蔡忠澤

(中鐵六局集團石家莊鐵路建設有限公司，石家莊 050010)

1 概述

順德水道特大橋地處廣東佛山地區(qū)，位于順德桃村和三洲間的西海河道上，在廣珠西線公路老橋和太澳高速新橋之間，橋梁區(qū)范圍內的水面狹窄，施工條件較差。順德水道特大橋在水中共有12個橋墩(59號墩～70號墩)，水深在7～21 m。

由于鋼板樁整體剛度大，打拔樁容易，施工速度快，且回收率高，節(jié)省成本，防水性能好，打入時穿透能力強。同時還特別適用于場地狹小、無條件做止水帷幕的工程施工[1]。鑒于順德水道特大橋處水面狹窄，且圍堰有效深度內地層結構為第四系全新統(tǒng)海陸交互相沖積層，土質淤泥質亞黏土和粉砂土，適合鋼板樁的插打。經過綜合分析，對于順德水道特大橋水中的11個承臺和墩身施工均采用鋼板樁圍堰進行支護，但是根據(jù)橋梁基礎施工的實踐來看，鋼板樁圍堰一般適用于水深20 m以下的河道，而該特大橋橋墩處的最大水深達到了20.5 m，在鋼板樁圍堰的設計和施工方面存在著一定的難度。

2 鋼板樁圍堰的設計

2.1 設計方案

通過對主航道的深水處各個橋墩所在河道水深、地質條件的分析，綜合考慮了各種類型的鋼結構圍堰并進行了全面比較，最后決定采用拉森型鋼板樁圍堰[2，3]。由于水深較大，在對鋼板樁圍堰受力、變形、穩(wěn)定和反涌上浮等進行初步的分析和計算后，針對鋼板樁受力的一些薄弱環(huán)節(jié)，最終決定采用改造強化內支撐體系長鋼板樁圍堰，即對鋼板樁圍堰采用了框構式內圍囹、網式支撐與30 m長鋼板樁相結合的結構形式，從而可以滿足深水20.5 m，長樁(最長樁長度為30 m)，軟基(最深層為19 m)狀況下鋼板樁圍堰的受力、變形、穩(wěn)定性和基底反涌上浮的穩(wěn)定等方面的要求。

根據(jù)水中橋墩的布置情況，30 m深的圍堰共有9個，其中63號墩所在河道水深最大，為20.5 m，且承臺最大，篇幅所限，這里僅介紹63號橋墩圍堰的設計。圍堰采用了寬度為40 cm的拉森Ⅳ型鋼板樁，鋼板樁總長度為30 m。設計時按照施工期間圍堰最高水位+3.5 m計，圍堰頂?shù)母叱倘?4.0 m。由于63號承臺的尺寸為19.2 m×16.2 m的矩形，考慮支立模板的作業(yè)空間，圍堰的平面尺寸采用了23.2 m×20.2 m的矩形結構，封底混凝土厚度為5 m，如圖1所示。在圍堰內自上而下共設置了4道圍囹以及內支撐，并且在第2、3、4圍囹之間設置了12道豎向支撐和相應的剪刀撐，從而使2、3、4層圍囹連成整體。4層圍囹的高程和截面參數(shù)如表1所示。

圖1 63號墩圍堰布置(單位:m)

表1 63號墩圍堰各圍囹的高程

2.2 鋼板樁封底厚度計算[4]

2.2.1 根據(jù)浮力計算封底厚度

作用在封底層的浮力是由封底混凝土和圍堰的自重以及圍堰在土中的摩擦阻力平衡的，當板樁打入基坑底以下的深度不大時，從安全角度考慮，浮力主要靠封底混凝土自重平衡，即采用下式[5]

解得

式中x——封底混凝土的厚度，m;

γc——封底混凝土容重，取23 kN/m3;

γw——水容重，取 9.8 kN/m3;

h——清淤后的水深，取21.02 m;

μ——考慮未計算樁土之間摩阻力和圍堰自重的修正系數(shù)，根據(jù)土質及施工經驗取為0.3。

將以上參數(shù)代入公式(1)得到封底混凝土的厚度為4.8 m，由于灌注的封底混凝土肯定會具有頂層浮漿，抽水后將頂層浮漿需要鑿除，為了保證封底混凝土的質量，這里考慮了0.2 m的儲備厚度，因此封底混凝土厚度取為4.8+0.2=5.0 m。

