水中墩深基坑鋼板樁圍堰設計

楊惠芳

(中國水利水電第四工程局有限公司第二分局，河北涿州 072750)

1 工程概況

1.1 設計概況

寧杭客運專線NHZQ-Ⅱ標徐舍特大橋跨鐘張運河連續梁(60+100+60)m，正線里程為DK111+911.320 ～DK112+133.020。線路采用無砟軌道，設計時速350 km/h，其中415號，416號主墩基礎采用11φ200 cm 鉆孔樁，承臺設計尺寸為18.8 m×12.4 m×4 m，均為低樁承臺，埋于河床以下。擋水圍堰均采用鋼板樁圍堰，鋼板樁長度15 m，封底混凝土厚度1.0 m。

1.2 水文資料和地質情況

水文資料:徐舍特大橋與鐘張運河斜交60°，鐘張運河為Ⅴ級航道。主要流量、流速等要素如下:Q1/100=655 m/s，H1/100=3.0 m，V1/100=0.89 m/s。

地質情況:連續梁415號，416號墩處水深約3 m，河床地質從上向下為3.3 m粉土，5.2 m 淤泥質粉質粘土，6.1 m 粉土，18 m粉質粘土，1.6 m 粉砂，4.3 m 細圓礫石，7.1 m 泥質砂巖(全風化)，8.9 m 泥質砂巖(強風化)，8.8 m 泥質砂巖(弱風化)。

2 鋼板樁圍堰設計

2.1 方案選擇

以415號墩為例，一邊靠岸，一邊靠河，土質為淤泥質粉質粘土，呈流塑狀，且固結時間長，抗剪力低，針對以上特點，考慮采用鋼板樁圍堰施工，此方案有施工成本低、工藝簡單、安全等優點。

2.2 結構設計

根據水文資料確定圍堰標高為+3.162 m，預留出2.0 m工作空間，圍堰平面尺寸為20.8 m×14.4 m矩形，見圖1。

以415號墩承臺鋼板樁圍堰為例，水中鉆孔樁成孔后，選用拉森Ⅳ型鋼板樁，單根長度15 m，套型鎖口，防滲性能較強。拆除鉆機平臺后，在鋼護筒上搭設施工平臺，進行定位測量。安裝三道圍囹，第一道設在標高+1.235 m處，第二道設在標高－1.965 m處，第三道設在標高－5.165 m處 。 四周支撐采用H型鋼(400×400×16×21)，內部支撐采用鋼管，外徑D=600 mm，厚度 δ=16 mm。為了在基坑開挖時圍囹與樁頭錯開，以及有效抵抗鋼板樁的整體變形，所以內部支撐設計為“井”字形，鋼管交叉處用傳力架連接。基坑進行有水開挖，灌注1.0 m厚封底混凝土，鋼板樁圍堰受力按靜水壓力和主、被動土壓力計算。

2.3 鋼板樁圍堰的計算

主要施工程序為:1)搭設鋼板樁;2)有水開挖，邊開挖邊下放第二道圍囹，抽水至第一道圍囹下50 cm，安裝第一道圍囹;

3)有水開挖至第二道圍囹設計標高之下50 cm，按照設計標高安裝第二道圍囹，重復以上工序一次;

4)有水開挖至基坑底，澆筑1.0 m的封底混凝土;

5)拆除第三道圍囹，承臺施工，施工完畢后，基坑回填至承臺頂面，拆除第一、第二道圍囹。以上工序中4)較危險，經過計算此工序能安全通過。

土壓力計算:

2.4 封底混凝土厚度、強度計算

2.4.1 封底混凝土厚度計算

以415號為例，最高水位取+3.0 m，鋼板樁圍堰頂標高+3.162 m，底標高－11.838 m，承臺底標高為－6.465 m。封底混凝土厚度為h，則封底混凝土底標高為(－6.465－h)，水深為(3+6.465+h)。11個φ200 cm樁基鋼護筒部分按不受力計算。鋼板樁與土之間的摩擦阻力取12 kPa，鋼護筒與封底混凝土之間的摩阻力取100 kPa。

1)圍堰整體浮力:

2)鋼板樁圍堰自重:

3)封底混凝土重量:

4)樁基鋼護筒抗拔力:

5)鋼板樁抗拔力:

F2=(20.8+14.4)×2×(4.55+11.7)×12=13 728 kN。

6)封底混凝土厚度計算:

建立方程:1.05F浮=G1+G2+F1+F2。

解得:h=0.78 m(取h=1.0 m)。

2.4.2 封底混凝土強度驗算

1 m厚C20封底混凝土被樁基分切成若干塊，可以按照簡支雙向板計算，最大跨徑為3.9 m(取相鄰樁間距)，取1 m寬一條作為研究對象，來驗算封底混凝土的彎曲應力。

其中，l為封底混凝土最大計算長度，m;q為封底底面靜壓力，kPa;W為封底混凝土每1 m寬截面的抗彎模量，m3;h為封底層頂面處至水位面高度，m;d為假定的封底混凝土最小厚度，m;γw為水的重度，kN/m3;γc為混凝土的重度，kN/m3;[f]為封底混凝土容許抗彎曲強度，采用C20混凝土，考慮荷載作用時間較短，可取1 540 kPa。

γw=10 kN/m3，γc=26 kN/m3，h=8.3 m，d=1 m，將以上數據代入公式得:

f=764 kPa＜[f]，滿足要求。

3 鋼板樁圍堰施工工藝和方法

在打設鋼板樁后，安裝圍囹。在圍堰內設置三道圍囹，圍囹與鋼板樁之間焊接，上下圍囹之間用型鋼將三道圍囹焊接成整體，這樣鋼板樁圍堰就形成一個整體，抵抗整體傾覆的能力大大增加。

1)將鋼板樁運到工地后，認真做好檢查、丈量、分類、編號工作，同時對兩側鎖口用一塊同型號長2 m～3 m的短樁做試驗，以2人～3人拉動通過為宜。

組樁及單樁的鎖口內，涂以黃油混合物油膏(重量配合比為:黃油 ∶瀝青 ∶干鋸末 ∶干粘土=2∶2∶2∶1)以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。

2)導框安裝。在進行安裝導框時，先進行定位測量。導框采用現場分段制作，固定在定位樁上。

3)鋼板樁的吊運、插打與合龍。鋼板樁檢查合格后，允許堆放最多四層，每層用墊木隔開，高差不得大于10 mm，上下層墊木中線在同一垂線上，允許誤差不得大于20 mm。

4)圍囹安裝。鋼板樁打設完成后，安裝第一道圍囹，圍囹各節點均采用鋼結，焊接時應采用不小于1 cm厚鋼板作為綴板。開挖至第二道圍囹標高處時安裝第二道圍囹，重復以上工序一次即可。

5)封底混凝土。封底混凝土灌注，封底混凝土采用C20，厚度為1.0 m，要求初凝時間為12 h以上，坍落度為18 cm～22 cm，為保證封底混凝土質量，要求混凝土灌注連續不間斷進行，并且在盡可能短的時間內完成。

4 結語

徐舍特大橋鐘張運河連續梁415號墩承臺鋼板樁圍堰施工證明，對于靠岸的深水承臺施工，在周圍壓力不平衡的情況下，用鋼板樁加圍囹可以解決，且具有施工進度快、占用空間小、安全又經濟，對于淤泥質粉質粘土及粉質粘土等地質狀況，采用鋼板樁施工是成功的。

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[4]黃呈偉.鋼結構基本原理[M].重慶:重慶大學出版社，2008.

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