新建橋梁鋼板樁圍堰施工方案設計

摘要 該文主要探討了在新橋梁建設過程中，鋼板樁圍堰的結構驗算、施工工序及其工程效益。研究的核心目標是驗證鋼板樁圍堰技術在提升橋梁施工的安全性、效率和成本效益方面的有效性。通過試驗分析和案例評估，文章深入分析了在不同環境條件下，鋼板樁圍堰的設計要素、施工流程以及對環境的潛在影響。研究表明：經過精心設計的鋼板樁圍堰能夠有效管理施工期間的水域環境，確保施工場地的安全，同時減輕對環境的負面影響。文章強調了鋼板樁圍堰技術在橋梁施工領域的重要性，并提出了針對施工方案優化的建議，以供相似項目參考。

關鍵詞 新建橋梁；鋼板樁圍堰；基坑開挖；方案設計

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0132-03

0 引言

在當代基礎設施發展浪潮下，橋梁在交通網絡中扮演著極其重要的角色，其建造品質與效能對整個交通體系的表現和信賴度有著直接的影響。技術革新為橋梁建設帶來了新的工程方法和技術解決方案，特別是面對復雜的地理及水文情況時。鋼板樁圍堰技術是一種高效的臨建圍堰方案，已被廣泛應用于眾多橋梁項目中。該研究致力于深入探討新建橋梁鋼板樁圍堰施工方案設計的實踐價值，聚焦其在保障施工場地安全、提升作業效率和最大程度減小對環境的負面影響等方面的貢獻。

1 工程簡介

1.1 工程概況

新建橋梁設計分左右兩幅，主橋采用四跨連續剛構橋，引橋采用四跨連續現澆梁。新建橋梁對應輔橋、主橋各4個橋墩位于水中，根據墩位出水深及承臺尺寸，采取鋼板樁圍堰形式，共計圍堰2座。

2 鋼板樁圍堰結構設計

2.1 鋼板樁圍堰總體設計

第一個墩圍堰總體設計采用鋼板樁支護結構，平面尺寸為9 m×10 m（鋼板樁內邊線），設計樁長12 m，入土深度6 m。圍堰頂標高4 m，設計水位3.5 m，設計C30混凝土封底厚度150 cm，圍堰深度6 m。設一道支撐，中心支撐點的標高為2.5 m。圍檁采用雙拼HM588×300×10×12 mm型鋼制作，支撐由4根鋼管φ500×13 mm主支撐組成。

第二個墩圍堰與第一個墩圍堰材料相同，平面尺寸為9 m×10 m（鋼板樁內邊線），設計樁長12 m，入土深度5.8 m，設一道支撐，中心支撐點的標高為2.5 m。

2.2 封底混凝土厚度驗算

（1）封底混凝土總體受力計算

設圍堰內外水位差Δh為8 m，封底混凝土厚H，經計算圍堰內面積為A=64 m2，共設直徑1.6 m樁基護筒4根。該方案根據以往的經驗資料和理論研究，混凝土與鋼護筒之間的握裹力強度取0.2 MPa。

混凝土自重：Q=γ×h*A，其中Q ——混凝土自重，單位kN；γ——混凝土容重，取24 kN/m3；h——混凝土高度，單位m；A——封底圍堰底面積，單位m2；故混凝土自重：Q=1 536 h。

握裹力：T=0.2 Anh，其中T——握裹力，單位kN；A——鋼護筒周長，單位m；n——鋼護筒個數；故T=4 019.2 h；封底混凝土浮力：P=64×10×（8+h）。

根據《建筑地基基礎設計規范》規定，按Q+T=1.05 P計算，其抗浮穩定性系數為1.05。h=1.30 m。

（2）封底混凝土板強度驗算

封底混凝土板強度等級為C30，取1 m寬混凝土板進行計算（簡支梁計算，水的浮力分項系數為1.0）：

截面模量：W=1/6×h2，其中h為混凝土高度，單位m；彎矩：M=1/8×q×l2 ，其中q為圍堰底水的浮力，單位為N。

抗拉強度：[σ]=M/W，根據混凝土材料特性，C30混凝土[σ]為=1.39 MPa，將上述公式代入，得h=1.32 m。

綜合考慮澆筑混凝土的不利因素，按上述計算的有效混凝土厚度不低于1.32 m，取封底混凝土厚度1.5 m。

2.3 鋼板受力計算

鋼板樁受力采用支點法計算，土反力ps=Ksv+ps0作用于鋼板樁內側。

鋼板樁內錨固段上土水平反力系數：

ks=m（z-h） （1）

初始土反力強度：

ps0=σpkKp （2）

式中：v——擋土構件在分布土反力計算點的水平位移值（m）；m——土的水平反力系數的比例系數（MN/m4）：m=" "（0.2φ2-φ+c），z——計算點距地面的深度（m）;h——計算工況下的基坑開挖深度（m）。

