鋼板樁圍堰在天津新建海河大橋中的應用

趙蘭濤

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東齊河 251100)

1 工程概況

天津海河大橋位于天津東部，新建橋梁位于現(xiàn)海河大橋的東側(cè)，是一座主跨310 m+190 m獨塔雙索面、鋼混凝土混合型主梁斜拉橋。主橋長500 m，主孔跨越規(guī)劃中的復線閘及現(xiàn)用一線閘，其中21號墩獨塔地處海河船閘北岸，為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m，共100 根，梅花形布置，承臺尺寸為 46.5 m ×34.5 m ×5 m，地面高程約+3.4 m，承臺底高程為－3.163 m，承臺底距原地面6.563 m，地下水位標高 －1.6 m。

2 方案確定

天津海河大橋21號墩為獨塔基礎(chǔ)，承臺位于河床以下，且地下水位較高，承臺施工需要水下開挖基坑，開挖深度達6.8 m，考慮到鋼板樁圍堰防水性好、整體剛度性大、占用空間小、施工速度快、可多次使用等特點，故主墩基礎(chǔ)施工采用鋼板樁圍堰支護。

3 結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)河床地質(zhì)情況，鋼板樁采用拉森Ⅳ型鋼板樁，長度為12 m，圍堰平面尺寸37.6 m ×49.6 m。圍堰頂高程為 +3.4 m，圍堰底高程為－8.6 m(鋼板樁圍堰設計方案如圖1所示)。

由于鋼圍堰平面長、短邊均較長，故鋼板樁圍堰內(nèi)支撐中部采用傳力框架結(jié)構(gòu)，圍堰四角采用斜角撐，鋼板樁圍堰內(nèi)設兩道內(nèi)支撐。施工時，第一道內(nèi)支撐圍檁先起導向框架作用，待圍堰合龍后，焊接牛腿，使框架起支撐作用;第一道內(nèi)支撐圍檁為2Ⅰ55a工字鋼臥放，斜撐為2Ⅰ45b工字鋼臥放，斜撐與邊梁要焊接牢固，直撐為φ630×10鋼管。第二道內(nèi)支撐圍檁為3Ⅰ55a工字鋼臥放，斜撐為3Ⅰ45b工字鋼臥放，直撐為φ630×10鋼管。

4 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)驗算

4.1 地質(zhì)資料

基礎(chǔ)開挖處土層為粉質(zhì)粘土，內(nèi)摩擦角為23°，容重為20 kN/m3，土層粘聚力C=8 kPa，施工荷載為40 kN/m2。地下水位標高－1.6 m，土壓力和水壓力按水土分算原則計算。

4.2 封底混凝土厚度驗算

圍堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水頭差引起的上浮力，封底混凝土標號為C25，其容重γ=24 kN/m3，封底混凝土厚度為0.8 m，取混凝土有效厚度0.5 m計算。

封底底面標高為－4.0 m，地下水位標高－1.6 m，封底混凝土所受荷載:q=γ水h水－γ混凝土h混凝土=10×(－1.6+4.0)－24×0.8=4.8 kN/m2。

4.2.1 抽水完成時，封底混凝土抗剪檢算

封底投影面積:A=49.6 ×37.6=1 864.96 m2;

樁基面積:0.785 ×1.52 ×100=176.63 m2(樁徑 1.5 m，樁數(shù)100，成樁后，護筒已拔出);

圍堰內(nèi)實際投影面積為:1 864.96 －176.63=1 688.3 m2;

上浮力:F浮=4.8 ×1 688.3=8 103.8 kN;

每根樁基所承受的粘結(jié)力為:

8 103.8/(3.14 ×1.5 ×0.5 ×1 000 ×100)=0.04 MPa＜[0.20 MPa]。

圖1 鋼板樁圍堰設計圖

4.2.2 抽水完成時，封底混凝土抗彎檢算

按雙向四邊簡支板計算，Lx=4 000 mm，Ly=8 000 mm，Lx/Ly=0.5。

Mx=0.096 5×36 ×42=55.58 kN·m，My=0.017 4×36 ×42=10.02 kN·m。

取1 m單寬進行驗算:Wx=bh2/6=0.375 m3，采用C25封底混凝土，根據(jù)《鐵路混凝土與砌體設計規(guī)范》其允許彎曲拉應力為:[σ]=650 kPa。

4.3 鋼板樁強度及入土深度驗算

鋼板樁入土深度、鋼板樁長度采用等值梁法。等值梁法是當前工程界中應用最廣泛的一種用以計算圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法，受力分析圖見圖2。

