深水区域高桩地系梁拉森钢板桩围堰设计与施工技术研究

唐永祥

（中铁十七局集团第五工程有限公司，山西太原 030000）

0 引言

拉森钢板桩围堰以其整体刚度较大、变形较小、施工简便快捷、安全可靠、经济环保等诸多优点，在众多围堰结构形式中应用广泛。目前，拉森钢板桩围堰主要应用于软弱地层施工，所以研究一套深水区域高桩地系梁拉森钢板桩围堰施工技术具有良好的社会经济效益。

1 工程概况

永州城南大桥主线全长1183.56m，工程包括主桥、引桥、匝道桥工程；引桥5#、6#、7#墩，主桥9#、10#、11#位于湘江内，湘江平均水深8m，原设计5#～7#墩承台尺寸为3.9m×4.2m×2.5m；通过设计变更优化，将引桥5#～7#墩承台取消，桩基直径2.5m 保持不变，桩长增加至原承台顶，增加桩顶横向地系梁；将5#～7#墩柱由方柱变为直径2.3m 的圆柱，采用桩柱式桥墩形式。

2 拉森钢板桩围堰结构设计

2.1 围堰结构形式

钢板桩围堰采用矩形，围堰轮廓尺寸为16m×6.4m，围堰顶标高设计为+99.00m，板桩底面的标高为+87.50m，钢板桩采用拉森Ⅳ型；内支撑设3 层，第一层的标高为98.055m，第二层的标高为95.555m，第三层的标高为93.555m；第一层内支撑的围檩为2HN450mm×200mm，内部支撑分短边的水平撑和四角八字撑，支撑采用529mm×10mm 螺旋管，第二、三层内支撑的围檩为3HN450×200，内部支撑分短边的水平撑和四角八字撑，支撑均采用529mm×10mm 螺旋管，水平撑和八字撑支撑在围檩的位置；每层围檩与钢板桩接触位置设上下正反牛腿[1]。

2.2 围堰结构检算

2.2.1 计算资料

（1）地质资料：墩位处地面以下为土质泥岩。土的参数（容重γ、凝聚力c、内摩擦角φ）按地勘报告提供的参数取值，土压力计算采用水土合算原则。

（2）材料选择：钢板桩采用拉森SP-U400mm×170mm×15.5mm，每延米钢板桩抵抗矩W=2270cm3，材质采用Q345，容许弯曲应力210MPa。第一层圈梁采用2HN450mm×200mm，第二、三层圈梁采用3HN450mm×200mm。内支撑采用529mm×10mm 螺旋钢管，其材质均为Q235B，容许弯曲应力170MPa。

（3）荷载：主动土压力、被动土压力、土压力采用朗肯土压力理论计算；该工程无地面超载。

（4）流水压力：流水压力按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）第4.3.8 条计算，流水压力荷载标准值计算公式为：

式（1）中：Fw为流水压力标准值，kN；γ为水的重力密度，10kN/m3；V为设计 流 速，取 值V=2.4m/s；A为钢板桩阻水面积，计算至一般冲刷线处，m2；g 为重力加速度，取g=9.81m/s；K为桥墩形状系数，取1.3。计算得出每米荷载为7.66kN/m，按倒三角形加载。

2.2.2 计算荷载及工况

计算时，考虑荷载包括静水压力和土压力，为保证钢板桩围堰在施工过程中都满足设计要求和安全要求，结合以往经验分析，按照以下3 种不利工况进行分析计算：

（1）工况一：钢板桩围堰合龙后，安装完成第一层内支撑结构体系，抽水至围堰第二层内支撑以下0.5m 处。

（2）工况二：安装好围堰第二层内支撑体系，抽水至围堰第三层内支撑以下0.5m 处。

（3）工况三：安装好围堰第三层内支撑体系，抽水至围堰封底混凝土顶面处。

2.2.3 钢板桩入土深度计算

采用等值梁法进行钢板桩入土深度计算，均取1m宽度范围进行计算，采用水土合算原则、MIDAS CIVIL 软件建模，分析各工况钢板桩入土深度。

（1）工况一时，反弯点在河床以下y=0.22m，反弯点反力为140.2kN，则x=2.17m；入土深度t=2.63m。故钢板桩长度为10.84m。

（2）工况二时，反弯点在河床以下y=0.33m，反弯点反力为115.1kN，则x=1.97m；入土深度t=2.53 m。故钢板桩长度为10.74m。

（3）工况三时，反弯点在河床以下y=0.44m，反弯点反力为85.6kN，则x=1.70m；入土深度t=2.35m。故钢板桩长度为10.56m。

考虑安全、施工以及材料变异等因素，钢板桩顶标高设计为+99.00m，底标高设计为+87.50m（钢板桩长度11.5m）。

2.2.4 钢板桩受力检算

采用MIDAS CIVIL 软件，对钢板桩进行建模分析，各工况建模计算结果如下：

（1）工况一建模计算结果：钢板桩最大弯矩为304.96kN·m，第一层内支撑反力为124.30kN；钢板桩应力：σ=304960000/2270000=134.34MPa＜210MPa，满足要求。

