芒稻河特大橋深水基礎鋼板樁及雙壁鋼圍堰比選研究*

王 亭 林海峰 王 序 劉昌箭 卓為頂

(1.中鐵四局集團第二工程有限公司 蘇州 215131； 2.江蘇省交通工程建設局 南京 210004；3.東南大學土木工程學院 南京 211189)

在大型橋梁的深水樁基礎施工中，常常需要采用雙壁鋼圍堰或鋼板樁圍堰作為水中臨時圍護結構來完成樁基承臺的混凝土澆筑。而實際圍堰方案的選擇，則需要考慮具體橋位的水文、地質條件等多種因素。

雙壁鋼圍堰由2層圍堰壁板組成，層間通過支撐連接，圍堰內根據現場實際需求再設置對撐。其剛度大、強度高，能夠在覆蓋層較厚，水流流速快等復雜地質條件下使用。例如，港珠澳大橋[1]、蘇通大橋[2]、滬通大橋[3]等。

鋼板樁圍堰由鋼板樁和圍堰內支撐構成，它是一種通過兩兩之間互相扣鎖達到擋水效果的裝置。相對于雙壁鋼圍堰，鋼板樁圍堰施工速度快、占地空間小、設備要求低，經濟效益更加顯著。例如，武漢鸚鵡洲長江大橋[4]、楠溪江特大橋[5]、如皋港長青沙二橋等。

本文結合五峰山芒稻河特大橋基礎形式及橋位特點，從工期、安全、經濟的原則出發，對雙壁鋼圍堰和鋼板樁圍堰方案進行設計比選。

1 雙壁鋼圍堰及鋼板樁圍堰特點對比

雙壁鋼圍堰壁板結構由內外層鋼板和其中的支撐組成，并通過豎向及橫向加勁肋提升整體剛度，壁板夾層間設置板艙，對板艙進行注水和抽水以實現圍堰的下沉和糾偏。雙壁鋼圍堰具有較大的整體剛度，可以抵抗30 m以上的水頭差，適用于10～50 m的深水基礎。施工工藝通常包括：鋼圍堰制造、浮運運輸、河床吸泥、圍堰下沉接高、澆注封底混凝土、抽水等。雖然雙壁鋼圍堰施工工藝復雜，運輸受航道影響較大，但雙壁鋼圍堰密水性好，只需做好封底措施，后期基本可以做到不滲漏。因此，在很多大型橋梁中通常采用雙壁鋼圍堰作為基礎施工方法。

鋼板樁是帶有鎖扣的一種型鋼，具有斷面形式可變、結構輕巧、可重復使用、防腐性好等特點，是建造臨時圍擋的理想材料。鋼板樁圍堰由鋼板樁通過鎖扣連接，架以圍囹支撐形成鋼板樁圍堰，整體剛度比雙壁鋼圍堰小，主要適用于4～36 m的深水基礎。鋼板樁圍堰由于沒有刃腳，且自重小，因此，主要用于軟土地基淺覆蓋層[6-7]。其施工工藝簡便，主要包括：振動錘插打鋼板樁、圍囹支撐安裝、澆注封底混凝土、抽水等。相對于雙壁鋼圍堰，鋼板樁圍堰的圍囹支撐可以在現場采用型鋼制作，整體部件運輸簡便，同時起吊設備噸位要求小、構件占用場地面積小、施工速度快，在軟土河床橋位基礎施工時具有很好的經濟性。

雙壁鋼圍堰和鋼板樁圍堰的特點對比，見表1。由表1可見，雙壁鋼圍堰適用于內外水頭差大、復雜地質的工況，且自身密水性較好，但施工周期長、造價高；鋼板樁圍堰適用于水深較低和軟土地基的工況，同時密水性相對一般，但造價低、施工周期短。以上兩者均具備施工可行性，可根據實際需求進行鋼圍堰的選擇確定。

表1 雙壁鋼圍堰和鋼板樁圍堰特點對比表

2 應用案例——芒稻河特大橋基礎工程

2.1 工程概況

五峰山過江通道南北公路接線工程位于揚州市江都區，路線整體呈南北走向，路線全長1.975 km。芒稻河特大橋上部結構采用77 m+3×130 m+82 m預應力混凝土剛構-連續梁組合體系，下部結構主墩(33～36號墩)為深水基礎，承臺設置于河床底，采用實心墩。

項目區地貌為新三角洲與江心洲工程地質區，成陸時代新，地面標高一般在3～5 m左右。以34號墩柱圍堰范圍內地質情況為例，-10.599～-13.2 m為淤泥質粉質黏土，-13.2～-15.8 m為粉土，-15.8 m以下為粉砂。該地區年均降水量為1 062.4 mm，芒稻河流速較緩，平均流速1.3 m/s，峰值2 m/s，最大水深達18 m。橋址處距離芒稻河并入長江口10 km，受長江汛期的影響，7-9月為高水位時期，300年一遇洪水位為6.894 m。

