西蘇堡特大橋鋼板樁支護結構設計與施工

【摘要】鋼板樁具有可重復利用、防水性好、施工方便快捷的特點。本文結合西蘇堡特大橋承臺基坑鋼板樁支護結構施工實踐，介紹了鋼板樁及支護結構設計驗算的方法，并對具體施工工藝進行了詳細闡述，可作為同類工程施工參考。

【關鍵詞】橋梁；鋼板樁；支護；設計與施工

1 工程概述

1.1 工程概況

西蘇堡特大橋跨越渾河，橋跨布置為3×30m +（70+110+110+70）m +39×30m，橋梁全長1626m，主橋上部結構為預應力鋼筋混凝土變截面連續梁。下部結構主墩采用大體積空心墩，下設承臺群樁基礎。主橋4#～6#主墩承臺結構尺寸為14×14×5m。

本橋基礎及下部構造施工期常水位為23m，橋位距離河岸較近，深水施工墩位較少，因此主橋4#～6#墩均設置了沙袋筑島圍堰，圍堰頂高程為24m。承臺基坑開挖底高程為10.5m，開挖深度13.5m，采用鋼板樁作為基坑開挖支護結構，水下混凝土封底。本基坑為臨時結構，設計時安全等級為二級。

1.2 水文地質

橋位處河槽寬度約360m，水流較緩，100年一遇洪水設計流量為4939m3/s，100年一遇洪水水位為30.36m。橋位處最大沖刷深度7.85米，沖止高程為8.15米。

根據設計提供的地質報告，河槽施工斷面內地質情況類似，具體情況如表1 。

2 鋼板樁支護設計

2.1 鋼板樁支護結構形式

西蘇堡特大橋4#～6#墩承臺深基坑支護鋼板樁采用國產拉森SP-IV型：每延米寬截面模量W=2037 cm3，單塊寬400mm ，板樁為A3鋼，容許應力取[σ]=200MPa。鋼板樁樁長采用20m，樁頂高程為24.0m，樁底高程為4.0m。鋼板樁圍堰設三層型鋼圍檁和一層封底混凝土，鋼支撐分別設置于距頂部距樁頂1m、5m、8.5m位置，封底混凝土圍堰承臺底面以下。圍檁內部設置型鋼支撐，支撐中部設立柱連接。承臺混凝土分兩次施工，承臺混凝土澆筑前支護結構形式如圖1所示。

澆筑承臺第一次混凝土后，拆除承臺模板，對承臺外側與鋼板樁之間的位置進行中砂回填，然后拆除第三道鋼支撐，進行承臺上部立模和混凝土澆筑施工。

2.2 基坑鋼板樁支護計算

基坑鋼板樁支護系統設置了3道鋼支撐，基坑底部封底混凝土也是一道支撐。利用深基坑分析計算軟件分步驟對基坑鋼板樁的受力、位移情況進行模擬并加以分析計算。

2.2.1 計算圖示

基坑在開挖時，采用邊開挖邊支撐的方式對鋼板樁進行支撐，鋼支撐最終布置及受力情況見圖2。

2.2.2 主要受力狀況分析

1）工況一：第一道圍檁及支撐安裝完畢，基坑內降水開挖5.5 m，第二道圍檁未安裝；

2）工況二：第二道圍檁及支撐安裝完畢，基坑內降水開挖9 m，第三道圍檁未安裝；

3）工況三：第三道圍檁及支撐安裝完畢，基坑內降水開挖13 m，未澆筑封底混凝土；

采用軟件對鋼板樁受力情況進行計算，計算鋼板樁在各主要受力工況下的位移、彎矩和剪力，并得出鋼板樁位移內力包絡圖如圖3所示。同時，通過表2對比可知，工況三為最不利工況，但滿足鋼板樁容許應力要求。因此，需要對工況三圍檁及鋼支撐結構進行設計，為便于材料統一和倒用，三層圍檁及鋼支撐采用相同形式。

2.2.3 鋼板樁及支護結構設計驗算

鋼板樁和支護結構受力隨著開挖和加撐的過程不斷變化。根據鋼板樁位移和受力包絡圖對鋼板樁和支護結構進行設計。

鋼板樁：計算鋼板樁最大彎矩Mmax = 382.5 kN·m ，鋼板樁的允許應力取[σ] = 200MPa， W= Mmax/ [σ] =382.5×1000/200=1912.5cm3，已知選用的拉森SP-IV型鋼板樁每延米寬截面模量W=2037 cm3，滿足要求。根據計算鋼板樁最大位移為38.1mm，設計最大位移為13×1000/250=52mm，滿足要求。

圍檁：支撐軸力最大值為553.8kN/m，則圍檁最大彎矩設計值：Mmax = 1/8×ql2=1/8×553.8×3.52=848.0kN·m。已知型鋼抗彎強度設計值f=215 MPa ，則W = Mmax2/ [σ] =848.02×1000/215 =3944.2cm3，采用雙I56a工字型鋼，其W=2342×2 =4684cm3，滿足要求。

鋼支撐：①、對撐計算：按兩端鉸支檢算穩定性，中間設立柱，L=7.25m。通過歐拉臨界公式： ，得出： =1475cm4。選?273×8mm鋼管，滿足要求；②、斜撐計算：斜撐長L=5m，水平力為553.8KN，軸向力為553.8/cos45°=783KN。通過歐拉臨界公式得I=992.7 cm4。選?273×8mm鋼管，滿足要求。

