深水區域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰設計與施工技術研究

唐永祥

（中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西太原 030000）

0 引言

拉森鋼板樁圍堰以其整體剛度較大、變形較小、施工簡便快捷、安全可靠、經濟環保等諸多優點，在眾多圍堰結構形式中應用廣泛。目前，拉森鋼板樁圍堰主要應用于軟弱地層施工，所以研究一套深水區域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰施工技術具有良好的社會經濟效益。

1 工程概況

永州城南大橋主線全長1183.56m，工程包括主橋、引橋、匝道橋工程；引橋5#、6#、7#墩，主橋9#、10#、11#位于湘江內，湘江平均水深8m，原設計5#～7#墩承臺尺寸為3.9m×4.2m×2.5m；通過設計變更優化，將引橋5#～7#墩承臺取消，樁基直徑2.5m 保持不變，樁長增加至原承臺頂，增加樁頂橫向地系梁；將5#～7#墩柱由方柱變為直徑2.3m 的圓柱，采用樁柱式橋墩形式。

2 拉森鋼板樁圍堰結構設計

2.1 圍堰結構形式

鋼板樁圍堰采用矩形，圍堰輪廓尺寸為16m×6.4m，圍堰頂標高設計為+99.00m，板樁底面的標高為+87.50m，鋼板樁采用拉森Ⅳ型；內支撐設3 層，第一層的標高為98.055m，第二層的標高為95.555m，第三層的標高為93.555m；第一層內支撐的圍檁為2HN450mm×200mm，內部支撐分短邊的水平撐和四角八字撐，支撐采用529mm×10mm 螺旋管，第二、三層內支撐的圍檁為3HN450×200，內部支撐分短邊的水平撐和四角八字撐，支撐均采用529mm×10mm 螺旋管，水平撐和八字撐支撐在圍檁的位置；每層圍檁與鋼板樁接觸位置設上下正反牛腿[1]。

2.2 圍堰結構檢算

2.2.1 計算資料

（1）地質資料：墩位處地面以下為土質泥巖。土的參數（容重γ、凝聚力c、內摩擦角φ）按地勘報告提供的參數取值，土壓力計算采用水土合算原則。

（2）材料選擇：鋼板樁采用拉森SP-U400mm×170mm×15.5mm，每延米鋼板樁抵抗矩W=2270cm3，材質采用Q345，容許彎曲應力210MPa。第一層圈梁采用2HN450mm×200mm，第二、三層圈梁采用3HN450mm×200mm。內支撐采用529mm×10mm 螺旋鋼管，其材質均為Q235B，容許彎曲應力170MPa。

（3）荷載：主動土壓力、被動土壓力、土壓力采用朗肯土壓力理論計算；該工程無地面超載。

（4）流水壓力：流水壓力按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）第4.3.8 條計算，流水壓力荷載標準值計算公式為：

式（1）中：Fw為流水壓力標準值，kN；γ為水的重力密度，10kN/m3；V為設計 流 速，取 值V=2.4m/s；A為鋼板樁阻水面積，計算至一般沖刷線處，m2；g 為重力加速度，取g=9.81m/s；K為橋墩形狀系數，取1.3。計算得出每米荷載為7.66kN/m，按倒三角形加載。

2.2.2 計算荷載及工況

計算時，考慮荷載包括靜水壓力和土壓力，為保證鋼板樁圍堰在施工過程中都滿足設計要求和安全要求，結合以往經驗分析，按照以下3 種不利工況進行分析計算：

（1）工況一：鋼板樁圍堰合龍后，安裝完成第一層內支撐結構體系，抽水至圍堰第二層內支撐以下0.5m 處。

（2）工況二：安裝好圍堰第二層內支撐體系，抽水至圍堰第三層內支撐以下0.5m 處。

（3）工況三：安裝好圍堰第三層內支撐體系，抽水至圍堰封底混凝土頂面處。

2.2.3 鋼板樁入土深度計算

采用等值梁法進行鋼板樁入土深度計算，均取1m寬度范圍進行計算，采用水土合算原則、MIDAS CIVIL 軟件建模，分析各工況鋼板樁入土深度。

（1）工況一時，反彎點在河床以下y=0.22m，反彎點反力為140.2kN，則x=2.17m；入土深度t=2.63m。故鋼板樁長度為10.84m。

（2）工況二時，反彎點在河床以下y=0.33m，反彎點反力為115.1kN，則x=1.97m；入土深度t=2.53 m。故鋼板樁長度為10.74m。

（3）工況三時，反彎點在河床以下y=0.44m，反彎點反力為85.6kN，則x=1.70m；入土深度t=2.35m。故鋼板樁長度為10.56m。

考慮安全、施工以及材料變異等因素，鋼板樁頂標高設計為+99.00m，底標高設計為+87.50m（鋼板樁長度11.5m）。

2.2.4 鋼板樁受力檢算

采用MIDAS CIVIL 軟件，對鋼板樁進行建模分析，各工況建模計算結果如下：

（1）工況一建模計算結果：鋼板樁最大彎矩為304.96kN·m，第一層內支撐反力為124.30kN；鋼板樁應力：σ=304960000/2270000=134.34MPa＜210MPa，滿足要求。

