富水特大桥150#墩钢板桩围堰的设计与施工技术研究

王如建

（中铁十八局集团第三工程有限公司 河北涿州 072750）

富水特大桥150#墩钢板桩围堰的设计与施工技术研究

王如建

（中铁十八局集团第三工程有限公司 河北涿州 072750）

以武九客运专线富水特大桥150#桥墩水中基础施工为研究背景，针对水中基础施工的钢板桩围堰的设计计算进行详细的阐述，并将围堰的主要施工方案进行介绍，该桥施工效果较好，满足施工的各项安全稳定性要求，同时节省时间和材料，取得一定的经济效益。

围堰 钢板桩 设计计算 施工方法

1 工程概况

富水特大桥桥址位于湖北省黄石市阳新县境内，本特大桥起止里程为：DK130+036.57～DK137+953.51，线路全长7 916.94 m。桥址范围内地势相对复杂，从小里程至大里程方向，多次跨越大片农田鱼塘，在阳新县城附近先后跨域既有武九铁路、富水河和316省道（杭瑞高速阳新县连接线）。全桥共有桥台2个，墩柱232个，上部结构主要以24 m、32 m简支箱梁为主，32 m简支箱梁201片，24 m简支箱梁14片，另有跨越公路、铁路、航道等5处采用悬臂浇筑连续梁

富水特大桥所在的河段规划航道等级为Ⅴ级航道，单孔双向通航，通航净空高度为11 m，宽度不小于80 m，通航孔150#桥墩承台顶面高程均为9.075 m。跨越富水150#墩主墩位于水中，主墩部分施工是本桥施工的关键线路，具有深水、群桩、高墩、梁重、结构复杂、工期紧张的特点。采用钢板桩围堰的施工方案。

2 支护、支撑系统的结构形式

根据岩土工程勘察报告，本工程主墩承台基坑开挖深度范围的土层主要为填土和淤泥，地质条件较差，承台基坑开挖施工采取钢板桩支护措施。

对于钢板桩选用拉森IV型，每延米断面模量为2 042 cm3。基坑周边2 m外挖掘机、自卸车等施工机械造成的动荷载按20KN/m考虑。本工程投入的拉森钢板桩采用IV型拉森钢板桩，宽400 mm，高170 mm，厚15.5 mm，理论重量75 Kg/m，要求拉森钢板桩无穿孔，修边调直后方可使用。拉森钢板桩之间用480 mm*300 mmH型钢围檩进行连接，围檩与每根拉森钢板桩之间空隙需加垫钢板抵紧。转角需设置专用构件，采用φ630×10钢管进行内支撑，钢板桩支护平立面布置如图1、2所示。

图1 钢板桩支护结构平面图（单位：cm）

图2 钢板桩支护结构立面图（单位：cm）

3 钢板桩计算及围囹检算

3.1 钢板桩计算

工况一：开挖到第四道围囹

可取单位宽度上钢板桩所受的主动和被动土压力，主动土压力与被动土压力合成后情况如图3所示，结构计算模型如图4所示。

计算结果：钢板桩的最大应力σmax=123MPa＜［σ］=200 MPa，满足强度要求。刚度w=5.1/（4200）=1/824＜［w］=1/400刚度满足要求。

工况二：开挖到基底

主动和被动土压力合成后情况如图5所示，结构计算模型如图6所示。

计算结果：钢板桩的最大应力σmax=142 MPa＜［σ］=200 MPa，满足强度要求。刚度w=4.5/（3890）=1/864.4＜［w］=1/400刚度满足要求。

3.2 围囹检算

图3 钢板桩所受合成后的主动和被动土压力（单位：m）

图4 单位宽钢板桩等值梁计算模型（单位：m）

图5 钢板桩所受合成后的主动和被动土压力（单位：m）

图6 单位宽钢板桩等值梁计算模型（单位：m）

第二层围囹所受最不利均布荷载为337.6 kN/m，围令中各个杆件按双双拼型钢H480×300计算，则围囹计算模型如图7所示，应力及变形计算结果如图8、9所示。

图7 最不利围囹计算模型（单位：m）

图8 最大正应力图（MPa）

　图9 变形曲线

结论：围囹最大正应力σ=192.4Mpa＜［σ］=200 MPa，满足强度要求。

4 钢板桩围堰施工技术

基坑施工流程：施工准备→测量定位→施工钢板桩导向→插打钢板桩→开挖基坑→逐层进行钢板桩内支撑→排水、挖泥→浇筑垫层混凝土→承台施工→墩身施工→基坑回填→逐步拆除内支撑→钢板桩拔出。

