中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410117

目前，寧夏回族自治區(qū)境內(nèi)已有21座橫跨黃河的公路大橋，另有新華僑黃河特大橋和營盤灘黃河特大橋正在建設(shè)策劃中。寧夏屬于黃河上游，其主要水文特征為水位高、流量大且有凌汛。圍堰的選擇對承臺施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度及成本均有顯著的影響[1]，因此在該區(qū)域建設(shè)跨黃河特大橋，水中承臺圍堰方案選擇極為重要。

1 工程概況

烏海—瑪沁公路（寧夏境）青銅峽至中衛(wèi)段工程A7標(biāo)鎮(zhèn)羅黃河特大橋全長1289m，為全線控制性重難點工程。全橋共分為5聯(lián)22跨，橋跨布置分別為第一聯(lián)北岸引橋為(3×40)m、第二聯(lián)北岸跨堤橋為(40+40+75+ 40)m、第三聯(lián)主橋為(55+6×90+55)m、第四聯(lián)南岸跨堤橋為(40+40+75+40)m、第五聯(lián)南岸引橋為(3×40)m。引橋、跨堤橋及主橋上部構(gòu)造均為鋼-混組合連續(xù)梁，下部構(gòu)造為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)+承臺+花瓶墩。全橋共設(shè)23個墩臺，其中8#～13#墩位于黃河中，主墩承臺采用整體式結(jié)構(gòu)，承臺平面尺寸如圖1所示。

圖1 主橋8#～13#墩承臺平面尺寸圖（單位：cm）

2 承臺圍堰原設(shè)計方案

（1）原設(shè)計方案。根據(jù)兩階段施工設(shè)計圖要求，陸上及河槽內(nèi)1#～7#墩、14#～21#墩承臺采用鋼板樁圍堰施工，水中8#～13#墩承臺采用單壁無底鋼套箱圍堰施工，均為先樁后堰法。無底鋼套箱由15mm厚的鋼板壁板與I18工字鋼豎肋和[10槽鋼水平加強肋組成。套箱內(nèi)空設(shè)計尺寸為橫橋向25.7m×順橋向7.7m×高7.2m，平面尺寸如圖2所示。套箱分為兩節(jié)，首節(jié)高4m，深入河床底1.5m，末節(jié)高3.2m，伸出水位線上1.2m。套箱內(nèi)順橋向共設(shè)3層φ630mm×16mm螺旋鋼管水平支撐，每層布設(shè)5道水平支撐，水平間距4.5m。

圖2 單壁無底鋼套箱圍堰平面圖（單位：cm）

（2）原設(shè)計鋼圍堰力學(xué)特性。采用Midas Civil有限元軟件對單壁無底鋼套箱進(jìn)行三維仿真模擬，使用極限狀態(tài)法計算[2-4]。鋼圍堰豎肋、水平肋、壁板、圍檁及內(nèi)撐均為Q235鋼材，其抗拉、抗壓、抗彎強度設(shè)計值取215MPa，抗剪強度設(shè)計值取125MPa。仿真分析結(jié)合鋼圍堰整個施工過程，按首節(jié)鋼套箱下水就位、次節(jié)鋼套箱下水就位、水下封底混凝土澆筑及封底混凝土等強后將水抽干這四個工況計算。分析結(jié)果得出，封底混凝土等強后將水抽干時，鋼套箱圍堰受力最為不利。計算結(jié)果如圖3所示，由圖3可知在最不利工況下鋼圍堰壁板最大組合應(yīng)力為44.8MPa，鋼套箱豎橫肋及圍檁內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為77.3MPa，均遠(yuǎn)小于Q235鋼材的抗拉、抗壓、抗彎強度設(shè)計值215MPa；鋼套箱整體變形僅為16mm；由于鋼圍堰與樁基鋼護筒采用焊接形式連成整體，故鋼圍堰整體穩(wěn)定性及抗浮可不予計算。

圖3 最不利工況下鋼套箱圍堰力學(xué)特性

從計算結(jié)果可判斷，在最不利工況下單壁無底鋼套箱圍堰各項力學(xué)特性均未得到有效利用，造成較大資源浪費，且從鋼圍堰加工周期、吊裝難度及制造成本等方面考慮[5]，無底鋼套箱圍堰均不是該工程的最佳選擇。

3 鋼圍堰優(yōu)化設(shè)計

（1）優(yōu)化思路。為降低安全風(fēng)險、加快施工進(jìn)度、節(jié)約施工成本，針對該工程實際地質(zhì)狀況并結(jié)合無底鋼套箱圍堰仿真計算結(jié)果，決定嘗試采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰方案[6]?？紤]到砂卵石地質(zhì)沉樁困難，對鋼板樁輔進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在鋼板樁內(nèi)安裝可抽拔的高壓射水管作沖散砂卵石引孔用。

