近海潮汐區鋼板樁圍堰設計與施工技術

馮明鋒

（中鐵十九局集團有限公司 北京 100176）

1 引言

隨著我國高速鐵路網建設蓬勃發展，跨江跨海橋梁建設日益增多，而基礎施工作為建設中的關鍵控制環節，直接關系著工程建設的進展。鋼板樁圍堰作為基礎施工的一種方法，具有防水性能好、截面抗彎性能強、適用各類土層等優點，現場施工可以根據基礎形式組成各種形狀的圍堰，同時材料可周轉，成本相對較低，被廣泛地用于水域施工中［1－3］。但在海域潮汐環境中使用鋼板樁圍堰時，由于施工工況復雜、風險高、不可控因素多，作為一道關鍵施工工序，其成功與否直接關系著承臺施工質量，決定了承臺施工周期［4－5］。本文以某高速鐵路跨海大橋為依托，參考同類型圍堰施工經驗［6－8］，對圍堰進行設計并優化施工工藝，確保了工程質量，為以后類似橋梁的施工建設提供寶貴經驗。

2 工程概況及水文地質條件

2.1 工程簡介

某跨海大橋橋梁起止里程為DK93＋615.93～DK108＋317.84，全長共14.7 km，共計 342個墩（臺），水域部分長度約10 km。其中75＃～332＃墩位于淺灘區，淺灘區承臺基坑深度均大于5 m，施工中受海水潮汐影響較大。

2.2 工程地質、水文及氣象條件

（1）工程地質條件

本橋地處區域主要為海積平原及丘前坡地，橋位處多為魚塘、灘涂養殖區。橋址區上覆土層主要為第四系人工填土（）素填土、雜填土；第四系沖海積（）淤泥、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、含礫粉質黏土、砂等；第四系沖洪積（）淤泥質粉質黏土。下伏基巖主要為燕山早期侵入二長花崗巖、閃長巖。

（2）水文氣象條件

海灣深入內陸約18 km，橋址范圍內海床面高程介于－3.6～－0.5 m之間，最高潮位為＋6.0 m，最低潮位為－0.5 m。橋位處為規劃3 000 t級航道，暫不通航。本海區波浪以風浪為主，常浪向為NE向，頻率26%，實測最大波高2.0 m。

橋址區內地表水發育，地表水體主要為海水。漲潮流來自遼闊的南海方向，潮流以海水為主；退潮流來自陸域方向，沿岸主要為河流向海中排泄，海水被沖淡。水質由于潮汐作用的影響，近大里程海岸變化較大，近小里程海岸變化相對較小［9］。

3 海上圍堰施工特點

由于受潮汐作用影響，施工情況較為復雜，漲潮時海水往岸邊方向流，退潮時海水向遠離岸邊方向流，每天兩次，潮水較為平穩，施工受漲、退潮水位落差影響大。

海上承臺處于深水潮汐海域，整個承臺處于淤泥層，其特殊的地質條件對鋼板樁圍堰施工提出了較高要求。

（1）施工組織困難：海上承臺施工便道為8 m寬的主棧橋，樁基、棧橋、承臺施工作業面多，存在施工交叉，交通壓力驟增，導致施工協調及組織難度增加。

（2）地質條件復雜：在淺灘區存在較厚的淤泥土層，同時海床面分布不均勻，受海床沖刷影響形成裸巖地層，造成圍堰設計和施工難度增大。

（3）鋼板樁插打定位難度大：由于每天兩次漲落潮，潮流和波浪力變化對鋼板樁的定位、插打垂直度提出更高要求。

（4）安裝內支撐工效低：普通的拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰，需設置多道內支撐，部分支撐位于水面以下，由于受潮水漲落影響，內支撐安裝則需要在退潮時進行，增加了施工的難度，工效相對較低。

（5）承臺封底難度大：封底采用抽水后干封，對鋼板樁縫隙堵漏要求更高。封底厚度較薄，整個承臺處于淤泥地層，地基承載力小，如何在封底厚度小、地質條件惡劣的情況下控制好質量、墊層平整度以及標高，對圍堰封底質量要求高。

4 圍堰方案設計及計算

4.1 鋼板樁圍堰結構布置

跨海大橋75＃～332＃位于海域施工，圍堰設計類型共8種。選取承臺尺寸為7.5×11.2×3 m進行分析，承臺底面標高－2.511 m，距最高潮水深＋8.511 m。選型長度15 m的拉森Ⅳ型鋼板樁，開挖后錨固深度為5.49 m。為便于承臺施工時立模和加固作業，圍堰尺寸設計為9.6×13.6 m，第一道圈梁采用雙榀 40a型鋼，第二道圈梁采用雙榀 56a型鋼，第一、二道內支撐均采用φ630×8 mm螺旋鋼管。圍堰立面布置和平面布置見圖1和圖2。

圖1 圍堰立面布置（單位：cm）

圖2 圍堰平面布置（單位：cm）

4.2 鋼板樁圍堰結構設計

圍堰按照15 m鋼板樁進行驗算，采用理正深基坑支護設計軟件。主要荷載有水土壓力、水流力、靜水壓力、波浪力。圍堰安全等級為一級，荷載組合采用的分項系數取值：恒載取1.2，活載取1.4。按照施工順序分為6個計算工況，具體見表1。