（2）工况二建模计算结果：钢板桩最大弯矩为158.75kN·m，第一层内支撑反力为9.30kN，第二层内支撑反力为246.30kN。钢板桩应力：σ=158750000/2270000=69.93MPa＜210MPa，满足要求。

（3）工况三建模计算结果：钢板桩最大弯矩为83.25kN·m，第一层内支撑反力39.60kN，第二层内支撑反力为 53.90kN，第三层内支撑反力为219.50kN。钢 板 桩 应 力：σ=83250000/2270000=36.67MPa＜210MPa，满足要求。

2.2.5 圈梁和内支撑受力检算

第一层圈梁处最大压力为124.30kN/m，第二层圈梁处最大压力为246.40kN/m，第三层圈梁处最大压力为219.50kN/m。

第一层圈梁和内支撑建模计算结果：圈梁最大组合应力为94.60MPa＜170MPa；529mm×10mm 的横撑杆件计算长度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第一层的横撑杆件最大应力为42.8MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撑杆件计算长度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第一层八字撑最大应力为53.80MPa＜0.985×170=167.50MPa，满足要求。

第二层圈梁和内支撑建模计算结果：圈梁最大组合应力为124.50MPa＜170MPa；529mm×10mm 的横撑杆件计算长度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第二层的横撑杆件最大应力为81.80MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撑杆件计算长度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第二层八字撑最大应力为90.90MPa＜0.985×170=167.50MPa，满足要求。

第三层圈梁和内支撑建模计算结果：圈梁最大组合应力为110.80MPa＜170MPa；529mm×10mm 的横撑杆件计算长度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第三层横撑杆件最大应力为62.50MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撑杆件计算长度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第三层八字撑最大应力为81.0MPa＜0.985×170=167.5MPa，满足要求。

2.2.6 抗浮检算和封底混凝土强度检算

（1）封底混凝土抗浮检算

以引桥第二联7#墩为例进行检算，7#墩钢板桩围堰采用2.22m 厚的封底混凝土，围堰封底混凝土底面受到的浮力为：F=LBHγw=16×6.4×10.43×10=10680.32kN。水下封底混凝土与桩之间的容许黏聚力一般为10～20t/m3，这里取12t/m3。封底混凝土的自 重：G=24×2.22×（16×6.4-3.14×1.252×2）=4933.10kN。护筒黏结力：T1=2.22×3.14×2.5×120×2=4182.5kN。钢板桩与封底混凝土的黏结力：T2=2.22×(16+6.4)×2×120=11934.7kN。抗浮系数K=（G+T1+T2）/F=(4933.1+4182.5+11934.7)/10680.32=2.0＞1.05；采用封底混凝土厚度为2.22m，满足要求。

（2）封底混凝土强度检算

采用C25 水下封底混凝土，厚度2.22m。混凝土在围堰结构形成支点反力的情况下，受围堰在抽水过程中产生的上浮力作用。围堰封底施工完成后，待封底混凝土达到设计强度的要求，方可抽水进行下一步作业。当水位超过97.5m 时，严禁进行抽水施工。此时最大水位水头差按8.9m 计算。按单宽简支梁计算，跨度为两相邻桩间的最大距离：l=5.5m。C25 容许拉应力为0.5MPa，应考虑水下混凝土折减系数0.7；q=8.9×10-24×2.22=35.7kN/m。

Mmax=ql2/8=35.7×5.52/8=135.1kN·m，W=1000×22202/6=8.214×108mm3。

σ=M/W=(135.1×106)/(8.214×108)=0.164MPa＜0.7[σt]=0.35MPa，满足要求。

3 拉森钢板桩围堰施工工艺流程

围堰测量定位—焊接钢板桩导向架—利用振动锤逐根振打钢板桩至围堰合龙—利用长臂挖机清理堰内河床面卵石层，满足最小封底厚度—水下封底混凝土灌注施工—围堰分层抽水、设置内支撑—破除桩头—桩基系梁施工—水中墩柱施工—堰内分层回灌水并拆除内支撑—拔出钢板桩。