4.1 测量定位

对墩位承台控制点标明并经过复核无误后加以有效保护，同时距离承台边线2.0 m的位置钢导向的外边线，并详细定位后固定，施工导向架，导向架使用第一道围檩兼用，在保证钢板桩垂直度的情况下逐根插打。主墩钢板桩均使用50 t吊车配合震动锤直接插打，插打钢板桩前需复核钢板桩边线位置，在保证钢板桩位置准确前提下逐根打入钢板桩。

在正式沉桩前应结合现场情况确定并计算首桩所用的测点位置和有关参数，施工采用任意角交会控制定位，其交会角宜在60°～120°之间，且控制点间距不宜大于150 m。利用已知的测量控制点坐标和桩位坐标，分别计算两个测量控制点与桩位之间的夹角和距离，利用一个测量控制点上的全站仪控制桩位，利用另一测量控制点上的全站仪进行复核。施工中采用全站仪或经纬仪控制钢板桩垂直度，垂直度出现偏差时需将桩向上拔出一段距离后重新插入，以控制垂直度，钢板桩垂直度允许偏差1 %。

4.2 钢板桩施工

在板桩施工中，为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力，一般都需要设置一定刚度的、坚固的导架，亦称“施工围檩”。

导架采用单层双面形式，通常由导梁和围檩桩等组成，围檩桩的间距一般为2.5～3.5 m，双面围檩之间的间距不宜过大，一般略比板桩墙厚度大8～15 mm。

板桩用吊机带振锤施打，施打前一定要熟悉地下管线、构筑物的情况，认真放出准确的支护桩中线。打桩前，对板桩逐根检查，剔除连接锁口锈蚀、变形严重的普通板桩，不合格者待修整后才可使用。打桩前，在板桩的锁口内涂油脂，以方便打入拔出。在插打过程中随时测量监控每块桩的斜度不超过2 %，当偏斜过大不能用拉齐方法调正时，拔起重打。板桩施打采用屏风式打入法施工。屏风式打入法不易使板桩发生屈曲、扭转、倾斜和墙面凹凸，打入精度高，易于实现封闭合拢。施工时，将10～20 根板桩成排插入导架内，使它呈屏风状，然后再施打。通常将屏风墙两端的一组板桩打至设计标高或一定深度，并严格控制垂直度，用电焊固定在围檩上，然后在中间按顺序分1/3或1/2板桩高度打入。

施打顺序对板桩垂直度、位移、轴线方向的伸缩、板桩墙的凹凸及打桩效率有直接影响。因此，施打顺序是板桩施工工艺的关键之一。其选择原则是：当屏风墙两端已打设的板桩呈逆向倾斜时，应采用正向顺序施打；反之，用逆向顺序施打；当屏风墙两端板桩保持垂直状况时，可采用往复顺序施打；当板桩墙长度很长时，可用复合顺序施打。密扣且保证开挖后入土不小于2 m，保证板桩顺利合拢；特别是检查井位置的四个角要使用转角板桩，若没有此类板桩，则用旧轮胎或烂布塞缝等辅助措施密封。

4.3 合拢段施工

钢围堰合拢段位置为钢板桩围堰的转角位置，因转角位置是双向调整，遂较利于合拢。在钢板桩施工至距离转角位置约3～4m距离时，开始计划施工合拢桩位置。精确测量已施工桩距离转角的详细距离，计算是否能顺利合拢，如计算至转角位置距离不能满足整根桩合拢要求，在距离偏差不大时，可采用小范围调整钢板桩施工轴线的方式，将围堰适当放大，以使钢板桩轴线长度发生变化，调整至整根桩合拢。如再无法合拢时，可采用制作异形桩的方式以满足合拢要求。

