深水软岩地层钢板桩围堰施工安全性评估

雷志强， 毛景权， 王 刚， 朱绍勋， 熊志勇， 莫昭辉

(中交一公局桥隧工程有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引言

钢板桩围堰作为常用的围堰形式，其具有施工简单、速度快、成本低、可重复使用的优点，在桥梁基础的施工中得到广泛的应用，如广州珠江北猎德大桥和广州珠江南新光大桥等[1,2]。然而施工现场实际情况往往比较复杂，水位不断变化，由于施工技术原因部分支撑可能失效。因此，不仅需要对实际施工过程进行模拟验算，还需要对这两种不利工况下的深水软岩中钢板桩围堰展开进一步研究。

本文根据花莞高速公路号大桥的4#桥墩围堰的施工情况，进行围堰施工全过程数值模拟，通过设置不同水位和部分支撑失效的工况，对4#桥墩的钢板桩围堰施工进行分析和安全评估。

1 工程概况

1.1 承台结构

花莞高速公路2号大桥[3]的4#墩承台底标高-3.5m(承台建议设计整体抬高1m)，承台顶标高+0.5 m，其平面尺寸如图1所示。

图1 承台尺寸和桩位

1.2 土层参数

4#墩承台选取的钻孔为ZK6。土层物理参数见表1。

表1 土层物理参数

1.3 水文情况

仙村涌的水位高程为6.82 m，最高通航水位高程为9.25 m，最低通航水位高程为4.09 m，20年一遇洪水位为8.568 m，50年一遇洪水位为9.352 m。

2 围堰设计选型

2.1 围堰设计

围堰支护采用型号为NSP IV型的拉森钢板桩，其容许正应力为275 MPa，容许剪应力158 MPa，钢板桩的抵抗弯矩为645 kN·m，为安全起见，本设计考虑0.7倍的折减系数后期抵抗弯矩为516 kN·m。支撑体系钢材材料采用Q235的H型钢，容许弯曲应力为215 MPa，容许剪应力为125 MPa。

本工程钢板桩围堰的平面形状为两个紧挨的矩形，每一个矩形的尺寸为17.90 m×12.60 m。本工程设置4道钢支撑，其支撑的相互距离从上往下依次为3.5 m、3.0 m、2.5 m和3.0 m。1、2道支撑仅设置两道角撑；3、4道支撑除设置角撑外，还增设对撑，对撑设置于中间，围堰平面图如图2所示。

图2 围堰平面图

2.2 模拟工况

4#墩围堰采用逆做法施工，先安装第1、2道支撑，再进行钢板桩沉桩，围堰抽水开外，安装第3、4道支撑。在围堰开挖到底时，采用厚度为100 cm的C20混凝土进行封底。

4号钢板桩围堰的设计水位为2.5 m，本次模拟钢板的施工过程，按实际施工过程分为7个工况，各工况如下:

工况1：钢板桩的沉桩。

工况2：第1和第2道内支撑的安装施工。

（5）搅拌EPDM彩色颗粒，将同一颜色不同包装的彩色颗粒倒在一起，用铁锹搅拌均匀，再重新过秤包装，防止铺装时颜色不均。

工况3：围堰抽水并开挖至第3道支撑位置以下0.5 m处。

工况4：第3道内支撑的安装施工。

工况5：开挖至第4道支撑位置以下0.5 m处。

工况6：第4层内支撑的安装施工。

工况7：开挖至围堰底。

根据上述施工工况进行有限元的数值模拟分析，分析围堰钢板桩及内支撑的受力变形情况，并对其进行分析，判断其受力变形是否满足施工规范要求以及材料特性要求，从理论上分析本工程的钢板桩围堰施工是否满足施工稳定性和安全性的要求。

3 三维数值模拟

3.1 模型的建立

Midas是一款适用于岩土分析的通用有限元软件，其在地铁、坑开挖、隧道、边坡稳定、基矿山等工程中得到了广泛的应用。本工程运用Midas GTS/NX对钢板桩围堰进行模拟，并对围堰整体和平面进行受力变形分析。

在建模中，通过惯性矩等效原则将拉森型钢板桩的截面等效为矩形截面，钢板桩用shell单元，腰梁和内支撑、对撑以及角撑用beam单元模拟，土体采用实体单元，土体本构模型的选取为修正莫尔-库伦。围堰土体的侧面为法向约束，内支撑体系和围檩之间的连接采用刚性连接。

图3 三维有限元网格模型

3.2 计算结果分析

据围堰的施工过程对7个工况进行数值计算，得到钢板桩的变形与弯矩，整理钢板桩围堰变形、弯矩最大值汇总于表2。

表2 钢板桩围堰计算结果

钢板桩的容许弯矩为516 kN·m，根据公式[f]=L/400求得钢板桩的允许的水平变形为45 mm。由表2可知，钢板桩围堰最大变形量和最大弯矩值均出现在工况7，钢板桩的最大变形量为8.9 mm<45 mm，最大弯矩值为372.64 kN·m<516 kN·m，满足规范要求，围堰的施工过程在理论上是安全的。

3.3 水位变化情况

此工程中常水位按2.5 m进行模拟计算，钢板桩位移如图4所示。然而在实际施工过程中，由于潮汐或雨季降雨等原因，水位往往是不断变化的，运用Midas建立模型，改变水压力大小，分别对水位4 m、5 m、6 m的情况下对模型进行分析，计算整个施工过程中钢板桩弯矩值及其变形，与钢板桩抵抗弯矩及变形容许值相比较，判断弯矩与变形是否满足要求。选取最危险工况即工况7进行分析，将不同水位下的计算结果汇总于表3。

图4 钢板桩变形云图

表3 数值模拟结果

从表3可知，随着水位的上升，钢板桩的变形和弯矩都不断增大，钢板桩围堰在不同水位下的强度及刚度满足设计和规范要求，即可以保证在围堰施工过程的安全性。

3.4 支撑失效情况

此工程中第一道和第二道支撑只有角撑，第三道和第四道支撑有角撑、对撑和联系撑，如图5所示。

图5 内支撑图示

然而在施工过程中，由于施工技术原因等，可能会出现围堰部分支撑失效的情况，，运用Midas建立模型，将第三道支撑和第四道支撑中的对撑和联系撑进行钝化，计算整个施工过程中钢板桩弯矩值及其变形，与钢板桩抵抗弯矩及变形容许值相比较，判断弯矩与变形是否满足要求。选取最危险工况即工况7进行分析，将计算结果汇总于表4。

表4 钢板桩围堰计算结果

从表4可以得到，在对撑和联系撑失效的情况下，钢板桩围堰的变形和弯矩都有较为明显的增大，最大位移和最大弯矩均在容许范围内，设计存在比较大的安全储备，施工仍然安全。

4 结束语

根据模拟钢板桩围堰的在不同水位下和部分支撑失效情况下有限元数值模拟的结果分析，得到以下结论：

(1)在钢板桩围堰内支撑体系中设置对撑和联系撑可以有效减小围堰的整体变形和弯矩。

(2)4#钢板桩围堰设计合理，可以保证施工全过程的安全性。