大型深水低樁承臺鋼板樁圍堰設計與施工技術

徐秋紅

(中鐵大橋局第九工程有限公司，廣東 中山 528437)

0 前 言

韓江東特大橋主汊橋位于韓江沖積平原區，橋位跨越韓江主流，江面寬約435 m，水深約5～8 m，平時有當地漁船或砂船通航。韓江徑流主要由降雨產生，年降水量與年徑流量成正比，每年汛期一般為4月至9月，最高峰出現在6月。主汊橋為110+210+110=430 m預應力混凝土連續剛構，主墩Z18Y17#承臺采用整體式矩形承臺，平面尺寸35.75 m×17 m×5 m，河床高程-0.5 m，承臺底高程-7.6 m，水位高時可達+5 m，圍堰施工屬于深水基坑施工。

1 工程地質及水文地質

1.1 工程地質

圍堰內地層結構按巖土分層自上而下劃分見表1。

表1 Z18Y17#墩鋼板樁圍堰土層參數表

1.2 水文地質

水文地質參數為：①流速1.5 m/s；②水位(百年)5.0 m；③汛期6～9月，枯水期1～3月。

2 選擇鋼板樁圍堰及干挖干封的依據

選擇依據為：①韓江東溪上下游有水閘，大型船舶無法進場，無法采用雙壁鋼圍堰的方案；②河床以下為淤泥層，由淤泥質粉質黏土、粉質黏土組成，總層厚在10～20 m，適合鋼板樁插打，可操作性強；③承臺底為粉質黏土層，為不透水層；④現場墩位處做滲水性試驗，實驗數據顯示滲水系數0.02，表明基底土層具備圍堰干挖施工條件。

3 鋼板樁圍堰設計

3.1 鋼板樁圍堰結構

主墩鋼板樁圍堰平面尺寸38.40 m×20.4 m，采用拉森VI鋼板樁(PU600×210)，設置3層內支撐。頂底層內支撐圈梁采用2HN800×300型鋼，撐管采用Φ820×8 mm鋼管；中層內支撐圈梁采用2HN900×300型鋼，撐管采用Φ1000×10 mm鋼管，撐管與圈梁之間采用焊接連接。

施工時，先在中層內支撐處設置外導環，插打鋼板樁，再吸泥至-1.90 m，將頂中層內支撐整體下放到設計位置后，圍堰內抽水開挖至-5.90 m，安裝底層內支撐，然后繼續開挖至墊層底(-8.10 m)，澆筑墊層混凝土，待其達到強度后，拆除底層內支撐，施工承臺。

3.2 計算模型的建立

鋼板樁圍堰的頂面標高按施工期汛期最高水位取+5.5 m。最不利工況為圍堰抽水干挖至標高封底前。圍堰結構設計采用midas軟件，其中拉伸Ⅵ型鋼板樁按板單元模擬，鋼圍囹與內支撐按梁單元模擬。以Z18Y17#主墩為例，說明計算過程及結果。Z18Y17#墩各工況施工參數見表2。

