基于汛期水位變化的雙層高低鋼板樁圍堰施工技術研究

袁攀峰

(中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430010)

1 工程概況

秋浦河大橋全長1 068 m，跨河主橋為矮塔斜拉橋，橋面寬34 m，9#和10#主墩承臺均位于深水中，枯水期施工水位標高+7.5 m，汛期施工水位標高+14.5 m。承臺為矩形結構，尺寸為8.3 m×8.3 m×3.0 m，左右幅承臺間距5.45 m，基礎共采用10根直徑1.6 m鉆孔灌注樁，樁長25 m。承臺及基礎結構平面及側面如圖1、圖2所示。

圖1 承臺及樁基礎結構平面(單位：mm)

圖2 承臺及樁基礎結構側面(單位：mm)

9#和10#主墩基礎上部覆蓋層為素填土和卵石層，地下水主要為松散巖類孔隙水和基巖巖溶-裂隙水。為保證某大橋9#和10#橋墩基礎在汛期不間斷施工，結合施工工期和地質環境因素，圍堰形式的選擇較傾向于單層鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰及雙層高低鋼板樁圍堰。由于單層鋼板樁圍堰樁長設計較長，整體剛度小；鋼套箱圍堰結構剛度大，但要求精度成本太高、工作量大；雙層鋼板樁高低圍堰結構穩定，制作簡單且材料可重復利用率高[1-2]，加之施工難度、經濟成本、安全指標等方面的研究和對比，確定采用此結構形式進行基礎承臺及墩柱的施工。雙層高低鋼板樁圍堰的施工工藝主要包括：筑島施工、插打內側鋼板樁及內部支撐圍檁安裝、向圍堰內注水、澆筑封底混凝土、抽水后施工承臺、插打外側鋼板樁、向圍堰內注水、抽水安裝內部支撐圍檁、墩柱施工。

2 雙層高低鋼板樁圍堰設計

依據9#、10#墩基礎承臺的尺寸和環境因素，雙層高低鋼板樁圍堰及內部構件的設計方案如下：內層鋼板樁設計平面尺寸為12.8 m×26.4 m，頂面標高為+8.5 m，底面標高為-9.5 m；圍堰內設置三道支撐，支撐從上到下高程分別為7.931 m、4.931 m、1.931 m，第1道圍檁和內部斜向支撐均利用型鋼H500×200雙拼而成，第2、3道圍檁和內部斜向支撐均利用型鋼H500×200三拼而成，內部橫撐均采用?630 mm×10 mm鋼管；外層鋼板樁設計平面尺寸為17.6 m×31.2 m，頂面標高為+15 m，底面標高為-3.0 m，圍堰內設置三道內支撐，支撐從上到下高程分別為14 m、11.5 m、9.0 m，第1、2道圍檁和內部斜向支撐均利用型鋼H500×200雙拼而成，第3道圍檁和內部斜向支撐均利用型鋼H500×200三拼而成，內部橫撐均采用?630 mm×10 mm鋼管。筑島頂面標高為+8.5 m，承臺底標高為-1.769 m，承臺埋深10.269 m，封底混凝土厚度1.5 m。鋼板樁、支撐所用鋼材型號均為Q345。雙層高低鋼板樁圍堰設計平面及立面如圖3～圖5所示。

圖3 內層鋼板樁平面(單位：mm)

圖4 外層鋼板樁平面(單位：mm)

圖5 內外層鋼板樁圍堰立面(單位：mm)

3 雙層高低鋼板樁圍堰施工技術

3.1 筑島、內側鋼板樁施工及內支撐安裝

清理平整場地，筑島以兩承臺中心線為基準，平面尺寸為30.48 m×16.88 m，筑島填筑土料為素填土，筑島標高+8.5 m，高出水位1 m。在筑島上埋設鋼護筒、施工10根鉆孔灌注樁基礎。施工完畢后，在枯水期插打18 m內側鋼板樁至指定標高后合龍。圍堰內部開挖基坑，開挖至第1道支撐圍檁高程下方0.5 m處后，安設第1道支撐圍檁；繼續開挖至第2道支撐圍檁高程下0.5 m處時，安設第2道支撐圍檁；開挖至第3道支撐圍檁高程下0.5 m處時，安設第3道支撐圍檁。

3.2 封底混凝土、承臺施工

基坑繼續開挖至承臺底部標高后往圍堰內注水至圍堰外水位，水下吸泥使內部土層至封底混凝土底部標高，水下澆筑封底混凝土，將圍堰內水抽走，施工承臺，在承臺與內部圍堰空隙間回填砂土至承臺頂面。

3.3 外側鋼板樁施工及內支撐安裝

汛期水位上漲前，插打18 m外側鋼板樁至指定標高后合龍。隨著汛期水位的逐漸升高，不斷向圍堰內注水使圍堰內水位始終保持與圍堰外側水位持平，達到最高水位處+14.5 m。從圍堰內最大水位開始抽水，抽水至第1道支撐圍檁高程下方0.5 m處后，安設第1道支撐圍檁；繼續抽水至第2道支撐圍檁高程下方0.5 m處時，安設第2道支撐圍檁；抽水至第3道支撐圍檁高程下方0.5 m處時，安設第3道支撐圍檁，再將剩余水抽走進行后續墩柱施工。

4 雙層高低鋼板樁圍堰結構分析

4.1 確定計算工況

根據雙層高低鋼板樁圍堰的結構尺寸、施工工藝及環境，確定了以下八種不利工況進行結構受力分析：

工況一，待安設完成內層鋼板樁第1道支撐后，繼續抽水開挖至第2道支撐高程下方0.5 m處。圍堰外施工水位標高+7.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位及土層標高+4.431 m。