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120—2012），對鋼支撐剛度系數和封底混凝土剛度系數進行計算。

對于鋼支撐剛度系數：

式中：kR——支撐結構水平剛度系數;α ——與支撐松弛有關的系數，取 0.8～1.0;E——支撐構件材料的彈性模量;A——支撐構件斷面面積;l——支撐構件的受壓計算長度;s——支撐的水平間距;

對于封底混凝土：kR=1 067 MN/m

建立MIDAS模型：基坑開挖施工分為3種工況進行分析，如下所示：

工況1：抽水至第一道支撐中心標高1 m以下（標高-2 m，鋼板樁頂為±0），安裝第一道支撐與圍檁。

工況2：回水至內外水位齊平，圍堰吸泥至-3.7 m，水下澆筑1.5 m厚封底混凝土。

工況3：圍堰內抽水至坑底（標高-4.2 m，鋼板樁頂為±0）。

根據模型的計算結果得出，鋼板樁最大彎矩M=71 MPa，3種工況下的土反力數據均符合規定要求。

2.4 鋼板樁嵌固深度計算

支擋結構的嵌固深度應滿足下式嵌固穩定性的要求：

（3）

式中：Ke——嵌固穩定安全系數，安全級別為1、2、3級的懸臂式支撐結構，Ke分別不應小于1.25、1.2、1.15；Eak、Epk——基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力標準值（kN）；aa1、ap1——基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力合力作用點至擋土構件底端的距離（m）。

經計算" " " " " " " " " ，滿足嵌固深度要求。

2.5 基坑穩定性驗算

基坑穩定性驗算采用瑞典條分法，條分法中土條寬度取1 m，應力狀態選擇總應力法進行計算。

整體穩定安全系數Ks=2.692；圓弧半徑R=9.903 m；圓心坐標X=-1.346 m；圓心坐標Y=3.947 m；抗傾覆安全系數：Ks=Mp/Ma

其中，Mp——被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，內支撐支點力由內支撐抗壓力決定；對錨桿或錨索來說，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma——主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

經計算三種工況下的抗傾覆安全系數，得出最小的安全系數工況為工況3。

即：最小安全Ks=1.224≥1.200，符合規范要求。

2.6 圍檁強度、剛度和穩定性驗算

（1）內支撐反力

通過計算可知，工況3出現的第一道內支撐最大支撐反力為85 kN/m，安全系數取2，按照85×2= 170 kN/m的支反力計算圍檁系統。

（2）強度及剛度驗算

圍檁的彎矩圖、剪力圖、應力圖、變形圖均采用MIDAS模型進行分析。

（3）穩定性驗算

對于鋼管柱，進行穩定性分析，經計算鋼管支撐軸最大軸力625 kN，屈曲穩定系數2.77。

φ609×16 mm鋼管面積：298.07 cm2，慣性矩Ix=131 117.33 cm4，抵抗矩Wx=4 305.99 cm3，回轉半徑ix=20.97 cm，慣性矩Iy=131 117.33 cm4，抵抗矩Wy=4 305.99 cm3，回轉半徑iy=20.97 cm。

長細比：λx=18.60；軸心受壓整體穩定系數：φx=0.984。

按鋼結構規范公式：NφxA=26.603 9 N/mm2。

計算得出安全系數k=26/205=8.8。

2.7 基坑底土抗隆起驗算

該工程基坑開挖時在水下作業，基坑開挖至底部時，基坑內部水深5.2 m，故在計算基坑抗隆起穩定性時，應考慮基坑內部壓力的作用。將上述公式修改如下：

（4）

式中：Kb——抗隆起安全系數;K分別不應小于 1.8;γm1、γm2分別為基坑外、基坑內擋土構件底面以上土的天然重度（kN/m）;ld ——擋土構件的嵌固深度（m）;h——基坑深度（m）;Nc、Nq——承載力系數。

c、φ均取圍堰底面以下土層的地質參數，根據地質報告，圍堰底面處c=5kpa、φ=23°，式中：

γw、γw分別為驗算最不利狀態下圍堰內側水容重和水深，計算得：

基坑底土抗隆起驗算，符合要求。

3 鋼板樁圍堰結構施工

（1）施工準備

技術準備：在鋼板樁圍堰施工之前，需要進行一系列的技術準備步驟，包括對施工圖紙的熟知、深入理解設計元素以及現場勘查等[1]。施工團隊需要深入分析和理解施工圖紙，包括圖紙上的標記、說明和參數，以及圖紙設計的構造。其后工作人員需要對設計元素和設計目標有深層理解。設計元素包括整個鋼板樁圍堰結構的布置、尺度、材料選型、施工方法等信息，而設計目標則是設計過程中的核心出發點和目標。還應注重現場勘查和核對施工圖紙，讓施工團隊準確把握施工現場的具體狀況，如地貌、土質、周邊環境等。施工開始前，還需進行技術交底，以確保每個工作人員都能對施工流程和標準有明確的理解，從而提高施工效率，確保施工質量。