表2 各工況荷載組合表 單位：m

工況一

工況二

工況三

工況四

表3 鋼板樁圍堰計算結果匯總表

3.3 鋼板樁穩定性驗算

在水土壓力作用下，當圍堰內吸泥完成，鋼板樁內側入土深度為10.4 m時，圍堰在內外水土壓力作用下的穩定性滿足要求。見圖2。

3.4 鋼板樁封底計算

本方案采用圍堰干挖干封工藝，故主要計算圍堰內側抗隆起驗算。

基坑外鋼板樁底面以上土的加權平均重度：γm1=15.5 kN/m3；

基坑內鋼板樁底面以上土的加權平均重度：γm2=17.4 kN/m3；

基坑底面至鋼板樁底面的土層厚度：D=10.4 m；

基坑深度：h=13.1 m；

鋼板樁底面以下土的粘聚力c=18kPa，內摩擦角φ=15.1°；

承載力系數：Nq=tg2(45°+0.5φ)eπtanφ=3.98；Nc=(Nq-1)/tanφ=11.0；

則KS=2.5>1.4；

滿足規范要求。

圖2 嵌固穩定性計算簡圖

4 鋼板樁圍堰施工

4.1 圍堰鋼圍囹與支撐結構

圍囹與支撐結構見圖3。

圖3 圍囹與支撐結構

4.2 圍囹與支撐的安裝、下放及拆除

采用逆作的方法，先安裝第二層圍囹與支撐到位，再打設鋼板樁(見圖4)。

圖4 第二層圍囹與支撐與鋼板樁插打

第二層圍囹、支撐鋼板樁插打完成后，安裝第一層圍囹與支撐及第一層與第二層層圍囹、支撐聯接系(見圖5)。

圖5 第一層圍囹、內支撐拼裝

第一、二層圍囹、支撐安裝及下放；利用橋梁樁基鋼護筒組成吊架體系、第一層、第二層整體吊裝、下放鋼圍囹至設計位置。

圍囹與支撐安裝及下放過程中，應跟蹤測量，確保定位準確。圍囹與支撐的安裝、下放系統見圖6。

圖6 圍囹與支撐吊裝、下放系統

圍堰第一、二層內支撐完成后，開始圍堰內挖泥，挖泥采用抓斗，挖至第三層內支撐標高-5.9 m時停止挖泥，抽干圍堰內水，在鋼板樁上安裝第三層內支撐牛腿，以其作為依托搭設作業平臺進行第三層圍囹與支撐拼裝(見圖7)。

圖7 第三層圍囹內支撐拼裝

第三層圍囹與支撐安裝完畢后，圍堰內繼續挖泥至設計標高，清理鋼板樁圍堰周邊及樁基護筒邊遺留泥土，基底找平，澆筑80 cm厚封底混凝土，待封底混凝體達到強度后體系轉換，拆除第三層圍囹與支撐，進入承臺施工工序。見圖8。

圖8 第三層圍囹內支撐拆除承臺施工

鋼圍囹與支撐拆除：承臺施工完畢拆除模板，在圍堰與承臺間灌砂注水使其密實，頂部澆筑50 cm厚度混凝土，待強度上來后拆除第二層內支撐與墩身沖突的四根對撐管，進行墩身施工。

4.3 鋼板樁施打

施打由上游寬度方向開始，與下游寬度方向處合龍，依次完成鋼板樁的打設。

4.4 鋼板樁堵漏

基坑抽水后，在鋼板樁接縫出現滲漏水處，采用瀝青麻絮由潛水員進行填塞，同時在圍堰外上游方向撒鋸末和砂等方法來進行堵漏。

4.5 鋼板樁拔除

按照“先打后拔、后打先拔”的原則一次對鋼板樁進行拔除。

5 承臺挖基

Z18Y17#主墩鋼板樁圍堰基坑設計尺寸38.4 m×20.4 m，最大挖深9 m，單個基坑最大開挖量達7 050 m3。

本工程鋼板樁圍堰設計為干挖干封的條件下進行，此時圍堰內水已抽完，圍堰結構受力依靠鋼圍囹與支撐受力。在開挖初期，采用長臂挖機進行挖基，在開挖后期，針對現場實際情況采用抓斗配合人工的方法進行挖基，此辦法可大大地提高開挖的效率。

基坑內清理出來的泥砂由翻斗車運至指定點進行存放，比以往的水下吸泥泵挖基更環保，效率高，安全質量更可靠。

6 防止基坑底部隆起的措施

基坑抽水開挖過程中，安排測量人員在鋼圍堰上口布設側點進行連續不間斷的監控，并安排專人進行巡視。若圍堰位移出現大的偏差，鋼板樁圍堰結構出現異響，樁體發生傾斜等情況，即視為基坑底部已發生隆起，應立即停止開挖，并采取向基坑內灌水，回填砂石等應急處理方法，再會同設計方研究下一步處理方案。

7 承臺施工及支撐的受力轉換

Z18Y17#水中主墩承臺厚5 m，方案一次成型澆筑。鋼板樁圍堰墊層混凝土達到設計強度后拆除圍堰第三層鋼圍囹與支撐，完成第一次圍堰體系轉換。承臺混凝土澆筑后模板拆除完，在承臺與圍堰結構之間回填砂，采用水密法使砂層密實后在其頂部澆筑80 cm厚的混凝土進行封閉，完成圍堰的第二次體系轉換。待拆除第一、二層與墩身相沖突兩根橫向支撐，完成墩身出水，墩身出水后圍堰內灌水逐次拆除第二層和第一層鋼圍囹與支撐，最后拔除鋼板樁，完成水下承臺施工。

8 結束語

廣東地區水系發達，水道眾多，為減少墩臺對水流的影響，橋梁跨越水道通常采用低樁承臺的設計。對于河床以下淤泥層、淤泥質粉砂層等軟土較厚的地層條件，采用鋼板樁圍堰的圍護結構方案解決深水橋梁低樁承臺的施工難題，不但是安全可行的，而且也是經濟合理的。特別是對于施工區域空間受限、雙壁鋼圍堰等其他圍堰方式整體浮運就位困難的地段，采用鋼板樁圍堰能最大程度地減少所受區域位置的限制，更顯方便、靈活。

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