4.4 驗算工況及結(jié)果

4.4.1 驗算工況

鋼板樁計算長度按等值梁法確定。鋼板樁圍堰施工過程分五個工況進行分析(其中，工況一和工況二為水封工況;工況三和工況四、工況五為干封工況)。

圖2 受力分析圖

工況一:第一道支撐裝好后，干挖至－0.9 m標高。

工況二:第二道支撐裝好后，抽水吸泥至－4.0 m標高。

4.4.2 驗算結(jié)果

驗算結(jié)果見表1。

表1 驗算結(jié)果

4.5 內(nèi)支撐受力驗算

鋼板樁圍堰內(nèi)支撐受力采用midas進行受力分析。利用midas有限分析軟件對鋼板樁圍堰進行平面分析。計算模型中，鋼板樁圍檁、直撐、斜撐桿按梁單元進行模擬，鋼板樁圍堰模型如圖3所示。

圖3 受力分析圖（單位：MPa）

結(jié)論:直撐最大正應力 21.3 MPa＜0.81 ×[170 MPa]=137.7 MPa(Lx=1 280 cm，λx=Lx/ix=58.5，查表可得φx=0.81)，斜角撐最大正應力 20.7 ＜0.73 ×[170 MPa]=100.5 MPa(Lx=1 276 cm，λx=Lx/ix=72.9，查表可得 φx=0.73)。

圈梁 σmax=51.3 MPa ＜0.92 ×[170 MPa]=156.4 MPa，τmax=16.4 MPa＜[80 MPa](Lx=600 cm，λx=Lx/ix=34.3，查表可得 φx=0.92，滿足要求)。

以上為第一道內(nèi)支撐受力驗算，原設計桿件截面滿足受力要求。參照以上計算，對第二道內(nèi)支撐進行受力檢算。驗算結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)支撐受力驗算結(jié)果

5 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)施工

5.1 鋼板樁圍堰施工工藝及工序

插打定位樁→布設圍堰導向框架→逐件插打鋼板樁→基坑開挖，安裝內(nèi)支撐→抽水、堵漏→承臺施工→拆除鋼板樁圍堰。

5.2 鋼板樁圍堰施工作業(yè)

1)施工準備:鋼板樁運至工地后，均應詳加檢查、丈量、分類、編號，特別要檢查鎖口，并在鎖口處涂以黃油，以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。

2)經(jīng)測量定位后，插打定位樁、布置導向框架(第一道內(nèi)支撐圍檁作導向框架)，在導向框架上放樣處每片鋼板樁的位置。

3)鋼板樁插打:插打鋼板樁是利用50 t履帶吊配合DZ90振動打樁錘進行的。打設過程中必須確保鋼板樁的垂直度，鋼板樁吊起后，需以人力扶持插入前一塊鋼板樁的鎖口內(nèi)，動作要緩慢，防止損壞鎖口，插入以后稍松吊繩，使樁憑自重滑入或用錘重下壓。插打困難時，也可用滑車組強迫插樁，但拉力不宜過大，待插入一定深度穩(wěn)定后，方可加以錘擊。

在插打過程中，每打4根～5根鋼板樁就要用靠尺測量垂直度，將鋼板樁的傾斜度控制在1%以內(nèi)，否則就用倒鏈糾偏，當鋼板樁偏移太多時，只能采用多次糾偏的方法逐步減小偏移量。

4)鋼板樁圍堰合龍:為了便于鋼板樁圍堰合龍，合龍?zhí)幍膬善瑯稇桓咭坏?，合龍時往往出現(xiàn)“上小下大”(下端有土擠壓，上端是自由的)的情況，此時可用兩個走四滑車組向兩邊拉開，直至合龍樁兩邊樁頂?shù)木嚯x等于鋼板樁寬度為止，在接近平行時，再將合龍樁插入，打至設計標高。

5)抽水、安裝支撐、水下吸泥、封底:鋼板樁插打完畢后，即可利用挖掘機進行開挖并進行抽水，安裝內(nèi)支撐。邊抽水邊堵漏，水抽干后即可挖機開挖至基坑底，然后灌注封底混凝土，將基底硬化，進行破樁頭、承臺作業(yè)等。

6)鋼板樁圍堰的拆除:待墩身施工完成后，向圍堰內(nèi)注水，使內(nèi)部水面位于最底層支撐以下，然后割除該層內(nèi)支撐，以此循環(huán)，依次拆除完所有內(nèi)支撐，然后用浮吊配合振動錘將鋼板樁逐片拔出，運離現(xiàn)場。

6 結(jié)語

新建天津海河大橋主墩鋼板樁圍堰施工中，采用midas軟件建立力學模型，通過受力分析計算，合理選擇了鋼板長度、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式，不但有效節(jié)約了材料，確保了圍堰受力合理，也為圍堰的施工提供了可靠的理論依據(jù)。