钢板桩围堰设计方案与施工要点研究

王富华 陆爱娇 付理想

摘要：由于水下承台以及桥墩施工需要采用钢板桩搭设一个施工平台，但是针对承台、桥墩大小或土层状况的不同，需对钢板桩围堰进行具体方案设计。文章以三阳河桥施工为背景，探讨了水下承台钢板桩围堰设计方案、最不利工况钢板桩受力性能、施工要点以及施工过程中的问题和解决措施。结果表明：钢板桩围堰的抗弯承载力、抗剪承载力、稳定性以及变形均满足设计要求，并顺利完成了三阳河桥的施工。

关键词：桥梁工程；钢板桩围堰；方案设计；施工要点

中图分类号：U445.55+6 A 49 162 3

0 引言

现阶段，我国已经发展成为一个桥梁大国，所建造的桥梁等级也越来越高，对桥梁承载力的要求越来越高，许多涉水桥梁的承台做得越来越大，桥墩埋设越来越深。对于涉水承台的浇筑，由于钢板桩围堰具有施工方便、安全性高、经济性好的优点，成为设计师首选的施工方式［1-2］。然而，由于钢板桩整体刚度小、强度低，其在大承台的应用需要进行专门设计与验证。钱靓等［3］着重介绍了天津某跨海河特大桥的主桥墩采用钢板桩围堰施工过程中所受到的不利受力情况，并采用有限元以及理论计算相结合的方法验证了所采用方法的安全性与可行性。李思公等［4］对红水河大桥主桥墩所采用的单壁有底的钢围堰设计方案以及施工过程进行了详细介绍，并且对不同工况下钢板桩围堰的受力情况进行了有限元计算，确保了钢板桩围堰施工的安全性。严宏伟［5］针对具有两道内支撑以及水平支撑的钢板桩设计以及施工过程进行了详细阐述，并对施工全过程的工况进行了计算分析。王海涛等［6］针对砂卵石硬岩地质这种特殊地层，提出了浅锚固式钢板桩围堰的设计思路以及相应的施工技术，并成功将其应用在宜城汉江二桥跨江主桥墩施工中。周新亚等［7］对五峰山跨江通道上的芒稻河特大桥主桥墩所采用的深水基础超长钢板桩围堰的特点以及施工关键技术进行了介绍，并采用有限元软件对最不利荷载工况下结构的受力进行了分析。此外，其他一些工程师也针对其在实际工程中所采用的新型钢板桩围堰案例进行了分享［8-10］。

随着钢板桩围堰在涉水桥梁下部结构中应用越来越广泛，加强对宽大钢板桩围堰的设计与施工研究，有助于提高钢板桩围堰的设计及施工水平。本文以三阳河大桥主桥墩的钢围堰施工为背景，对宽大承台钢围堰的设计与施工进行详细阐述。

1 工程概况

1.1 工程简介

三阳河桥采用三跨变截面预应力混凝土连续箱梁，引桥采用30 m跨径装配式部分预应力混凝土连续箱梁，桥跨布置为［11×30+（40+65+40）+4×30］m，桥梁全长600.8 m。桥梁按两幅上、下行并列进行布置，全宽26 m。主桥上部结构为预应力混凝土连续箱梁，采用单箱单室截面。主桥箱梁为全预应力结构，分为纵向预应力束和竖向预应力筋。纵向预应力管道采用镀锌金属波纹圆管，竖向预应力管道采用高频钢管，预备束采用塑料波纹圆管。主桥12#、13#墩采用（6.9×2.2）m2矩形墩，承台的长、宽、高分别为10.5 m、6.5 m以及2.6 m，双排计6根1.5 m钻孔灌注桩基础。过渡墩采用1.7 m双柱式墩，双排计41.5 m钻孔灌注桩桩基础。引桥采用双柱式墩，三柱式台及一字型台，1.2 m、1.5 m钻孔灌注桩基础。主墩四角各设一个防撞墩。主桥桥梁型式为混凝土连续箱梁，采用悬臂浇筑。12#、13#主墩承台共计4个，全部位于水中，其尺寸为（10.5×6.5×2.6）m3，每个承台混凝土方量为177.4 m3。主桥概况如图1所示。

1.2 工程地质

桥址区地层主要勘探地层主要分为3个大层，10个岩土层，图层具体情况如表1所示。

2 主墩承台钢板桩围堰设计与计算

2.1 钢板桩围堰设计

三阳河大桥主墩承台为低桩承台，主墩承台平面尺寸（10.5×6.5）m2，承台顶标高为-5.202 m，承台底标高为-7.802 m，承台高2.6 m。考虑到本工程地质情况，本桥主墩承台采用钢板桩围堰。拟采用桩长为15 m的拉森Ⅳ型桩，钢板桩宽40 cm，重76.1 kg/m。设计钢板桩顶标高为+1.6 m，底标高为-13.4 m；封底混凝土顶标高（承台底标高）为-7.8 m，底标高为-8.8 m，封底混凝土厚度为1.0 m。围檩设计分3层：第一层钢围檩标高为0.0 m；第二层钢围檩标高为-3.5 m；第三层围檩标高为-6.1 m。三层围檩全部采用双拼H300 mm×500 mm的H型钢。所有支撑采用529 mm×9 mm的钢管。围堰平面布置如图2所示。

