拉森钢板桩围堰在石质河床地质条件下的应用与研究

周亚平

(广西交投集团宏冠工程咨询有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

近年来，我国的高速铁路、铁路、高速公路、市政道路等交通工程得到长足发展，桥梁工程的比例也逐年增加。桥梁工程经常跨越石质河床的河流，导致多数桥墩位于河道，在水中进行桥墩工程施工时，需要结合围堰工程[1-3]，所以围堰工程施工成为桥梁施工中的重要环节。田仲初等[4]研究了砂卵石地质下钢板桩的施工试验，指出采用改良钢板桩和水下引孔爆破技术能够提高钢板桩的沉桩效率。朱艳等[5-6]研究了海岸带特殊地质条件下双排钢板桩的适用性，发现在岩溶发育地层施工双排钢板桩需要防止打桩造成的垂直度差和岩溶连通性带来的渗漏问题，并采用水槽试验研究了立波和近破波对双排钢板桩围堰的影响，得到立波主要产生冲刷、近破波主要通过冲击导致钢板桩变形的结论。

在石质河床中进行围堰工程施工时，一般采用钢围堰或是双壁钢围堰，其施工时均需要先对石质河床进行水下爆破，开挖至设计标高、整平，然后再安装钢围堰或是下沉双壁钢围堰。在进行石质河床爆破开挖时首先需要投入大型船舶、长臂挖掘机、水下钻爆设备、大型运输船舶等大型设备，爆破施工还需要办理火工产品使用的相关手续；在加工钢围堰或双壁钢围堰时，焊接量巨大，耗费时间长，使用钢材量大；在安装钢围堰或下沉双壁钢围堰时需要大型的起重吊装设备，而且施工安全风险极高。本文结合某铁路红水河特大桥水中桥墩施工，通过合理的结构设计以及改进拉森钢板桩围堰施工工艺，实现拉森钢板桩围堰在石质河床地质条件下的应用。

1 工程概况

某铁路红水河特大桥为三跨中央双索面斜拉桥，桥梁总长为459 m，主桥桥面宽度为24.5 m，主塔横桥采用独柱型桥塔。设计水位为+224.0 m，桥梁主墩承台尺寸为长20.5 m×宽15 m×高5 m，水深为6.2 m，承台底标高为214.4 m，基坑深度为9.8 m，基坑安全等级为二级。

主墩地质主要分三层(包括水)，如表1所示。其中，水深6.2 m，水底为黏土夹碎石，厚度为4.1 m，粘聚力为19.0 kPa，内摩擦角为35°，重度为19.5 kN/m3；其次为厚度为4.5 m的砂质板岩，内摩擦角为40.0°，重度为26.8 kN/m3。

表1 主墩地质参数表

对于桥梁工程，桥墩基础的施工尤为重要，对于水下作业，一般采用围堰施工方法。第一层土为黏土夹碎石，第二层土为砂质板岩，属于石质河床，其中黏土夹碎石不够稳固，桩基应嵌入砂质板岩层，保证桩的稳定与安全。

2 石质河床拉森钢板桩围堰的运用

在石质河床中进行围堰工程施工时，一般采用钢围堰或是双壁钢围堰。其施工时都需要先对石质河床进行水下爆破，开挖至设计标高、整平，然后再安装钢围堰或是下沉双壁钢围堰，存在耗时长、用钢材量大、施工安全风险高等问题。本文通过改进拉森钢板桩围堰施工工艺，实现拉森钢板桩围堰在石质河床地质条件下应用。

2.1 拉森钢板桩围堰方案设计

(a)平面

(b)立面

2.2 拉森钢板桩围堰安全验算

在拉森钢板桩围堰施工时对最不利情况进行验算分析，主要验算在以下3个工况下，围堰的强度、刚度和稳定性是否满足要求。

工况一：安装第一道围檩及内支撑后，基坑开挖至第二道围檩及内支撑下50 cm。

工况二：安装第二道围檩及内支撑后，基坑开挖至第三道围檩及内支撑下50 cm。

工况三：安装第三道围檩及内支撑后，基坑开挖至垫层混凝土底标高位置。计算采用迈达斯软件，采用梁单元进行计算。其中，钢板桩单元的计算宽度取0.8 m，基坑以上的弹性支座取0.5 m/个，地基的弹性刚度按m法进行计算。钢板桩以及围檩的计算结果如图2～3所示。