（2）工況二建模計算結果：鋼板樁最大彎矩為158.75kN·m，第一層內支撐反力為9.30kN，第二層內支撐反力為246.30kN。鋼板樁應力：σ=158750000/2270000=69.93MPa＜210MPa，滿足要求。

（3）工況三建模計算結果：鋼板樁最大彎矩為83.25kN·m，第一層內支撐反力39.60kN，第二層內支撐反力為 53.90kN，第三層內支撐反力為219.50kN。鋼 板 樁 應 力：σ=83250000/2270000=36.67MPa＜210MPa，滿足要求。

2.2.5 圈梁和內支撐受力檢算

第一層圈梁處最大壓力為124.30kN/m，第二層圈梁處最大壓力為246.40kN/m，第三層圈梁處最大壓力為219.50kN/m。

第一層圈梁和內支撐建模計算結果：圈梁最大組合應力為94.60MPa＜170MPa；529mm×10mm 的橫撐桿件計算長度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第一層的橫撐桿件最大應力為42.8MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撐桿件計算長度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第一層八字撐最大應力為53.80MPa＜0.985×170=167.50MPa，滿足要求。

第二層圈梁和內支撐建模計算結果：圈梁最大組合應力為124.50MPa＜170MPa；529mm×10mm 的橫撐桿件計算長度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第二層的橫撐桿件最大應力為81.80MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撐桿件計算長度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第二層八字撐最大應力為90.90MPa＜0.985×170=167.50MPa，滿足要求。

第三層圈梁和內支撐建模計算結果：圈梁最大組合應力為110.80MPa＜170MPa；529mm×10mm 的橫撐桿件計算長度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第三層橫撐桿件最大應力為62.50MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撐桿件計算長度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第三層八字撐最大應力為81.0MPa＜0.985×170=167.5MPa，滿足要求。

2.2.6 抗浮檢算和封底混凝土強度檢算

（1）封底混凝土抗浮檢算

以引橋第二聯7#墩為例進行檢算，7#墩鋼板樁圍堰采用2.22m 厚的封底混凝土，圍堰封底混凝土底面受到的浮力為：F=LBHγw=16×6.4×10.43×10=10680.32kN。水下封底混凝土與樁之間的容許黏聚力一般為10～20t/m3，這里取12t/m3。封底混凝土的自 重：G=24×2.22×（16×6.4-3.14×1.252×2）=4933.10kN。護筒黏結力：T1=2.22×3.14×2.5×120×2=4182.5kN。鋼板樁與封底混凝土的黏結力：T2=2.22×(16+6.4)×2×120=11934.7kN。抗浮系數K=（G+T1+T2）/F=(4933.1+4182.5+11934.7)/10680.32=2.0＞1.05；采用封底混凝土厚度為2.22m，滿足要求。

（2）封底混凝土強度檢算

采用C25 水下封底混凝土，厚度2.22m。混凝土在圍堰結構形成支點反力的情況下，受圍堰在抽水過程中產生的上浮力作用。圍堰封底施工完成后，待封底混凝土達到設計強度的要求，方可抽水進行下一步作業。當水位超過97.5m 時，嚴禁進行抽水施工。此時最大水位水頭差按8.9m 計算。按單寬簡支梁計算，跨度為兩相鄰樁間的最大距離：l=5.5m。C25 容許拉應力為0.5MPa，應考慮水下混凝土折減系數0.7；q=8.9×10-24×2.22=35.7kN/m。

Mmax=ql2/8=35.7×5.52/8=135.1kN·m，W=1000×22202/6=8.214×108mm3。

σ=M/W=(135.1×106)/(8.214×108)=0.164MPa＜0.7[σt]=0.35MPa，滿足要求。

3 拉森鋼板樁圍堰施工工藝流程

圍堰測量定位—焊接鋼板樁導向架—利用振動錘逐根振打鋼板樁至圍堰合龍—利用長臂挖機清理堰內河床面卵石層，滿足最小封底厚度—水下封底混凝土灌注施工—圍堰分層抽水、設置內支撐—破除樁頭—樁基系梁施工—水中墩柱施工—堰內分層回灌水并拆除內支撐—拔出鋼板樁。