2.2 钢板桩围堰施工设计工况

主要设计工况有5个，分别是：

（1）在靠近承台侧定位桩上焊接牛腿，作为钢板桩插打导向围檩，依次插打钢板桩至合龙，钢板桩顶标高控制在1.30 m。

（2）安装第一道内支撑，抽除围堰内水，挖土至-0.6 m，在-0.1 m处施工第一道围檩（双拼36a工字钢），安装第一道内支撑（529 mm×9 mm钢管）。

（3）安装第二道内支撑，挖土至-3.6 m，在-3.1 m处施工第二道围檩（双拼300 mm×500 mm×11 mm×15 mm型钢），安装第二道内支撑（529 mm×9 mm钢管）。

（4）安装第三道内支撑，挖土至-6.6 m，在-6.1 m处施工第三道围檩（双拼36a工字钢），安装第三道内支撐（529 mm×9 mm钢管）。

（5）开挖至-9.00 m，搭设封底平台、布设封底混凝土导管，水下浇筑封底混凝土1.0 m厚至桩边，待封底混凝土达到设计强度后，拆除第三道内支撑，凿除桩头进行承台、墩身施工。

在这5种工况中，工况二钢板桩与内支撑受力较大，而其他4种工况中的钢板桩与内支撑受力相对较小，故对工况二情况下钢板桩围堰的受力特性进行分析。

2.3 钢板桩围堰工况验算

2.3.1 围堰受土压力计算

为了计算钢板桩所受侧压力，各个土层的计算参数如表2所示。

根据计算所得的钢板桩所受到的最大土压力为-377.53 kN/m，桩身最大侧向位移为-11.9 mm，最大弯矩为86.64 kN·m，最大剪力为-62.41 kN。

2.3.2 第一道围檩验算

围檩形式为双拼36a工字钢，支撑间距4 m，支反力70.7 kN/m，基坑侧壁重要性系数为1.1，围檩的弹性模量E为206×103 N/mm2，围檩的线膨胀系数为12×10-6，温度应力考虑温差5 ℃。主要参数：截面面积为152.6 cm2，截面惯性矩Ix为31 520 cm4，截面抵抗矩W为1 750 cm3。

2.3.2.1 强度验算

（1）轴力验算

围檩所受轴力为：N1=1.25×1.1×70.7×4×cos39°=302.193 kN。

围檩的温度应力为：N2=206 000×12×10-6×5×152.6×102=188.614 kN。

围檩所受的总轴力为：N=N1+N2=490.807 kN。

轴向正应力为：σ=NA=490.807×10315 260=32.163

（2）弯曲验算

钢围檩与钢支撑的节点为铰接，钢围檩的最大弯矩为围檩的跨中弯矩。

围檩的跨中弯矩为：M=1.25×1.1×18×70.7×4×4=194.425 kN·m。

弯曲正应力为：σ=MγW=194.425×1031.05×1 750×103=105.8

（3）剪力验算

由于所有的刚节点均为铰接，所以支座处剪力最大。

围檩的支座剪力为：V=1.25×1.1×12×70.7×4=194.425 kN。

最大剪应力为：τ=VSItw=194.425×（3003-200×2702）×1038×31 520×104=45.175<215。

2.3.2.2 稳定性验算

（1）整体稳定性验算

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）（以下简称《规范》），将铺板密铺在梁的受压翼缘并与其牢固相连，能阻止梁受压翼缘的侧向位移。由于钢板桩与围檩的紧密贴合类似铺板，所以围檩的整体稳定性满足要求，不需要进行整体稳定性的验算。

（2）局部稳定性验算

h0tw=300-3010=27<80235fy=80

2.3.2.3 第一道支撑

钢管外径529 mm，壁厚9 mm，支撑长度为8.4 m，支撑间距为4 m，支反力70.7 kN/m，计算考虑温度5 ℃，基坑侧壁安全重要性系数为1.1，水平钢管支撑的弹性模量E为206×103 N/mm2，钢结构的线膨胀系数为12×10-6。钢管为529×9 mm2。其主要参数为：截面面积为147.03 cm2，截面惯性矩Ix为49 709 cm4，截面抵抗矩W为1 879 cm3。

