不对称侧压力钢板桩围堰施工关键技术

马朋朋 李玉坤

摘 要：在涉水水域进行承台施工时，大多会采用围堰结构来进行基坑防护，钢板桩围堰因其结构简单、施工方便的优点被广泛推广，在邻水区域施工时，会存在基坑两侧存在较大不平衡土侧压力的情况。为了对不平衡侧压力桩体下钢板桩围堰的施工技术进行研究，以万福路京杭运河桥为依托对其方案设计、受力分析及关键施工技术进行了研究。研究表明在采用合适的支撑设计条件下钢板桩围堰可以承受不对称水平力的作用，当两侧不平衡力过大时可在压力大一侧设置双排钢板桩，提高围堰的整体承载能力，相关研究成果可为后期类似工程施工提供参考。

关键词：深基坑;钢板桩围堰;不平衡土压力;受力分析;施工工艺

中图分类号：U445.556 文献标识码：A

0 引言

围堰是桥梁工程涉水施工必不可少的临时性结构形式，围堰的施工可为桥梁承台及墩柱施工提供安全可靠的无水作业环境。根据桥梁不同的结构形式和施工环境特点可选择不同的围堰形式进行施工。目前，常见的围堰形式包括钢板桩围堰、钢管桩围堰、沉井围堰、单壁钢套箱围堰、双壁钢套型围堰等结构形式[1-3]。其中，钢板桩围堰是中小跨径桥梁承台施工常用的围堰形式，尤其是土质基础的地质条件更为合适。这种钢板桩围堰具有施工简单，施工成本低、施工周期快的特点，且钢板桩可以周转利用，组合效益好[4]。

但常用的钢板桩围堰四周的水压力、土压力引起的水平力基本处于对称状态，钢板桩围堰总体处于自平衡状态。当围堰外侧的水平力处于不对称状态时，围堰整体会受到不平衡力的影响，对围堰的承载能力提出了更高的要求。为了对非对称侧向压力钢板桩围堰的施工技术进行研究，本文以扬州市万福路京杭运河大桥为依托对这种围堰结构的关键技术进行研究。

1 工程概况

1.1 项目概况

扬州市万福路跨京杭运河大桥是万福路跨越京杭运河的重要通道。大桥设计为（42+140+42）m连续下承式钢桁架拱桥，横向由三榀拱肋组成，拱肋横向间距为22.45 m。大桥的主墩位于京杭大运河中，单个主墩采用三座分离式钢筋混凝土墩柱，墩间设系梁连接，单个墩柱下方设置一承台，承台在顶面设置横向联系梁，基础为钻孔灌注桩群桩。其中两侧立柱对应的基础承台尺寸为10.1 m×7.0 m（纵桥向×横桥向），下接6Φ1 500 mm钻孔灌注桩，中间立柱对应的基础承台尺寸为10.1 m×10.1 m（纵桥向×横桥向），下接9Φ1 500 mm钻孔灌注桩，承台厚度4 m。

1.2 水文地质特点

围堰位于京杭大运河河道内，靠堤岸侧围堰基本与堤岸线重合，另一侧位于京杭运河桥中。在承台施工过程中当承台围堰开挖后，靠近堤岸侧的侧向水土压力明显大于靠近运河侧围堰承受的侧压力，在施工过程中围堰沿着纵桥向两侧侧压力处于不对称状态，这对承台围堰的设计提出了新的要求。

拟建场地勘察深度范围内，揭露的地层主要为第四系土层，土层自上而下依次为杂填土、粉土夹粉砂、粉砂夹粉质黏土、黏土、粉质黏土、粉砂夹粉土等。土地的主要力学参数如表1所示。

1.3 钢板桩围堰设计

本桥围堰开挖深度为10.5 m，属于钢板桩围堰的适用范围，故本桥承台施工围堰采用钢板桩围堰结构形式。以尺寸较大的中间墩承台为例，围堰的平面尺寸设计为13.94 m

×7.0 m的正方向围堰，距离承台外边间距为1.5 m。围堰采用拉森-Ⅳw型钢板桩，长度21 m，为了优化钢板桩受力，控制围堰变形，在钢板桩围堰内侧设置三层水平支撑体系，见图1。第一层围檩及斜撑为2HM588×300型钢，设置在距离钢板桩顶部3 m处，第二、三层围檩及斜撑为2HN700×300型钢，第二、三层围檩距离钢板桩顶面的距离分别为7 m、9.9 m。斜撑设置在矩形的四个角点位置，距离角点尺寸为3.9 m，斜撑长度为4.68 m。

为降低堤岸侧土压力、机械荷载和土堆荷载对围堰的影响，采用在围堰外侧1.5 m位置插打一排长度12 m的钢板桩，并通过在两排钢板桩之间焊接连接钢筋，浇筑一层厚度1 m的压顶混凝土作为桩帽板来增大钢板桩的刚度，形成双板钢板桩结构，减小围堰因两侧产生的不平衡侧压力而产生的变形。

2 围堰受力特性分析

2.1 计算模型与计算工况

万福路跨京杭运河大桥的围堰承受了两侧不平衡水平力作用，为了应对这种受力特点，在一侧采用了单排钢板桩围堰，另外一侧采用双排钢板桩结构，是一种较为新颖的钢板桩围堰结构，为了分析这种围堰的安全性，对钢板桩围堰进行有限元分析。