物資設備準備：鋼板樁、工字鋼、鋼管及鋼板等施工材料進場，鋼板樁插打和拔除采用80 t履帶吊以及配合施工的DZ120型振動錘。

（2）導向安裝

設[16槽鋼為導向器，以鋼護筒為導向式安裝平臺，定位鋼護筒坐標，根據鋼護筒的邊線計算出鋼板樁的位置，再折算成槽鋼長度。在鋼護筒上焊接槽鋼，定位出鋼板樁的位置，在角點位置插打兩根定位鋼板樁，隨后依次打設[2]。

（3）鋼板樁插打

在施工鋼板樁圍堰結構時需進行插打鋼板樁。從承臺中心開始，遵循“重錘輕擊、低錘慢擊、邊打邊調”的原則，自中心向外逐漸展開。在此過程中，要注意“樁要正、散要糾、合要調”等基礎準則。其中，“樁要正”是指鋼板樁應垂直插入以保證其穩定性和均勻受力；“散要糾”意味著在打樁過程中如發現鋼板樁有偏差，應立即進行調整；“合要調”則強調在進行合龍操作時，需要根據現狀不斷對鋼板樁的位置和角度進行微調。在接近合龍之前，當剩下最后2～3片鋼板樁未插打時，應開始測量并計算鋼板樁底部的直線距離，根據鋼板樁的寬度，計算出所需的鋼板樁片數。通過鋼板樁插打方式確保最終的鋼板樁能準確地插入預定位置，進而保障整個圍堰結構的穩定性和安全性[3]。

（4）鋼圍檁及內支撐施工

在圍堰內挖土（或抽水）至每層內托下50～100 cm范圍內，安裝鋼釬及內托，將圍堰內側鋼管樁焊接牛腿，用800 mm×820 mm×10 mm角鋼焊接成三角托，與鋼管樁直接焊接成牛腿，其中焊縫為環焊，焊高為連續角焊縫 8 mm。單根鋼圍檁安裝完成后，再焊接成整體形成矩形框架，在圍檁對接倒角處應進行局部加強處理[4]。

（5）圍堰內挖土、吸泥

在圍堰時還需進行土方開挖和吸泥清理。土方主要由挖掘機進行開挖，隨后，將開挖出的砂土放置在圍堰外側，確保與圍堰的水平凈距離至少為3 m。對于挖掘機無法作業的區域，采用吸泥設備進行基坑清理，去除基坑內的泥沙，為施工工作鋪平道路做準備[5]。在基坑開挖過程中，要及時檢查圍護結構的穩定性。如果檢測到圍護結構有任何問題，必須立即進行調整，保證施工過程的安全。包括加強圍護結構，或者采取其他必要的措施以避免圍堰受到損壞。進行圍堰內土方開挖和吸泥清理的操作需要專業性和謹慎性，同時需遵循嚴格的安全規范[6]。

（6）圍堰封底

采用垂直提拉導管法進行封底混凝土灌注設備施工，灌注設備以導管、混凝土儲料斗等為主。導管接頭采用壁厚φ=12 mm、直徑φ=300 mm、規格段長3 m、上接導管2 m的剛性導管，接口為絲口式。測量長度的標碼等工作應在導管使用前進行水密壓和接頭抗拉試驗[7]。

（7）圍堰內抽水

當封底混凝土強度滿足要求后，開始利用水泵抽水直至圍堰內的水完全排干。對圍堰積水及少量滲水，需安排專人看護，可用水泵將水抽至基坑外，將水引至集水坑內[8]。抽水時，鋼板樁和內支架必須有專人觀察、堵漏。應注意邊抽邊堵漏，可用棉紗、棉絮、板條或麻絨嵌塞。圍堰抽水后，對鋼板樁、鋼支撐嚴禁切割和電焊[9]。

4 結語

綜上所述，該研究突顯了鋼板樁圍堰技術在橋梁建造過程中的關鍵角色，尤其在鋼板樁圍堰結構設計方面。對比現有研究，該文研究成果在一定程度上與之相符，并在此基礎上提出了新穎的觀點和對策，特別是在處理復雜地理和水文環境時。此外，該研究揭示了鋼板樁圍堰技術在理論和實際應用中的顯著地位，并為橋梁建設提供了重要的參考。除此之外，仍存在未解決的問題，如技術實施中的特殊挑戰和對環境的適應性。因此，該文建議后續研究應更深入地探索此領域，特別是在不同地質和水文條件下圍堰的設計和施工。

參考文獻

[1]GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4]JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[5]GB 50017—2017，鋼結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[6]GB 50661—2011，鋼結構焊接規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7]中國土木工程學會土力學及巖土工程分會.深基坑支護技術指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

收稿日期：2024-02-27

作者簡介：葉超（1990—），男，本科，工程師，研究方向：公路與橋梁工程施工。