尾部预留一定长度不钻孔。注浆管采用钻孔后放入孔中，注浆管底部应超过钢板桩底部至承台底标高下6m，注浆管的间距按1.5左右的间距进行布置。注浆按照先外后内的顺序进行，先沿外轮廓线注浆管注浆，然后逐步向内注浆，保证注浆压力，待浆体达到一定的强度后进行承台基坑的开挖。

6)降水开挖。在承台下游，布设一排降水井，降水井间距20m，距离承台边线12m左右，降水井直径60cm，深度25m。土方开挖前进行井点降水，保持基坑内无水，便于挖土，机械进出口通道及四周采用换填并铺垫钢板以扩散压力，减小侧压力。承台开挖采用履带吊抓斗配合人工开挖。

7)钢板桩围堰封底。由于采取了注浆加固和井点降水的措施，在承台基坑开挖到设计封底标高后采用干封法进行围堰封底。为了确保施工安全，围堰封底混凝土须连续浇筑完成。

8)钢板桩围堰拆除。围堰内承台和墩身混凝土强度达到一定强度后，进行拔桩，拔桩前应先向基坑内填土或注水，当水位临近支撑时割除钢板桩围囹支撑。因注浆不能拔出的进行切割回收。

4 结语

1)对于地下水位较高的土层、砂层以及嵌入全风化岩层的基础，采用钢板桩围堰进行基础的施工，具有施工周期短、施工方便、成本低的特点，在工程施工中已被广泛的采用。

2)对于地下水位高，周围土层松散的地层，采用先注浆加固，后井点降水的方法进行基坑的开挖，可以减小封底混凝土的厚度，增加围堰的稳定性，并且钢围囹的间距可以适当加大，围囹的截面积也可以减少，减少了周转材料的用量，从而降低了工程成本和施工风险。

3)在水位变化较大的深水中采用钢板桩围堰进行基础施工时，在进行围囹支撑的受力检算时，必须考虑最高水位时水压力和流水的冲击力，以确保支撑具有足够的强度，防止围堰被挤垮。

[1]公路施工手册《桥涵》[M].北京:人民交通出版社，2000.

[2]TB10203-2002，铁路桥涵施工技术规范[S].

[3]TB10002.1-99，铁路桥涵设计基本规范[S].

[4]刘自明.桥梁深水基础[M].北京:人民交通出版社，2004.