钢板桩围堰在水中桥墩加固工程中的应用研究

马　梁

(武汉华宸土木工程技术咨询有限公司　武汉　430071)

钢板桩围堰在水中桥墩加固工程中的应用研究

马梁

(武汉华宸土木工程技术咨询有限公司武汉430071)

摘要以松原市松花江大桥36号桥墩检测加固项目为工程背景，根据水文地质及桥墩检测加固需要进行了方案设计，对钢板桩围堰进行了结构设计计算，并对其施工要点进行了阐述。对该钢板桩围堰的创新点进行了归纳总结。

关键词钢板桩围堰水中桥墩加固螺栓连接设计施工技术

目前水中桥墩承台和桩基检测加固需要借助围堰形成干施工环境才能进行。

钢板桩围堰是最常用的一种围堰，具有强度高、施工速度快、防水性能好等诸多优点，并能按需要组成各种外形的围堰，又可多次重复使用。钢板桩围堰与双壁钢围堰和钢套箱相比，有结构简单、插打比较容易、施工工期短、经济性好和质量易于控制等优点，在桥梁施工中常用于沉井、管柱基础、桩基础及明挖基础等的施工[1-2]。

与新建桥墩所需的钢板桩围堰相比，旧桥桥墩检测加固所用的围堰有如下限制。

(1) 由于桥梁上部结构的存在，使得桥下施工净空受到限制。钢板桩和定位桩的接头数量多。

(2) 由于桥梁下部结构的存在，钢围檩无法整体下沉。

对于旧桥桥墩检测加固工程中钢板桩围堰的应用国内尚无相关经验，急需结合旧桥桥墩检测加固工程的特点，对适用于旧桥加固工程的钢板桩围堰进行相关研究。

1工程背景

吉林省松原市松花江大桥全长1 389 m，共计38孔，分左右幅，每幅桥面宽11 m，为双向4车道。左幅桥下部结构采用现浇混凝土门式墩及实体墩，钻孔桩基础。右幅桥下部结构采用门架式墩，基础采用直径为1.2 m的钻孔灌注桩，桩基础布置呈3排梅花形(共8根)。

由于右幅桥梁的部分桩基础和承台出现了严重的病害，部分桩基础已经断裂，急需对其承台和桩基础进行检测和加固。

为满足施工的需要，需在待加固的桥墩周围安设围堰，作为桩基检测加固和承台加固施工的临时挡水结构。

本文以桥墩处河床断面为斜坡面，桥墩承台过半处于浅滩露出水面，小部分处于水下的36号桥墩围堰为研究对象。

36号桥墩水深最大为7.565 m，水流最大为2.5 m/s，桥下净空不足10 m。

对该桥墩检测加固有如下难点：①桥墩断面尺寸大；②桥下净空较小，仅有8 m；③施工期间环境温度较低，河床处于冰封状态；④河床落差大，一半河床高于水面，一半河床低于水面，最大落差达8 m。

2围堰方案设计

2.1　基本要求

(1) 需要满足桥墩桩基检测及加固、承台加固施工的干作业要求。

(2) 围堰露出水面的高度不小于50 cm。

(3) 围堰内壁距承台侧面不小于1.5 m。

2.2　地质概况

根据2012年2月份对36号桥墩地勘资料可知，36号桥墩处的河床按地层岩性及其物理力学性质自上而下分为4层，各层主要地质参数见表1。

表1　36号桥墩土层地质参数表

2.3　方案描述

根据36号桥墩边界条件，提出了钢板桩围堰、双壁钢围堰和单壁钢围堰3个围堰方案。

2.3.1钢板桩围堰方案

单排钢板桩围堰，平面尺寸为30.42 m ×11.202 m，钢板桩长度为15 m，入土最大深度为7.5 m，见图1。

a)　平面图

b)　立面图

2.3.2双壁钢围堰方案

双壁钢围堰的壁厚为1.2 m，外尺寸为31.692 m×12.7 m，内尺寸为29.292 m×10.3 m。从下到上分为3.9 m，3.6 m和4.2 m共4节，共高11.7 m，入土3.6 m，见图2。