4 拉森鋼板樁圍堰關鍵施工技術

4.1 圍堰測量定位

在鋼棧橋橋頭岸邊陸地上，設置圍堰測量的控制點，用全站儀測放圍堰軸線。

4.2 焊接導向架

根據圍堰四邊中線的控制點，確定導向架的具體位置。利用樁基施工鋼護筒作為受力點，在鋼護筒上面焊接導向架，圍堰導向架采用40a 工字鋼焊接。

4.3 鋼板樁插打施工

鋼板樁插打施工自圍堰結構上游部位開始，在圍堰下游合龍。采用履帶吊配備90 型振動錘進行鋼板樁插打施工；履帶吊將鋼板樁吊至設計插點處進行插樁，對準鎖口，開動液壓機，夾緊鋼板樁，開始插打施工，在過程中用全站儀控制圍堰線形。

4.4 鋼板樁糾偏

拉森鋼板樁在插打施工過程中，應及時進行糾偏處理，每插打10 根左右鋼板樁做一次全面檢查。

4.5 鋼板樁圍堰合龍

拉森鋼板樁由圍堰上游側分兩頭開始插打，到圍堰結構下游側角部，利用專門加工的角樁進行圍堰合龍；在插打至最后5 根鋼板樁時，測量合龍口的寬度，精確計算異形鋼樁的尺寸，保證圍堰精確合龍；圍堰合龍后，及時進行圍檁及內支撐體系施工，以保證圍堰結構的整體穩定性[2]。

4.6 圍堰內卵石清理施工

在鋼板樁插打至圍堰合龍后，為滿足鋼板樁圍堰設計最小封底厚度的要求，需要挖出、清理圍堰內卵石層。采用長臂挖機進行水下開挖施工，7#墩卵石層開挖厚度為0.8m，6#墩卵石層開挖厚度為0.8m，5#墩卵石層開挖厚度為1.2m。長臂挖機停放在圍堰兩側的馬道上面，進行水下開挖施工。平臺面到開挖面的垂直高度為11m，長臂挖機滿足開挖施工的要求，長臂挖機在開挖過程中，技術員利用測繩進行每個開挖點的深度量測，確保滿足圍堰水下封底混凝土的厚度。

4.7 水下封底混凝土施工

采用導管法灌注水下封底混凝土施工，灌注順序按照從上游向下游逐段灌注。混凝土坍落度控制在200～220mm。在封底混凝土中，適量摻入粉煤灰和高效緩凝劑，提高混凝土的流動性，延長初凝時間。在封底施工過程中，準確測量封底混凝土的頂面標高，確保封底混凝土的厚度符合設計要求。

4.8 鋼板樁圍堰堵漏

拉森鋼板樁因嵌鎖咬合上總有不嚴密之處。抽水時，派潛水員進行堵漏止水施工作業。潛水員一般采用棉布條等填充物填塞接縫。在抽水過程中，如果發生鎖口漏水較大，影響圍堰內施工作業時，停止抽水、讓水回灌，重新止水。

4.9 圍堰內支撐安裝

在圍檁上，測出內支撐的位置并標記。為確保支撐鋼管軸心受壓，支撐鋼管端頭企口切割時，要保證鋼管軸線和圍檁型鋼結構中線重合。用起吊設備將支撐鋼管吊放到對應位置安裝，并焊接牢固。

5 拉森鋼板樁圍堰施工控制要點

其一，焊條、焊絲等焊接材料的規格型號必須與焊接工藝評定試驗所確定的相一致。

其二，鋼材的幾何尺寸偏差必須符合國家標準規定。

其三，嚴格按照質檢制度和質檢程序控制拉森鋼板樁圍堰工程的質量。

其四，插打必須從上游側開始至下游側進行合龍。

其五，振動錘試振動30s，停止振動，進行鋼板樁垂直度檢查，檢查合格，繼續沉樁施工。

其六，插打到孔底，利用振動錘強制插打，使樁底部嵌入巖層10～20cm，防止鋼板樁底部透水。

6 結語

深水區域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰施工技術的成功應用，加快了深水基礎施工的進度，通過采取清理圍堰內卵石并水下封底等措施，解決淺埋覆蓋層軟巖地質拉森鋼板樁難以插打至設計嵌固深度及鋼板樁圍堰底部透水的問題。將深水區域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰設計及施工關鍵技術研究總結，希望能給同類型工程施工提供一些參考，該施工技術應用前景廣闊。