长细比：λ=li=84018.4=45.652。

其中，λfy235≈λ=45.652，查《规范》附录可知，φx=0.874。

（1）支撑总轴力的计算

支撑轴力：N1=1.25×1.1×70.7×4=388.85 kN。

温度应力：N2=206 000×12×10-6×5×147.03×102=181.729 kN。

支撑总轴力：N=N1+N2=570.579 kN。

（2）支撑所受弯矩的计算

每延米支撑上的荷载q为2 230 N/m，则自重产生的弯矩：

M1=1.25×1.1×18×ql2=1.25×1.1×18×2.23×8.42=27.044 kN·m。

施工荷载产生的彎矩：

M2=1.25×1.1×18×ql22=1.25×1.1×18×4×8.42=48.510 kN·m。

安装偏心产生的弯矩：

M3=Ne=22.823 kN·m。

总弯矩：

M4=M1+M2+M3=27.044+48.210.22.823=98.377 kN·m。

（3）弯矩作用在主平面内的压弯构件的强度计算

σ=NA+MγxW=570 57914 703+98.377×1061.15×1 879×103=84.334

（4）弯矩作用在对称轴平面内（绕弱轴）实腹式压弯构件的稳定性计算

弯矩作用平面内的稳定性：

N′Ex=π2EA1.1λ2=3.142×206×103×14 7031.1×45.6522=13 038.7 kN。

NφxA+βmxMxγxW1x（1-0.8NN′Ex）=570 5790.874×14 703+1×98.377×1061.15×1 879×（1－0.8×570.57913 038.7）×102=91.58

其中，βmx=1。

弯矩作用平面外的稳定性：

NφxA+ηβtxMxφbW1x=570 5790.874×14 703+0.7×1×98.377×1061.15×1 879×103=46.692

3 钢板桩围堰施工

3.1 现场施工步骤

具体施工总共有13个步骤，如图3所示。

3.2 施工要点

（1）在钢板桩施工时，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，设置具有一定刚度的导向架，以提高钢板桩围堰的施工质量。

（2）施工过程中，需要加强钢板桩之间的锁口对接，在锁口内涂抹黄油以保证施打顺利及确保止水效果。垂直度与轴线偏差需要高度控制，卡中钢板桩轴线偏差应≤±10 cm，钢板桩顶标高偏差应≤±10 cm，钢板桩垂直度误差应≤1%。

（3）钢板桩围堰抽水过程中止水堵漏是一个非常重要的环节。若漏水严重，堵漏困难，需要在钢板桩外侧补打钢板桩形成双壁围堰，内侧铺设彩条布，在彩条布与钢板桩围堰间填筑黏土进行封堵。

3.3 施工遇到问题及解决措施

（1）由于部分钢板桩在插打过程中碰到了斜长石等硬物或者由于桩身摩阻力过大不能顺利下沉部分钢板桩，便将钢板桩进行拔除，让自由水能够流入粉质黏土层中，减少粉质黏土层的摩阻力，使桩能够顺利下沉。

（2）在钢板桩插打过程中，部分桩出现了桩身偏差，该工程使用焊接的方式将已施工完毕的钢板桩和施工平台导向装置进行临时固定，采用测量仪器确保桩身的垂直度，确保垂直后再进行施打。

（3）在施工过程中遇到了相邻钢板桩锁扣渗水的情况，该工程采取防水材料对锁扣等缝隙进行填充，填补锁扣缝隙处的渗漏，同时采取了止水条等对钢板桩外侧进行包裹，形成防水层，并采取边抽水边施打的方法进行施工，不影响工期。

4 结语

三阳河桥主墩水中承台钢板桩围堰已经顺利完成施工，在施工过程中钢板桩的打入深度、打入精度、钢板桩身变形以及钢板桩的稳定性均在控制范围之内，并且在施工工期内完成了该钢板桩的打设工作，保证了承台的安全施工。本文介绍了钢板桩围堰在施工过程中遇到的问题以及解决措施。由于钢板桩围堰施工方式具有施工进度快、操作方便、钢板桩可回收以及经济性高的优点，在水中桥墩施工中具有广泛的应用前景。三阳河桥钢板桩围堰施工方案可为类似水中承台的施工提供借鉴。

参考文献

［1］沈文煜.深水基础超长钢板桩围堰受力特点及优化设计研究［D］.南京：东南大学，2020.

［2］洪 枭.深水基础钢板桩围堰施工分析及过程监测研究［D］.广州：广州大学，2020.

［3］钱 靓，王昕明.大型桥梁水下深基坑钢板桩围堰设计与施工［J］.湖南工业职业技术学院学报，2018，18（6）：5-8.

［4］李思公，李 利.红水河大桥主墩承台单壁有底钢围堰设计与施工［J］.工程建设与设计，2017（21）：180-182，185.

［5］严宏伟.小榄水道桥L2号墩承台钢板桩围堰设计与施工［J］.公路交通科技（应用技术版），2015（7）：234-237.

［6］王海涛，余昌平，金乾明.砂卵石+硬岩地质浅锚固式钢板桩围堰设计与施工技术［J］.公路，2022，67（12）：225-230.

［7］周新亚，刘昌箭，钱有伟.深水基础超长钢板桩围堰设计与施工关键技术［J］.世界橋梁，2020，48（2）：20-24.

［8］甘采华，宁怡豪.钢板桩围堰封底混凝土厚度优化设计分析［J］.西部交通科技，2021（12）：64-67.

［9］陈开桥.宜昌香溪河大桥4号桥塔墩钢围堰设计与施工［J］.世界桥梁，2019，47（4）：22-26.

［10］杨太鹏.钢板桩围堰技术在水中承台基础施工的应用［J］.科学技术创新，2022（12）：119-122.

收稿日期：2023-07-11