图2 钢板桩及围檩计算结果云图

表2 围檩承载能力计算结果表

表3 围檩稳定性计算结果表

3 拉森钢板桩围堰的施工工艺

3.1 拉森钢板桩围堰施工工艺流程

拉森钢板桩围堰在石质河床地质条件下施工的核心原理为：(1)利用旋挖钻机沿着围堰轮廓线在石质河床上钻孔开槽，相邻两孔有部分重叠，多孔相连形成贯通的地下沟槽，实现拉森钢板桩在石质河床中顺利插打至设计围堰底标高位置；(2)利用拉森钢板桩标准构件之间企口连接的紧密性，围堰合围后的防渗水能力突出；(3)利用“导管法”进行沟槽内侧水下混凝土封底，实现拉森钢板桩围堰止水；(4)利用设置的型钢内支撑体系，抵消围堰外部的水压力。

结合本项目的实际情况，建立合理的施工工艺：机械材料进场、技术准备、钻孔施工平台准备→旋挖钻机就位→逐孔开钻，形成贯通的地下槽孔→二次清理槽孔钻渣，检查沟槽质量→安装拉森钢板桩插打导向架→自上游往下游插打拉森钢板桩至合龙→利用“导管法”进行槽孔内侧水下混凝土封底→安装水上第一、第二道内支撑→抽水至第三道内支撑下沿并安装第三道内支撑→重复抽水、安装下一道内支撑→抽水至河床顶面，准备围堰内干法施工。其主要的工艺流程如图4所示。其中，在钢板桩的施工过程中，应保证其垂直度，其控制方法如图5所示。通过两个经纬仪进行观测，保证在两个标示观测点位置保持垂直。

图4 施工工艺流程图

图5 钢板桩的垂直度控制示意图

3.2 施工工艺效益

根据本文的施工工艺流程，可以实现拉森钢板桩围堰在石质河床地质条件下的应用，减少施工成本，缩短施工时间，降低施工风险。

3.2.1 人、材、机资源配置投入减少

(1)拉森钢板桩标准构件之间的连接采用的是企口连接，相对于钢板桩围堰或双壁钢围堰钢板之间的焊接连接，施工工艺简单，节省了大量焊接人员和焊接耗材的投入。

(2)拉森钢板桩围堰使用的主要材料是拉森钢板桩标准构件，属于可重复利用的标准构件，可周转，损耗少，相对于钢板桩围堰和双壁钢围堰钢材只能一次性使用的缺点，节省了钢材的使用。

(3)拉森钢板桩围堰所需要投入使用的主要机械为一台旋挖钻机、一台拉森钢板桩插打机、一台汽车吊机，相对于钢板桩围堰和双壁钢围堰采用大型船舶、长臂挖掘机、钻爆设备、大型的起重吊装设备、水下钻爆设备等，节省了大量的大型设备投入。

3.2.2 施工时间投入减少

拉森钢板桩构件之间的连接采用的是企口连接，此连接方式较简单，在拉森钢板桩插打时可方便地完成连接。而钢板桩围堰和双壁钢围堰钢板之间采用的连接方式为焊接连接，其工艺繁杂，施工速度慢。相较之下，拉森钢板桩围堰施工工期明显缩短。

3.2.3 施工安全风险降低

(1)拉森钢板桩围堰施工时，大型机械都是在水上施工平台上进行，且不用进行水下爆破、开挖，而钢板桩围堰和双壁钢围堰施工时需要使用大型船舶进行水下爆破、开挖。相比之下，拉森钢板桩围堰施工减少了大量的水下作业，降低了水下施工的安全风险。

(2)拉森钢板桩围堰安装时采用单个构件逐件安装，安装重量小、难度很低、安装风险低，而钢板桩围堰和双壁钢围堰施工时都是整体一次性下沉安装到位的，安装重量很大，安装难度很高、安装的风险较高。相较之下，拉森钢板桩围堰施工安全风险明显降低。

4 结语

本文结合某铁路红水河特大桥水中桥墩施工实例，研究了石质河床拉森钢板桩围堰的应用。通过钢板桩围堰的方案设计与验算，保证结构的整体安全性和稳定性，再结合本项目实际，建立相关施工工艺流程，提出保持钢板桩围檩垂直度的施工方法。石质河床拉森钢板桩围堰施工技术的研究与运用，能够降低施工成本，缩短施工时间，降低施工安全风险，产生较大的经济效益与社会效益。在不久的将来，石质河床拉森钢板桩围堰施工技术在铁路、公路、市政桥梁施工中必将取得更广泛的应用。