a)　平面图

b)　立面图

2.3.3单壁钢围堰方案

单壁钢围堰平面尺寸为11.98 m×10.5 m，高9.4 m，入土2.0 m，见图3。

a)　平面图

b)　立面图

2.4　方案比选

36号桥墩围堰方案比选见表2。

表2　36号桥墩围堰方案对比表

由表2可见，单排钢板桩围堰方案为推荐方案。钢板桩围堰的主要优点有：

(1) 钢板桩围堰准备周期短，水中作业不受河床冰封影响，能较早开始制作围堰。

(2) 钢板桩围堰采取化整为零的思想，不需要大型吊装设备。

(3) 钢板桩围堰施工作业面不受限制，能多点同时作业。

3钢板桩围堰结构设计

3.1　钢板桩设计

钢板桩围堰由单层钢板桩和2层型钢围檩组成。钢板桩围堰平面尺寸为30.42 m(横桥向)×11.202 m(纵桥向，钢板桩中心线距离)，选用SKSP-SX27型(600 mm×270 mm×10 mm)拉森钢板桩。

本钢板桩上带有套型锁口，2桩锁口联结转角为10°～15°，锁口内涂上黄油和锯末后，摩阻力小，防渗性较好；4个转角位置采用加工焊接的特制异型桩。

3.2　围檩设计

为了减小钢板桩变形，提高钢板桩承载能力，分别在标高+127.0 m，+129.0 m处设置一道H400×400的水平围檩和八字撑，并在+129.0 m处设置P219×10的钢管撑杆。为了便于钢板桩施工且增加2层水平围檩的整体性，设置14根H400×400的定位桩。水平围檩与定位桩之间采用特制的牛腿用高强螺栓连为整体，为了便于拆装及重复使用，水平围檩之间也采用高强螺栓连接。

3.3　钢板桩接桩方式设计

根据工程特点采用高强螺栓连接，这种连接方式既能提高现场接桩效率，也能保证接桩质量，提高钢板桩防水性能。

3.4　封底混凝土设计

由于桥墩处河床土层主要为松散的细沙，透水性很高，通过增加钢板桩入土深度难以控制围堰的渗水和涌水，故在钢板桩围堰内采用2.0 m厚C30水下混凝土进行封底。

4钢板桩围堰的结构计算

根据钢板桩围堰使用需要，分别进行了钢板桩围堰、封底混凝土和钢围檩3个部分的计算。

4.1　钢板桩围堰计算

钢板桩围堰计算主要有入土深度计算、规格型号选择、抽水后整体抗浮及抗倾覆计算。综合考虑计算结果、钢板桩最小入土深度和钢板桩围堰冲刷深度，钢板桩实际入土深度取7.5 m，钢板桩总长为15 m；钢板桩规格型号取SKSP-SX27。钢板每延米抗弯模量以及抽水后整体抗浮亦能满足要求。整体稳定性可不做验算。

4.2　封底混凝土计算

钢板桩围堰抽水后，封底混凝土需承受基底的向上浮力。封底混凝土的受力体系为双向板，采用MIDAS FEA进行计算。最大主拉应力以及最大主压应力均满足规范要求。

封底混凝土在水中还受到向上的浮力作用，应在封底混凝土顶部与承台底部增设竖撑，提高封底混凝土的抗倾覆安全系数。

4.3　钢围檩结构计算

采用MIDAS/Civil2010对钢围檩进行计算。应力和变形以及各类受压杆件的稳定性均满足规范要求并有一定的安全储备。

5钢板桩围堰施工及注意事项

5.1　钢围檩施工

与传统钢板桩围堰施工工序不同，本工程采取先打设定位桩，在定位桩底部安装水平围檩托架用于支撑下面一层围檩，下面一层水平围檩和内斜撑在承台上拼装后，下放至托架上。然后安装上面一层围檩托架，依次安装上面一层水平围檩、水平斜撑和水平撑杆。避免先抽水再安装围檩和内支撑，使内外水压过大增加围檩内支撑层数和结构应力。导梁施工前必须进行测量放样，确保围堰位置准确、各边施工空间足够。

5.2　钢板桩打设

钢板桩插打采用“履带吊+液压振动锤”方案，利用顶层围檩外侧设置的型钢作为钢板桩插打导向架，先插打上游侧中部钢板桩，后自上游向下游方向顺序插打岸侧及江侧钢板桩，最后插打下游侧钢板桩，合龙口设置在下游侧中部或转角处[3]。

钢板桩插打时，采用测量仪器进行垂直度控制，现场利用水平尺进行垂直度校核，锁口涂抹黄油及灌洒黄砂、锯末，以利于后期锁口咬合及止水。为防止插打过程中将相邻已插打钢板桩带下去，需要对已插打到位的钢板桩进行临时焊接固定。