工況二，安設內層鋼板樁第2道支撐，抽水開挖至第3道支撐高程下方0.5 m處。圍堰外施工水位標高+7.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位及土層標高+1.431 m。

工況三，安設內層鋼板樁第3道支撐，抽水開挖至承臺底部高程。圍堰外施工水位標高+7.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位及土層標高-1.769 m。

工況四，圍堰內注水至與圍堰外水位齊平，水下吸泥至封底混凝土底部高程。圍堰外施工水位標高+7.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位標高+8.5 m，土層標高-3.269 m。

工況五，水下澆筑1.5 m厚封底混凝土后，抽走圍堰內的水，承臺施工。圍堰外施工水位標高+7.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位及土層標高-1.769 m。

工況六，汛期插打外層鋼板樁并注水，從圍堰內抽水安設第1道支撐后，再抽水至第2道支撐高程下方0.5 m處。圍堰外施工水位標高+14.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位標高+11 m，土層標高+1.231 m。

工況七，安設外層鋼板樁第2道支撐，抽水至第3道支撐高程下方0.5 m處。圍堰外施工水位標高+14.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位標高+8.5 m，土層標高+1.231 m。

工況八，安設外層鋼板樁第3道支撐，然后抽水至承臺頂。圍堰外施工水位標高+14.5 m，土體標高+8.5 m；圍堰內水位及土層標高+1.231 m。

4.2 計算方法及荷載

結構設計計算方法采用容許應力法，鋼板樁容許抗彎應力[σ]為210MPa，圍檁和鋼管及其他鋼構件的容許抗拉、抗壓和抗彎應力[σ]為170 MPa。施工過程荷載包括水壓力、土壓力和結構自重等標準荷載，土壓力采用水土合算原則；利用等值梁法[3]，計算工況一至工況四內層鋼板樁、工況六至工況八外層鋼板樁入土深度[4]，驗證鋼板樁受力情況；計算均取1 m寬度范圍進行計算，再利用計算得到的最大支撐反力驗算對應的圍檁及支撐的受力情況。基礎土體參數如表1所示。

表1 土體參數

4.3 結構計算

4.3.1 鋼板樁入土深度分析

八種計算工況分別建立鋼板樁有限元模型并施加相應荷載[5，6]。采用梁單元模擬單位寬度的鋼板樁，并在各道支撐及反彎點所在位置處采用彈性支承模擬約束條件，從而計算得出單位寬度鋼板樁的支撐反力、彎矩和變形。由于篇幅有限，內層鋼板樁僅列出工況三的模型結果(如圖6所示)，外層鋼板樁僅列出工況七的模型結果(如圖7所示)。

圖6 工況三下內側鋼板樁模型結果

圖7 工況七下外側鋼板樁模型結果

經驗算，各工況下鋼板樁最大彎曲應力均小于容許應力，內外側鋼板樁計算長度、打入深度均小于實際，鋼板樁最大變形均小于支撐豎向間距的1/400，滿足要求。

4.3.2 圍檁和內支撐受力分析

由于工況三第3道支撐圍檁作用于內側鋼板樁的支撐反力最大(806.4 kN)，將最大支撐反力轉化為均布荷載，建立并施加到對應的支撐圍檁有限元模型上。工況三下第3道支撐圍檁模型與結果如圖8所示。

圖8 工況三第3道支撐圍檁模型與結果

(1)內側鋼板樁第3道支撐圍檁的最大組合應力為161.77 MPa≤170 MPa，第3道支撐圍檁最大變形為1.09 mm<4 800 mm/400=12 mm，滿足要求。

(2)短斜撐所受最大應力σ為27.79 MPa，其斷面參數為：面積A=211.6 cm2，回轉半徑i=20.38 cm，長細比λ=26，查表得穩定系數φ=0.950，σ=27.79 MPa≤φ[σ]=0.950×170 MPa =161.5 MPa，滿足受壓穩定性要求。

(3)長斜撐所受最大應力為19.84 MPa，其斷面參數為截面參數為：A=211.6 cm2，i=20.38 cm，λ=59.9，查表得φ=0.807 6，σ=19.84 MPa≤φ[σ]=137.29 MPa，滿足受壓穩定性要求。

(4)橫撐桿件所受最大應力為68.19 MPa，其斷面參數為：A=194.779 cm2，i=21.923 cm，λ=53.8，查表得φ=0.905，σ=68.19 MPa≤φ[σ]=153.85 MPa，滿足受壓穩定性要求。

經驗算，各工況圍檁和內支撐受力及變形滿足要求。

4.3.3 圍堰抗浮穩定性驗算

雙層高低鋼板樁圍堰在施工時受到一定的浮力作用，需根據規范進行抗浮穩定性檢算。其中封底混凝土自重為G1=11 441.7 kN，封底混凝土與護筒之間粘結力G2=18 840 kN，鋼板樁與封底混凝土之間的粘結力G3=29 400 kN；圍堰封底混凝土受到的浮力為F=37 877.73 kN，計算得出抗浮安全系數為k=0.9(G1+G2+G3)/F=1.4，故雙層鋼板樁圍堰滿足抗浮穩定性要求。

5 結束語

秋浦河大橋9#、10#橋墩基礎施工中面臨汛期水位上漲的難題，根據水文地質資料、工期進度等因素對合適的圍堰形式進行比選，確定采用雙層高低鋼板樁圍堰進行承臺、墩柱的施工。依據施工工序和施工工作環境對雙層高低鋼板樁圍堰進行結構受力分析，保證了雙層高低鋼板樁圍堰在施工過程中的強度、剛度及穩定性，并在后期施工中證實有較好的效果。施工經驗可為深水汛期施工條件下橋梁基礎大型雙層高低鋼板樁圍堰的應用提供參考與借鑒。