2.2 芒稻河特大橋鋼圍堰方案比選

為了使芒稻河特大橋基礎施工順利進行，保證工程質量，提出了基于雙壁鋼圍堰和鋼管樁圍堰進行圍擋的2種方法。

雙壁鋼圍堰方案采用矩形截面，圍堰平面尺寸為47 m×18 m、壁厚1.5 m，豎向分為4節，平面分為16塊，圍堰總高度：6.2 m(第一節)+2×6 m(第二、三節)+4.8 m(第四節)=23 m，其中，圍堰頂標高+5.0 m，圍堰底標高-18.0 m，封底混凝土厚3 m，設計水位+4.0 m。雙壁鋼圍堰方案構造圖見圖1。施工工藝為：雙壁鋼圍堰設計→后場分塊加工→現場底節拼裝→吊裝下放→上節拼裝接高→混凝土配重(或注水)下沉→圍堰內吸泥清淤→澆筑封底混凝土→圍堰抽水→承臺施工。

圖1 雙壁鋼圍堰布置圖(單位：mm)

擬采用的鋼板樁圍堰方案平面尺寸為45.6 m×16.8 m，選用拉森IVw型鋼板樁，材質SY295，單根長34 m，共設置5層內支撐。圍堰頂標高為+5.0 m，圍堰底標高-29.0 m，封底混凝土厚5.5 m，設計水位+4.0 m。鋼板樁圍堰方案構造圖見圖2。

圖2 鋼板樁圍堰布置圖(單位：mm)

鋼板樁圍堰施工工藝如下：鋼板樁圍堰設計→鋼板樁逐根插打至合龍→安裝內支撐→圍堰內吸泥清淤→澆筑封底混凝土→圍堰抽水→承臺施工。

根據類似工程施工經驗，雙壁鋼圍堰綜合單價按1萬元/t考慮，鋼板樁圍堰按0.6萬元/t考慮。對2種方案的施工可行性、安全性、結構受力特點、施工工期和經濟性進行計算與對比，結果見表2。

表2 方案比選匯總表

由表2可見，雙壁鋼圍堰及鋼板樁圍堰在技術上均可行，但雙壁鋼圍堰方案難以滿足項目施工工期要求，且造價高出約1 400萬元。同時，項目橋址下游4.5 km處已建的夾江大橋通航高度僅6.8 m，采用雙壁鋼圍堰施工時，大型浮吊無法進場，雙壁鋼圍堰不具備整體吊裝、下沉條件，只能采取豎向分段、橫向分塊的散拼法。橋址處部分主墩河床面大角度傾斜，雙壁鋼圍堰下沉定位和垂直度控制難度大，若出現下沉偏位，糾正難度極大。

因此，結合項目實際情況，本項目深水基礎施工采用鋼板樁圍堰。

3 超長鋼板樁圍堰用于深水基礎時的改進措施

由于芒稻河最大水深達14 m，圍堰內外水頭差19 m，使得所選用的鋼板樁的最大長度達34 m。對于此類型的超長鋼板樁圍堰，往往承受著更大的水頭差和土壓力[8]，這會導致外側鋼板樁豎向抗彎承載能力不足，此效應在順水流向的鋼板樁表面更明顯[9]。而由于鋼板樁的豎向變形，使得圍囹支撐對撐在水平向，除去由于自重產生的下撓外，還會承受軸向力，為“彎壓組合”荷載，這對結構的變形是極其不利的。

為解決以上2個問題，可在迎水面采用H型鋼焊接在鋼板樁表面增大截面積，以增加鋼板樁抗彎剛度；對于圍囹對撐則可采用逐層焊接豎向鋼管的方式“變簡支為連續”，達到減小跨中撓度的目標，加固效果見圖3。除去此類由于結構抗彎剛度不足而導致的變形問題外，超長鋼板樁圍堰易在高水頭差的作用下產生漏水，同時隨著深度的增加，漏水現象越發顯著。為避免此問題，通常會在打入鋼板樁前，在鎖扣位置涂抹黃油；在打入鋼板樁后，若發現漏水，會對漏水位置拋擲鋸木屑、粉煤灰、水泥漿等物體，通過水壓差吸附拋擲物進行堵漏。但以上方法不能堵漏密實，此時可采取土工布或磁性橡膠條進行堵漏，對于滲漏嚴重位置采取焊接角鋼堵漏，堵漏效果見圖4。

圖3 加固方式

圖4 堵漏方式

4 結語

本文基于五峰山過江通道南北公路接線工程芒稻河特大橋對圍堰施工方案進行探討，并對超長鋼板樁圍堰用于橋梁深水基礎進行了研究，得出以下結論。

1) 雙壁鋼圍堰相適用于各類土層和10～50 m的深水基礎，鋼板樁圍堰適用于軟土層和4～36 m的深水基礎。

2) 超長鋼板樁圍堰可通過焊接型鋼增加豎向抗彎剛度，在圍囹支撐的水平層之間焊接鋼管“變簡支為連續”降低水平支撐的跨中撓度，采用土工布、磁性膠條、焊接角鋼等方法進行堵漏。

3) 通過方案比選，芒稻河特大橋采用鋼板樁圍堰方案進行施工，相比雙壁鋼圍堰方案節約預算約1 400萬元，工期提前72 d，經濟效益顯著。可為以后的類似橋梁建設提供參考。