4 拉森钢板桩围堰关键施工技术

4.1 围堰测量定位

在钢栈桥桥头岸边陆地上，设置围堰测量的控制点，用全站仪测放围堰轴线。

4.2 焊接导向架

根据围堰四边中线的控制点，确定导向架的具体位置。利用桩基施工钢护筒作为受力点，在钢护筒上面焊接导向架，围堰导向架采用40a 工字钢焊接。

4.3 钢板桩插打施工

钢板桩插打施工自围堰结构上游部位开始，在围堰下游合龙。采用履带吊配备90 型振动锤进行钢板桩插打施工；履带吊将钢板桩吊至设计插点处进行插桩，对准锁口，开动液压机，夹紧钢板桩，开始插打施工，在过程中用全站仪控制围堰线形。

4.4 钢板桩纠偏

拉森钢板桩在插打施工过程中，应及时进行纠偏处理，每插打10 根左右钢板桩做一次全面检查。

4.5 钢板桩围堰合龙

拉森钢板桩由围堰上游侧分两头开始插打，到围堰结构下游侧角部，利用专门加工的角桩进行围堰合龙；在插打至最后5 根钢板桩时，测量合龙口的宽度，精确计算异形钢桩的尺寸，保证围堰精确合龙；围堰合龙后，及时进行围檩及内支撑体系施工，以保证围堰结构的整体稳定性[2]。

4.6 围堰内卵石清理施工

在钢板桩插打至围堰合龙后，为满足钢板桩围堰设计最小封底厚度的要求，需要挖出、清理围堰内卵石层。采用长臂挖机进行水下开挖施工，7#墩卵石层开挖厚度为0.8m，6#墩卵石层开挖厚度为0.8m，5#墩卵石层开挖厚度为1.2m。长臂挖机停放在围堰两侧的马道上面，进行水下开挖施工。平台面到开挖面的垂直高度为11m，长臂挖机满足开挖施工的要求，长臂挖机在开挖过程中，技术员利用测绳进行每个开挖点的深度量测，确保满足围堰水下封底混凝土的厚度。

4.7 水下封底混凝土施工

采用导管法灌注水下封底混凝土施工，灌注顺序按照从上游向下游逐段灌注。混凝土坍落度控制在200～220mm。在封底混凝土中，适量掺入粉煤灰和高效缓凝剂，提高混凝土的流动性，延长初凝时间。在封底施工过程中，准确测量封底混凝土的顶面标高，确保封底混凝土的厚度符合设计要求。

4.8 钢板桩围堰堵漏

拉森钢板桩因嵌锁咬合上总有不严密之处。抽水时，派潜水员进行堵漏止水施工作业。潜水员一般采用棉布条等填充物填塞接缝。在抽水过程中，如果发生锁口漏水较大，影响围堰内施工作业时，停止抽水、让水回灌，重新止水。

4.9 围堰内支撑安装

在围檩上，测出内支撑的位置并标记。为确保支撑钢管轴心受压，支撑钢管端头企口切割时，要保证钢管轴线和围檩型钢结构中线重合。用起吊设备将支撑钢管吊放到对应位置安装，并焊接牢固。

5 拉森钢板桩围堰施工控制要点

其一，焊条、焊丝等焊接材料的规格型号必须与焊接工艺评定试验所确定的相一致。

其二，钢材的几何尺寸偏差必须符合国家标准规定。

其三，严格按照质检制度和质检程序控制拉森钢板桩围堰工程的质量。

其四，插打必须从上游侧开始至下游侧进行合龙。

其五，振动锤试振动30s，停止振动，进行钢板桩垂直度检查，检查合格，继续沉桩施工。

其六，插打到孔底，利用振动锤强制插打，使桩底部嵌入岩层10～20cm，防止钢板桩底部透水。

6 结语

深水区域高桩地系梁拉森钢板桩围堰施工技术的成功应用，加快了深水基础施工的进度，通过采取清理围堰内卵石并水下封底等措施，解决浅埋覆盖层软岩地质拉森钢板桩难以插打至设计嵌固深度及钢板桩围堰底部透水的问题。将深水区域高桩地系梁拉森钢板桩围堰设计及施工关键技术研究总结，希望能给同类型工程施工提供一些参考，该施工技术应用前景广阔。