表1 圍堰受力工況

圍堰采用干挖清基及抽水到基底，此時第二層圈梁及內支撐均已施工，封底前最大水頭高度為9.011 m，此工況鋼板樁受力最為不利［10－11］，鋼板樁最大彎矩為325 kN·m，見圖3。單位米鋼板樁截面抗彎彈模為2.27×106mm3，最大彎曲應力：

圖3 鋼板樁受力及位移

σmax＝325×106／2.27×106＝143 MPa＜［σ］＝210 MPa符合要求。

開挖至基底，封底前鋼管內支撐受力最大，此工況下φ630×8 mm鋼管撐最大彎矩和最大軸力分別為543.6 kN·m和1 706 kN，見圖4和圖5。鋼管截面模量和截面面積分別為4.8×106mm3和1.56×106mm2，此時圈梁最大彎曲應力和最大軸應力分別為：

圖4 支撐彎矩

圖5 支撐軸力

結構滿足受力要求。

在開挖到基坑底部時第二道圈梁受力最大，該工況下圈梁最大彎矩［12－13］My＝409 kN·m，最大剪力Qy＝270 kN，最大軸力 Fx＝621 kN，最大扭力Mz＝80 kN·m，見圖6～圖9。

圖6 圈梁彎矩

圖7 圈梁剪力

圖8 圈梁軸力

圖9 圈梁扭矩

將彎矩、剪力、軸力及扭矩代入公式，應力計算結果見表2，結構滿足設計要求。

表2 圈梁應力計算

5 鋼板樁圍堰施工工藝

（1）施打前準備

鋼板樁采用履帶吊配合DZ90振動錘插打方式施工，插打前對進場鋼板樁進行驗收，驗收合格后方可運至施工現場啟動下道插打工序。

（2）鋼板樁定位和插打精度控制

鋼板樁在插打過程中受潮汐水流影響易發生位置偏移，漲落潮期間需設置臨時限位裝置。先安裝第一道內支撐圈梁作為鋼板樁插打時的導向架，并輔助限位工裝，以控制鋼板樁的平面尺寸和垂直度，見圖10和圖11。鋼板樁垂直度嚴格控制在0.5%之內［14］。

圖10 第一道圈梁安裝

圖11 鋼板樁插打限位裝置

圍堰合龍成功與否直接關系著圍堰的施工質量及進度。首先選擇靠近任一角樁的位置作為起步控制樁，利用測量儀器監測其插打垂直度，確保合龍精度。

（3）安裝圈梁和內支撐

鋼板樁合龍形成圍堰后，在低潮水位時割除樁基鋼護筒，依次安裝第一層內支撐、第二層圈梁以及第二層內支撐，見圖12和圖13，以確保圍堰開挖的整體穩定。

圖12 低潮水位內支撐安裝

圖13 高潮水位內支撐安裝

（4）清基技術

封底混凝土面以上土層為淤泥土，由于黏度較大，先采用潛水泵抽水，抽水完成后，利用長臂挖機直接進行淤泥開挖，并測量開挖深度以控制基底標高，同時遵循分層分區的原則［15］，嚴禁局部超挖。潛水泵抽水現場見圖14，長臂挖機開挖見圖15。

圖14 潛水泵抽水

圖15 長臂挖機開挖

（5）堵漏技術

由于滿潮水位時鋼板樁圍堰內外水頭高度差為9.011 m，圍堰在海水潮汐作用下導致鋼板樁所受的內外壓力反復變化，致使鎖口縫隙變大，漏水嚴重。在施工過程中經過反復試驗研究，鎖口堵漏采用了以下幾種方法：①退潮后在鋼板樁圍堰外側噴涂泡沫膠，達到外側封堵效果。泡沫膠封堵見圖16。②在圍堰內派專人使用棉絮摻植筋膠對漏水處進行堵塞，從內側保證封堵效果。植筋膠封堵見圖17。③用細砂順鎖口倒灌，敲打鋼板樁，細砂滑落，填滿鎖口。灌砂封堵見圖18。通過實踐證明以上三種措施止水效果明顯。

圖16 泡沫膠封堵

圖17 植筋膠封堵

圖18 灌砂封堵

（6）封底技術

清基完成后盡量縮短圍堰暴露時間，以免對基底土體造成擾動。封底選擇在低潮水位時抽水后干封，厚度為50 cm。為控制超挖，在挖機大臂上做標記并派專人監控開挖深度。開挖平整之后，底部鋪一層竹膠板連成一個整體以防止翻漿。封底時使用泵車先大面積薄鋪一層，使竹膠板均勻受力，防止局部受力竹膠板發生傾斜導致淤泥翻涌致使局部夾泥影響封底效果。

6 結束語

某工程跨海大橋位于海域淺灘區，施工環境較為復雜。經過工程結構設計檢算和專家論證，承臺施工選擇采取拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰的結構形式，從理論上保證結構的安全。施工中經過實踐探索，鋼板樁插打采用先安裝內圈梁和加工專門的限位工裝確保了插打精度；圍堰堵漏采用三種組合方法，確保在海域潮汐變化影響下圍堰不滲水；圍堰封底采用低潮水位抽水干封，同時在基底鋪設一層竹膠板，防止封底時翻漿，有效地保證了封底厚度及質量。