4.4 围堰内抽水、挖泥、安装内支撑

根据地质图和现场地质情况，挖泥采用抽干水后，用高压水枪冲或小挖机开挖，当地质变化时，按照施工预案，采用小挖机开挖、封底。

（1）钢板桩插打完毕后，开挖抽水至+15.0 m标高处，在标高+15.5 m处安装第一道支撑；

（2）开挖抽水至+12.0 m标高处，在标高+12.5 m处安装第二道支撑；

（3）开挖抽水至+9.2 m标高处，在标高+9.7 m处安装第三道支撑；

（4）开挖抽水至+6.0 m标高处，在标高+6.5 m处安装第四道支撑；

（5）开挖抽水至+3.575 m标高处，浇筑0.5 m垫层砼，垫层顶标高为+4.075 m；

（6）钢支撑的安装。

基坑采用四道Φ630×10 mm钢管支撑，分别设置在标高+15.5 m、+12.5 m、+9.7 m、+6.5 m处，钢管支撑与板桩墙之间设钢围檩（保证钢支撑作用在板桩墙上的力是均匀传递的，同时防止由于受力不均连续墙接头部位的变形，确保支撑与墙面密贴），钢围檩第一道采用单排480 mm*300 mmH型钢，其余三道均采用双排480 mm*300 mmH型钢。围囹与钢板桩之间的空隙采用废旧型钢支垫。钢支撑采用整根Φ630×10 mm钢管制作，尽量避免接头。当支撑钢管接头无法避免时，必须采用不小于同等厚度钢板或同型号废旧钢管切块沿接头四周进行加固。钢板尺寸不小于100×200 mm，沿接头四周均匀布置不少于8块。钢板与钢管之间严格按照焊接规范进行满焊。焊接前注意钢管轴线顺直，偏差不得大于0.5 %。

4.5 围堰拆除

承台施工完成并养护后，在承台与钢板桩围堰间回填土砂，回填至与承台面标高平，继续施工墩身等上部结构，墩身高21.85 m，分两次浇筑而成，第一次浇筑11 m，升出地面有5.575 m，待墩身混凝土强度达到要求后，拆除钢模，在墩身与钢板桩之间回填沙土，分层回填依次拆除钢围檩，直至与地面齐平。回填完成后拔除钢板桩。

钢板桩拔出再重新利用，拔桩时，尽量使钢板桩下部与混凝土脱离，然后再进行拔桩。先略锤击振动各拔高1～2 m，然后按次序将所有钢板桩均拔高1～2 m，使其松动后，再依次拔除，对桩尖打卷及锁口变形的桩，可加大拔桩设备的能力，将相邻的桩一齐拔出。

5 结语

武九客运专线富水特大桥跨越富水150#墩主墩位于水中，采用上述的钢板桩围堰设计计算方案以及施工方案进行施工，取得了比较好的效果。设计计算简化有效，施工方案安全可行，在计算和施工中取得了宝贵经验，可为类似的桥梁水中基础施工提供借鉴。

［1］张骏.桥梁深水基础钢板桩围堰受力分析与应用［J］.桥梁建设，2012，（05）：74～81

［2］向道明.钢板桩围堰的设计和施工［J］.桥梁建设，2003，（03）：64～65

［3］崔浩.钢板桩围堰的设计与施工［J］.公路，2008，（02）：68～71

［4］邱训兵.大型钢板桩围堰施工设计的思考［J］.2005，（09）：12～14

On Design and Construction Technology of Fu-Shui 150# Bridge Pier Steel Sheet Pile Cofferdam

WANG Ru-jian

（No.3 Engineering Corporation Limited of China Railway 18th Bureau Group Co. Ltd Zhuozhou Hebei 072750 China）

Based on the foundation construction of 150# bridge pier in water in Wuhan-Jiujiang passenger line project， this paper clearly expounds the design and calculation of water foundation construction of steel sheet pile cofferdam， introduces the main construction scheme of cofferdam. This bridge was well constructed and meets all requirements of safety and stability of construction. At the same time， the construction of this bridge greatly saves time and material， and achieved certain economic benefits.

cofferdam steel sheet pile design and calculation construction method

2

A

1673-1816（2015）02-0054-06

2015-03-19

王如建（1982-），男，山东聊城人，学士，工程师，研究方向施工技术与施工管理。