2.3 封底混凝土計算

將圍堰看作近似密封體，在抽干圍堰內水時，則有整個圍堰將在水的浮壓力作用下，有可能封底砼連同鋼板樁向上位移，出現失穩現象。據此來計算圍堰的抗浮穩定性。

圍堰封底厚度取1.5m，采用近似計算的方法來驗算。

在施工過程中，鋼板樁打入土體，在粘土和砂土中所受的水的浮力，遠達不到在近視于受純水的浮力37260KN，實際上安全系數還比現在計算要大。故圍堰封底厚度取1.5m安全。

3 鋼板樁及支護系統施工

3.1 施工工藝流程

施工準備→導向框制作→測量放樣→打入鋼板樁→鋼板樁合攏→抽水、開挖、圍檁支撐安裝循環進行→水下抽砂、封底混凝土澆筑→承臺施工→基坑回填→鋼板樁拔出。

3.2 插打鋼板樁前的準備工作

（1）每個墩的鉆孔樁完成后，移走鉆機，清理筑島鉆孔平臺；

（2）鋼板樁變形檢查：因鋼板樁在裝卸、運輸過程會出現撞傷、彎扭及鎖口變形等現象，因此，鋼板樁在插打前有必要對其進行變形檢查。對變形嚴重的鋼板樁進行校正并做銷口通過檢查。鎖口檢查方法：用一塊長約2米的同類型、同規格的鋼板樁作標準，采用卷揚機拉動標準鋼板樁平車，從樁頭至樁尾作鎖口通過檢查，對于檢查通過的投入使用，不合格的再進行校正或淘汰不用。鋼板樁的其它檢查：剔除鋼板樁前期使用后表面因焊接鋼板、鋼筋留下的殘渣瘤；

（3）振動錘檢查：振動錘是打拔鋼板樁的關鍵設備，在打拔前一定要進行專門檢查，確保線路暢通，功能正常，振動錘的端電壓要達到380-420V，夾板牙齒不能有太多磨損；

（4）涂刷黃油混合物油膏：為了減少插打時鎖口間的摩擦和減少鋼板樁圍堰的滲漏，在鋼板樁鎖口內涂抹黃油混合物油膏（重量配合比為瀝青：黃油：滑石粉：鋸末=4：6：10：1）。

3.3 鋼板樁圍堰的插打

鋼板樁插打利用50t履帶吊車作為起吊設備，配合DZ120型振動錘的施工方法逐片插打。

（1）安裝鋼板樁插打導向：鋼板樁插打之前，在施工平臺上安裝導向架，以控制鋼板樁的平面尺寸和垂直度；

（2）為了確保每一片鋼板樁插打準確，第一片鋼板樁是插打的關鍵，第一片鋼板樁位置選擇在上游或下游中心位置，插打前在導向架上設置限位裝裝制，大小比鋼板樁每邊放大1cm，插打時，鋼板樁樁背緊靠導向架，邊插邊將吊鉤緩慢下放，這時在相互垂直的兩個方向用錘球進行觀測，以確保鋼板樁插正、插直；

（3）通過檢測，確定第一片鋼板樁插打合格后，然后以第一根鋼板樁為基準，再向兩邊對稱插打每一根鋼板樁到設計位置。整個施工過程中，要用錘球始終控制每片樁的垂直度，及時調整；

（4）、鋼板樁插打至設計標高后，立即與導向架進行焊接，以抵抗水流沖擊；

（5）插打過程中，須遵守“插樁正直，分散即糾，調整合攏”的施工要點。

3.4 圍堰內抽水、吸泥、安裝內支撐及水下封底

（1）鋼板樁插打完畢后，開挖、吸泥至作業面以下-1.5m高處，安裝第一道支撐；

（2）繼續抽水、吸泥至-5.5m高，安裝第二道支撐；抽水、吸泥至-9m高，安裝第三道支撐。

（3）第三道支撐安裝完成后，向圍堰內加水至圍堰外水位，水下吸泥、清淤至-13m高。

（4）水下澆注封底砼。水下吸泥、清淤到設計標高后，即可進行水下封底砼施工，封底砼標號為C25，封底厚度為1.5m。

3.5 施工過程監測

在鋼板樁插打施工完成以后進行支撐的施工。在施工支撐及開挖過程中，應對支撐系統進行監測。在鋼板樁施工中，打設的允許誤差一般為：樁頂標高偏差為±100 mm ，鋼板樁垂直度偏差為1%。在鋼板樁打設過程中，應監測其偏差是否在允許誤差范圍內，超出時及時糾正。施工過程中主要監測土體地質情況、內支撐和鋼板樁的變形、基坑內流動水量及圍堰的位移、抽水深度等，每日不得少于2 次。同時填寫專門的觀測記錄表，統計累計變形量和當日變形量。當發現鋼板樁和圍檁有超過規定要求的變形時，應立即疏散基坑內的施工人員，采取相應的加固處理措施。

3.6 鋼板樁及支護的拆除

（1）承臺和墩柱施工完畢后，方可進行鋼板樁及支護結構拆除，每回填砂至相應支撐高度后方可逐層拆除圍檁和支撐結構；

（2）鋼板樁拔除方法：先用打拔樁機夾住鋼板樁頭部振動1min～2min，使鋼板樁周圍的土松動，產生“液化” ，減少土對樁的摩阻力，然后慢慢的往上振拔，拔樁時注意樁機的負荷情況，發現上拔困難或拔不上來時，停止拔樁，可先行往下施打少許，再往上撥，如此反復可將樁拔出來。

4 結語

針對西蘇堡特大橋承臺基坑開挖深度大的特點，通過對不同工況下鋼板樁的受力狀況進行分析，設計了鋼板樁支護結構并成功實施，確保了施工安全和進度，可為類似工程提供參考。

參考文獻：

[1] 汪正榮.建筑施工計算手冊[M]. 2版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] 李明珊，王志忠，徐玉江.東合大橋鋼板樁圍堰施工方案[J].西部交通科技，2010， 8.