转角及合龙处，根据现场情况现场制作异形钢板桩或中部加宽钢板桩，以保证形成完整的封闭周圈，并对转角位置进行局部加强处理。

5.3　清基、混凝土封底及抽水施工

河床表面均为粉细砂层，采用射水空气吸泥机将围堰内河床面降至设计封底混凝土底标高。

围堰内吸泥完毕后，利用承台和钢围檩搭设浇筑平台，布设集料斗及水下混凝土灌注用导管。围堰封底水下混凝土灌注必须连续浇筑，一次完成；按照不大于1 m的间距进行混凝土顶面高程探测，应超出设计高度约15 cm。

水下封底混凝土强度达到100%后，开始抽水。抽水前，可在其外侧围一圈彩条布，在其下端绑扎钢管沉入河床，并用砂袋压住。围堰内抽水时，外侧水压可将防水布紧贴板桩，起到一定的防水作用[4]。在板桩侧锁口不密的漏水处用棉砂嵌塞，堵漏效果明显。

当围堰内水位降至承台以下时应增设承台与封底混凝土之间的竖向撑杆。抽水期间，对钢板桩及钢围檩进行变形和应力监测。应注意抽水速度不宜过快，控制在24 h以上为宜，且前期慢，后期逐步加快，以利钢板桩围堰锁口咬合及内力调整。当钢板桩锁口不紧密漏水时，用棉絮等在内侧嵌塞，同时在漏缝处撒大量木屑或谷糠[5]。

5.4　钢板桩拆除

承台和桩基检测加固完成后，即可进行钢板桩围堰拆除。根据钢板桩围堰安装顺序逆向进行拆除。

首先回水至下面一层水平围檩下方50 cm后拆除下面一层水平围檩。下面一道水平围檩拆除后继续回水至围堰内外水位持平后，即可逐一拔除钢板桩。拔桩时先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1～2 min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化”，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢地往上振拔。

钢板桩拆除后即可拆除上面一层水平围檩、水平斜撑和水平撑杆。最后拔除定位桩。

6结论

通过改进施工顺序和接桩方式，并采取特制的施工设备，使钢板桩围堰在水中桥墩加固工程中得以成功实现。本钢板桩围堰与传统钢板桩围堰相比有如下创新点。

(1) 钢板桩接桩采用高强螺栓连接。由于桥下施工空间过小，钢板桩接头过多，本设计采用高强螺栓连接，这种连接方式既能提高现场接桩效率，也能保证接桩质量，提高了钢板桩的防水性能。

(2) 先围檩后插桩。本工程采取先打设定位桩，在定位桩底部安装水平围檩托架，下放水平围檩，避免了先抽水再安装围檩和内支撑，使内外水压过大增加围檩内支撑层数和结构应力的问题。

(3) 增设承台与封底混凝土之间的竖撑，提高封底混凝土和钢板桩围堰整体抗倾覆能力。

参考文献

[1]卢小伟,张自荣.钢板桩围堰在二七大桥深水基础施工中的应用[J].铁道建设, 2011(6)：52-54.

[2]李迎九.钢板桩围堰施工技术[J].桥梁建设,2011(2)：76-79.

[3]舒海.洛溪大桥2号墩承台加固钢板桩围堰设计与施工[J].公路与汽车,2009(3)：168-170.

[4]侯建杰，李勇，黄枝花,等.受潮汐水位影响浅滩钢板桩围堰简易止水方法：中国，CN 101838995A[P].2010-09-22.

[5]曹洪,罗彦,周红星.新光大桥桥墩钢板桩围堰抗渗问题分析[J].岩石力学与工程学报,2006(1):152-157.

Application Research of Steel Sheet Pile

Cofferdam in Water-pier Reinforcement Engineering

MaLiang

(Wuhan Huachen Civil Engineering Consultant Co., Ltd., Wuhan 430071, China)

Abstract：In this paper, taking the detection and reinforcement project of the No.36 pier of the Songyuan city Songhua River Bridge for the engineering background; first of all, the scheme design of the steel sheet pile cofferdam is made according to the hydrological geology and the need of pier reinforcement detection; secondly, the structure design and calculation of the steel sheet pile cofferdam are completed; thirdly the main construction points of the steel sheet pile cofferdam are introduced; finally the innovation points of the steel sheet pile cofferdam are summarized, which can provide a reference for other similar projects.

Key words:the steel sheet pile cofferdam; water pier reinforcement; bolt connection; design; construction technology

收稿日期：2015-01-08

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.011