2.2.2 根據(jù)封底混凝土應力計算封底厚度

根據(jù)建筑施工計算手冊[6]，封底混凝土的厚度宜按下式計算

式中ht——封底混凝土的厚度，m;

Mtm——在最大均布反力作用下的最大設計彎矩(kN·m)，按支承條件考慮的荷載系數(shù)可由結構設計手冊查取，查表得到其值為1 568.696 kN·m;

——混凝土彎曲抗拉極限強度，取1.3 MPa;

封底混凝土灌注時厚度宜比計算值超過0.2～0.5 m，以便在抽水后將頂層浮漿和軟弱層鑿除，以保證質量。所以封底混凝土厚度x取為4.28+0.2=4.48 m。

綜上所述，封底混凝土的厚度取為5.0 m滿足要求。

2.3 基坑穩(wěn)定性驗算

穩(wěn)定性計算考慮了2個方面，一是為了防止在坑底內抽水可能引起流沙的危險，二是坑底軟土的隆起計算。

對于流砂采用簡化計算方法進行驗算[7～9]。其原則是板樁有足夠的入土深度以增大滲流長度，減小向上動水力。由于基坑內抽水后引起的水頭差為h＇造成的滲流，其最短滲流途徑為h1+t。h1為樁長，t為封底混凝土底面到鋼板樁底部的距離，在流程t中水對土粒動水力應是垂直向上的，故可要求此動水力不超過土的浮重γb，則不產生流沙的安全條件為

γsi——荷載安全系數(shù)，取 1.1;

γm——材料安全系數(shù)，取2.31;

b——計算寬度，取 1 m。

故封底混凝土的厚度為

式中，K為安全系數(shù)，根據(jù)建筑施工計算手冊，取1.5～2.0，這里的K取1.5;i為水力梯度，即為水的容重，取10 kN/m3，γb為土的浮容重，取 9 kN/m3。

代入公式得:K·i·γW=1.5×0.514×10=7.71＜γb=9，樁長定為30 m滿足穩(wěn)定性要求，不會出現(xiàn)流沙的危險。

對于較深的軟土基坑在水壓力作用下，圍堰坑底的軟土可能受擠在坑底發(fā)生隆起現(xiàn)象，根據(jù)建筑施工計算手冊，這里采用滑動面簡單方法進行驗算。

式中:γW為水的容重，取10 kN/m3;H為封底混凝土底部水深，即 17.715+3.5=21.215 m;α=arctan(b/h)=arctan(11.6/3)≈1.32(rad)，h為最底層內支撐相對封底混凝土的頂高度，b為坑底長度(23.2 m)一半，即為11.6 m;Su為滑動面上不排水抗剪強度，取50 kPa。

2.4 鋼板樁及內支撐的計算

根據(jù)分析，鋼板樁圍堰的最不利工況為澆筑封底混凝土后并把圍堰內的水抽光，取此工況對結構進行驗算。圍堰結構所受的側壓力包括以下幾個方面[7，8]:一是在河床以上范圍內三角形荷載的靜水壓力，即Pa=ρgH1(H1為封底混凝土底面距離水面的高度);二是河床以下至封底混凝土底面以上范圍內所受靜水壓力以及主動土壓力之和。主動土壓力和被動土壓力均根據(jù)朗金土壓力理論來進行計算[10]，主動土壓力系數(shù)Ka=tan2(45°－φ/2)，由于圍堰開挖范圍內的土質為粉砂或淤泥質土，偏于安全，內摩擦角取為10°，則Ka=0.704，土的飽和容重 ρ2=9.0 kN/m3，因此主動土壓力計算公式為:Pa=ρ2KaH2(H2為封底混凝土底面距河床底的高度)。同樣，被動土壓力Pb=ρ2KbH2，Kb=tan2(45°+φ/2)。

計算采用有限元軟件midas civil 6.71。在建立圍堰模型的時候，鋼板樁采用板單元，根據(jù)等剛度的原則，將鋼板樁截面換算為等效的矩形板截面。其中鋼板樁采用板單元模擬，內支撐體系與圍囹均采用梁單元模擬，63號墩圍堰的midas計算模型如圖2所示，圍囹和支撐的構造如圖3所示。各層圍囹的內支撐采用了與圍囹同型號的單根工字鋼;第2、3、4層圍囹間設置的12道豎向支撐和相應的剪刀撐、豎向支撐則都采用了單根I40a的型鋼。

