深水鋼板樁圍堰結構計算與應用

高明成

(中鐵十局集團西北工程有限公司，陜西西安 710065)

1 工程概況

平果右江雙線特大橋為云南至廣西鐵路站前工程Ⅰ標控制性工程之一，全長1 496 m，主跨采用(80+144+80)m連續梁跨越右江，連續梁主墩為18，19號墩。全橋共有墩臺39個，其中樁基礎承臺21個，擴大基礎承臺18個;樁基146根，樁長平均11 m，其中直徑為1.25 m的樁基122根，直徑為2.0 m的樁基24根，墩身結構形式為圓端型實體橋墩。

2 方案選擇、分析及驗算

2.1 施工方案的選擇

最初施工方案擬選用鋼套圍堰進行深水承臺施工，但考慮這種圍堰在水壓力作用下，只產生環向軸力，雖減少內支撐，但采用此方法需要把巨大而沉重的鋼套箱整體沉入水中，工序復雜，吊運困難，鋼板樁重復利用率低，不經濟，并且承臺下部地質形狀呈鋸齒形，封堵困難。公司考慮既有機械設備、地質條件以及鋼板樁市場外購及外租價格，并進行結構計算、技術論證，擬采用鋼板樁圍堰施工，鋼板樁不僅施工方便，周轉率高，折舊低，而且大大降低了施工成本。

2.2 鋼板樁圍堰結構設計、驗算

1)鋼板樁尺寸。鋼板樁圍堰長、寬尺寸受承臺直徑和安裝、拆卸承臺模板時的作業面控制，因承臺埋置河床下，且施工水位深5 m左右，所以承臺尺寸為15.8 m×11.6 m×4.0 m，開挖擬設計鋼板樁圍堰尺寸為:20.4 m×16.2 m×11 m。

2)參數取值(見表1)。橋墩中心處地質情況，水流速度v= 2.96 m/s，水的容重9.8 kN/m3。

3)鋼板樁檢算:根據土層特點，僅對鋼板樁圍堰的自身強度和整體穩定性檢算?？紤]鋼板樁插打時對土層產生的擾動，土體容重均按浮容重考慮。根據綜合情況按挖深至79.6 m，此時鋼板樁長為10 m;鋼板樁挖深至河床覆蓋層，鋼板樁圍堰外側承受荷載主要為靜水壓力，平均樁長12 m。利用midas程序對鋼板樁圍堰進行整體建模(見圖1)。

表1 參數取值

檢算結果:圍囹計算。圍囹受到的最大應力發生在最下層圍囹與內撐相交處，值為54.8 MPa，小于容許應力140 MPa，滿足要求。

4)內撐計算。鋼管截面面積A=(529×529-513×513)× 3.14/4=13 088 mm2，慣性半徑i=1/4×√(5 292+5 132)= 184 mm，λ=12 913/184=70，φ=0.751，所以鋼管考慮穩定自身所能受最大壓力:N=φ×A×［f］=0.751×13 088×140= 1 376 kN，內撐受到的最大應力值為68.1 MPa，小于容許應力140 MPa，滿足要求。內撐受到的最大軸力值為1 078.8 kN，發生在最下層斜撐上，小于容許軸力1 376 kN，滿足要求。

圖1 鋼圍堰圖

5)鋼板樁計算。計算得到鋼板樁圍堰每延米的繞水平軸的最大彎矩為183 kN·m/m，取一片鋼板樁進行驗算，鋼板樁的寬帶為0.4 m，查得鋼板樁邊緣斷面的模量為:W=814.8 cm3，計算得到鋼板樁外緣應力為:σ=M/W=0.4×248.2×103/0.000 814 8= 121.8 MPa。鋼板樁彎矩圖見圖2。

圖2 鋼板樁彎矩圖

最大值發生在順橋向南側河床覆蓋層與鋼板樁的相交處，鋼板樁容許應力為140 MPa，應力滿足要求。結構的屈曲模態計算結果如圖3所示，結構的屈曲模態最小特征值為97.8，結構整體穩定性能滿足要求。

圖3 整體屈曲模態

3 鋼板樁施工方案

3.1 施工準備

新購入鋼板樁材料進場時，應檢查產品合格證、尺寸以及力學性能是否符合要求，經整修或焊接的鋼板樁，現場進行鋼板樁鎖口試驗。分類堆放、編號、登記檢驗合格的鋼板樁。采用組樁插打鋼板樁時，組樁的嵌縫用舊棉絮塞填緊密，組樁及單塊樁兩側鎖口均在插打前涂黃油，以便降低摩擦力，增加防滲性能。