有限元分析采用商业软件midas进行计算，计算中钢板桩、支护围檩均采用梁单元进行模拟。围檩和钢板桩之间的连接采用仅受压弹性连接进行模拟，钢板桩入图范围内土体对钢板桩的约束采用弹性约束进行模拟。计算中考虑的荷载作用主要包括结构自重、侧向水压力、侧向土压力及顶面堆土、机械设备产生的侧向水平力。其中，粉土层、粉砂层采用水土分算的方法进行计算，粘性土层采用水土合算法进行计算。

在计算中分别考虑第一层围檩施加前，第二层围檩施工前、第三层围檩施工前、承台第一层混凝土施工后拆除第三层围檩四种最不利状态，考察在这四种状态下钢板桩围堰的安全性。

2.2 钢板桩围堰受力分析

计算分析结果表明，在施工过程中钢板桩围堰的最大水平变形为34.2 mm，总体变形较小，在可控范围内，最大水平位移出现在第垫层混凝土浇筑前，最大水平变形出現在第三道围檩和基坑底部之间。在围堰施工过程中拉森

钢板桩出现的最大组合应力为154.7 MPa，出现在垫层混凝土施工工况。在该工况下钢板桩的应力分布如图2所示，此时最大应力出现在上下游侧钢板桩上，岸侧钢板桩在采用了双层支护后应力得到有效的控制。

2.3 支护围檩受力分析

在围堰施工过程中为例结构的应力均在材料强度范围内。在整个施工过程中第一道围檩出现的最大组合应力为19 MPa，最大剪应力为11.6 MPa。在施工过程中第二层围檩出现的最大组合应力为158.5 MPa，出现的最大剪应力为68.3 MPa。第三层围檩出现的最大组合应力为143.2 MPa，最大剪应力为54.3 MPa。

在整个施工过程中围檩出现的最大应力在第二层围檩上，出现在第一层层台浇筑后第三层围檩拆除时，其组合应力分布情况见图3。

3 施工工艺

根据现场施工条件，万福路承台围堰采用干法施工，主要施工工艺可以总结为以下施工工序和施工步骤。

（1）按照围堰施工方案对围堰范围的层第进行整平，将京杭大运河东岸场地按图中要求进行削坡、整平，保持岸侧场地平整。进行放样测量，并安装导向装置，完成钢板桩插打准备工作。

（2）通过导向装置按照“迎通航面-上游面-迎岸面-下游面”的顺序进行钢板桩插打，内侧钢板桩插打完成，并在下游面进行合拢。在靠近堤岸侧距离围堰1.5 m位置插打一排长度12 m的钢板桩，钢板桩之间整平，安装连接钢筋，并浇筑一层厚度1 m的压顶混凝土将两排钢板桩进行连接加固，形成两排钢板桩之间的桩顶帽梁。

（3）进行围堰内降水并开挖至第一层内支撑以下1 m处（标高+2.500 m），并安装第一层围檩及内支撑。继续进行围堰内降水至河床，并进行开挖至第二层内支撑以下1 m处（标高-1.500 m），安装第二层围檩及内支撑。围堰内继续进行开完，开挖至第三层内支撑以下1 m处（标高-4.400 m），安装第三层围檩及内支撑。

（4）围堰内继续开挖至封底底部-6.000 m，避免出现超挖（坑内水位标高在封底底部以下，但不得低于-6.500 m），在封底底部铺设间距2 m的Φ50UPVC排水管（管周包裹滤网布及一定厚度的级配砾石），清理封底范围内的钢板桩及桩头，然后浇筑0.5 m厚C30封底混凝土。

（5）待封底砼达到设计强度后，处理桩头，绑扎钢筋，浇筑第一层1.5 m厚混凝土承台。待第一层1.5 m厚承台混凝土达到设计强度后，在承台与围堰夹壁内回填1.0 m细砂压实，同时浇筑0.3 m厚夹壁砼，拆除最下一层支撑（-3.400 m）。

（6）利用第三层围檩拆除后形成的空间进行承台第二次混凝土内钢筋绑扎和混凝土浇筑，完成第二层2.5 m厚承台施工。并利用围堰形成的围护空间完成主墩墩身施工。

（7）土体回填，拆除剩余支撑体系，拔出钢板桩，完成钢板桩围堰拆除施工。

4 结语

本文以扬州市万福快速路跨京杭运河大桥为背景，对非对称侧压力钢板桩围堰的施工技术进行了研究。结合桥位地形地貌提出了非对称侧压力状态下的钢板桩围堰的设计方案，并利用有限元软件对这种钢板桩围堰在施工过程的受力特性进行了计算分析，分析表明采用本文提出的钢板桩围堰方案的受力安全可靠。在此基础上对万福路京杭运河大桥钢板桩围堰的施工工艺进行了总结，形成了非对称侧压力钢板桩围堰的成套施工工艺。相关研究成果可为同类型桥梁承台围堰的施工提供参考。

参考文献：

[1]汪洋，陈志明.桥梁围堰施工要点控制[J].河南科技，2013（4）：150.

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

[3]路永龙.橋梁围堰工程中锁扣钢管桩的施工技术[J].建设科技，2016（7）：148-149.

[4]邱训兵.大型钢板桩围堰施工设计的思考[J].铁道建筑，2005（9）：14-16.