圖2 63號墩計算模型

圖3 63號墩圍囹和支撐構造

經過計算，在側向壓力的作用下，圍堰結構的最大位移為13.8 mm，如圖4所示，滿足要求。同時計算得到鋼板樁圍堰每延米的繞水平軸最大彎矩為298.9 kN·m/m。取1片鋼板樁來進行驗算:鋼板樁的寬度為0.4 m，查得鋼板樁邊緣斷面的模量為:W=814.8 cm3，則可以得到鋼板樁外緣的應力為142.9 MPa，小于Q235鋼的容許應力145 MPa。

支撐、圍囹的應力計算結果如圖5所示，最下面一道支撐圍囹的最大應力達到118.6 MPa，根據(jù)公路鋼結構設計規(guī)范，亦在Q235鋼的容許應力范圍內，能夠滿足要求。

圖4 結構變形計算結果

圖5 支撐、圍囹的應力

3 施工難點及處理方法

由于鋼板樁樁長高達30 m，水深也超過了20 m，因此在進行鋼板樁圍堰施工時，存在著以下難點:(1)超長鋼板樁細軟導致吊裝不便，施打易彎、易扭、易變形，且由于樁底周圍土層軟弱，樁底位置不易控制;(2)深水漂浮使得鋼板樁不易定位，且難以控制垂直度，并且圍堰周邊長，邊線易產生彎曲;(3)圍堰臨水面大，因此側壓力大使得板壁易變形，滲漏水較難控制;(4)封底難度大。一方面，混凝土體積大，澆筑難度大，持續(xù)時間長，厚度高達5 m，體積在1 250～2 323 m3，在布管、移管等施工方法上須采取相應措施;另一方面由于最大水深20.5 m，水壓大，須適當控制提管和混凝土澆筑速度;此外，基底軟弱，易產生底層混凝土擠淤。

針對以上問題，在鋼板樁施工時采取了以下措施確保施工順利、安全。(1)先下圍囹后打樁，圍囹自下而上分層下放、分層安裝，這需要潛水員水下作業(yè)，安裝圍囹的同時還要在圍囹上增加導向點，這樣即可控制鋼板樁的扭曲變形和打入的垂直度以及邊線的走向，同時施工需要嚴格控制，保證鋼板樁緊貼圍囹邊插打;(2)采用超長平板駁船運輸，長臂浮吊4吊點起吊鋼板樁，確保吊樁穩(wěn)、豎直、安全;(3)采用液壓壓樁并且采用吊壓配合，確保壓樁平穩(wěn)、下沉均勻;(4)根據(jù)本橋圍堰水下封底混凝土所具有的特點和難度，采取了如下施工方案:①將圍堰分為12個倉，分倉隔板可用廢舊模板進行加工成片后，運至水上施工平臺進行拼裝，待水下挖基完成后，由潛水員下放至設計高程，并用鋼管將其與鋼護筒雙向支撐，隔板與護筒間采用[10槽鋼進行焊接，作為隔板支撐，如圖6所示;②封底混凝土澆筑順序:先澆筑 A、E、I、D、H、L 6 個倉的混凝土至混凝土面上升1.0～1.2 m時停止灌注，然后將料斗拆下安裝至剩下的 B、C、F、G、J、K 6 個倉，待這6個倉內混凝土上升2.0～2.2 m時停止灌注，再將料斗拆下安裝至前6個隔倉，澆筑至3.0～3.2 m高，如此循環(huán)直至所有艙內混凝土澆筑至設計高程。

圖6 封底混凝土隔倉平面布置

此外，當封底混凝土完成以后對基坑抽水時，對于鎖口不密而產生漏水現(xiàn)象時，采用濕棉絮塞縫。對樁縫較寬的可采取麻絲根摻黃油塞縫止水，還可以采用粉煤灰、鋸木沫、膨脹水泥于圍堰外沿樁角順水流方向撒放的綜合處理辦法，以達到止水的目的。

4 結語

順德水道特大橋30 m長的鋼板樁圍堰，在國內鋼板樁圍堰用于軟基施工中較為罕見，目前順德水道特大橋已經順利完工，施工中63號墩圍堰的實測最大變形僅為12.5 mm。采用鋼板樁圍堰，降低了施工成本，且保證了施工工期，取得了很好的社會效益和經濟效益。

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