3.2 圍籠安裝

安裝圍籠時，首先進行測量定位，用一層導框做成圍籠，然后打定位樁，在定位樁上掛裝導框，導框在岸邊組成，浮運到位以纜索錨碇，在開始插打板樁后，逐步將導框轉掛在已打好的板樁上。

3.3 插打鋼板樁至合龍

1)本項目鋼板樁采用開始一部分逐塊插打，后一部分則先插合龍后再打的施工方法。2)施打前，在鎖口內涂抹防水混合料，組拼樁時用棉絮塞縫。3)根據鋼板樁圍堰計算尺寸、布樁原則以及輪廓線，并結合平果右江河流水位、流速等特點，浮吊固定在樁位上游，先施工上游一排樁，并與技術人員測設已知點、控制軸線相呼應，浮吊就位后，按照施工順序逐根施工。在合龍口插打鋼板樁，然后在合龍口處采用鋼板樁插打一個半徑約1.5 m的半圓將合龍口圍住，在半圓內填筑砂袋，由潛水員下水進行仔細堆碼將合龍口的縫隙封堵，這樣會有少量的漏水，采用水泵強抽排除。在鋼板樁全部插打完成后，安裝圍囹之前采用振動錘將鋼板樁逐根全部進行重復振打一遍。

3.4 封底澆筑

由于外防水封堵方法復雜，很難進行，并且水下封底可能造成鋼板樁不能拔出，根據必選采用先抽水、加內支撐，然后封底。當清淤達到要求時，按常規進行封底施工，封底時在鋼板樁圍堰內側支模，采用C25混凝土封底，厚度約1.3 m。

3.5 抽水、防滲及堵漏

抽水前，在鋼板樁與導框之間空隙處用方木或枕木塞緊，確保導框在壓力作用下均勻分布，用大型的泥漿泵和清水泵抽水，在抽水過程中若發現有滲漏，鎖口不密實時，需要積極采取措施，采用板條、棉絮或土工布在板內側塞縫，同時在外側水中撒放鋸末或煤渣夾粉土混合物，在流動水以及鋼板樁側壁水壓力作用下沖入縫隙或滲漏處，達到封閉的目的。若水下滲漏過大，必須采用快硬早強的高標號混凝土水下澆筑封底。

3.6 承臺和橋墩施工

抽完水后，人工清理基底，避免基底承載力受損，導致漏水，基坑開挖到設計標高后，采用空壓機破除樁頭，樁頭設計樁頂以上20 cm用人工破除。樁頭破除后平整基坑底面，澆筑20 cm混凝土墊層。墊層混凝土達到設計強度后，支立鋼模板，并把在陸上綁扎好的承臺鋼筋主體骨架吊入模板內，修正完畢經監理驗收合格后，分層分段斜向澆筑承臺混凝土，承臺施工完成后施工墩柱。

3.7 鋼板樁的拔出

施工完承臺墩身后，按照打樁的逆順序、受力狀態、拔樁的難易程度以及水位的高低等將鋼板樁拔出，在拔出鋼板樁前，向圍堰內灌水，使圍堰內水面高出河水面1 m左右，利用靜水壓力將鋼板樁推開，使其水下封底混凝土脫離，必要時用打樁錘擊打待拔的鋼板樁，使樁底松動后再一一拔出。若部分鋼板樁很難拔出，使用外加荷載導致樁身變形、扭曲等現象，材料人員應及時修正變形的樁，同時進行涂抹防銹漆或油類物養護，確保鋼板樁正常使用。

4 施工注意事項

1)打樁順序選擇上，從上游開始，至下游合龍。2)施工過程中，重錘低擊，均勻施打，同時做好打入記錄，確保樁入巖以及單樁承載力。3)施打前和施工過程中，應隨時觀察樁是否發生傾斜、偏移，若發生偏移，及時采取措施予以矯正。

5 結語

通過鋼板樁圍堰結構計算與應用，掌握深水施工鋼板樁圍堰結構計算參數、施工方案等，為類似施工提供參考。

［1］ 歐領特.鋼板樁工程手冊［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 聶慶科，梁金國，韓 立.深基坑雙排樁支護結構設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［3］ GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［4］ 杜永昌.高速與客運專線鐵路施工工藝手冊［M］.北京：科學技術文件出版社，2003.