（2）優(yōu)化后圍堰構(gòu)造。水中承臺采用優(yōu)化后的拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰施工方案，鋼板樁材質(zhì)為Q345鋼材，單根長為15m（試打時鋼板樁可深入河床底5～7m）。圍堰平面尺寸定為橫橋向28.5m×順橋向10.5m，圍堰內(nèi)共設(shè)3層水平內(nèi)支撐，為最大限度發(fā)揮圍檁力學(xué)性能，第一層圍檁采用雙拼HN500mm×200mm×10mm×16mm型鋼，第二、三層圍檁采用雙拼HN700mm×300mm×13mm×24mm型鋼，所有內(nèi)支撐均采用φ630mm×10mm螺旋鋼管，圍檁及內(nèi)支撐材質(zhì)均為Q235鋼材。拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰平面圖如圖4所示。

圖4 拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰平面圖（單位：cm）

（3）優(yōu)化后鋼板樁圍堰力學(xué)特性。仿真分析同樣結(jié)合鋼板樁圍堰施工整個過程，按鋼板樁合龍、圍堰內(nèi)水位降至第一道內(nèi)支撐下50cm處、圍堰內(nèi)水位降至第二道內(nèi)支撐下50cm處、圍堰內(nèi)水位降低第三道內(nèi)支撐下50cm處及水位降至承臺底等五個工況計算。分析結(jié)果得出水位降至承臺底時，鋼板樁圍堰受力最為不利，計算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在最不利工況下鋼板樁最大組合應(yīng)力為60.6MPa、最大剪應(yīng)力23.5MPa，圍檁及內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為94.1MPa、最大剪應(yīng)力60.3MPa，鋼圍堰整體最大變形為28mm。

圖5 最不利工況下鋼板樁圍堰力學(xué)特性

通過計算結(jié)果可判斷，最不利工況下鋼板樁圍堰的各項力學(xué)特性均良好，并且單個鋼板樁圍堰總鋼材用量僅為113t，而上述單個無底鋼套箱圍堰總鋼材用量達(dá)185t，鋼板樁可就近租賃，鋼套箱必須從鋼結(jié)構(gòu)廠家定制，殘值率亦不高[7-8]。綜合考慮工程進(jìn)度、圍堰造價、施工安全及可操作性，拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰在此工程中具有很明顯的優(yōu)勢，故決定采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰施工方案。

4 鋼板樁施工技術(shù)

（1）施工準(zhǔn)備。鋼板樁圍堰施工準(zhǔn)備主要分為圍堰材料準(zhǔn)備、機械設(shè)備準(zhǔn)備及現(xiàn)場準(zhǔn)備。為保證鋼板樁順利插打，鋼板樁備料時，在內(nèi)壁每隔3～4m焊接一個用于固定高壓射水管的環(huán)扣，環(huán)扣直徑比射水管直徑大2cm。

（2）導(dǎo)向架安裝。采用DZ120A振動錘打入4根引導(dǎo)樁，并在每根引導(dǎo)樁內(nèi)側(cè)分別焊接4個牛腿，作為導(dǎo)向架水平撐。在水平支撐上安裝雙拼HN700mm×300mm×13mm×24mm型鋼導(dǎo)向架，導(dǎo)向架與牛腿支撐采用臨時焊接固定。

（3）鋼板樁插打。為了確保鋼板樁能精準(zhǔn)合龍，第一片鋼板樁的插打很關(guān)鍵，由于此工程位于大流速黃河流域，因此首片鋼板樁插打位置選擇在鋼圍堰側(cè)面。插打前，先在鋼板樁內(nèi)壁安裝高壓水管并通水檢測是否堵塞。檢測無誤后開始插打鋼板樁，鋼板樁背面緊貼導(dǎo)向架，邊插邊下放夾板吊鉤。首片鋼板樁插打完成后，再向兩邊對稱插打其他鋼板樁，插打過程嚴(yán)格遵守“插樁正直、偏斜即糾、調(diào)整合攏”的鋼板樁圍堰施工十二字方針。每根鋼板樁插打完成后，應(yīng)通過履帶吊立即將高壓射水管拔出。鋼板樁合龍位置選擇在圍堰下游處，合龍分四角合龍和中間合攏兩種方式，四角合龍對打設(shè)精度要求較低，該工程選在下游小里程側(cè)角落合龍[4]。

（4）內(nèi)支撐安裝。拉森鋼板樁合龍后，圍堰內(nèi)進(jìn)行試抽水，降水高度控制在1m以下，觀察鋼板樁之間是否有滲漏水現(xiàn)象，如有則進(jìn)行塞縫堵漏。內(nèi)支撐與降水嚴(yán)格按照“分層支撐分層降水”的原則實施。降水至第一層內(nèi)支撐下50cm處，施作第一層圍檁及內(nèi)支撐；首層內(nèi)支撐施作完畢，繼續(xù)降水至第二層內(nèi)支撐下50cm，施作第二層圍檁及內(nèi)支撐，直至第三層圍檁至內(nèi)支撐施作完成。

（5）圍堰內(nèi)淤泥及卵石開挖。該工程圍堰內(nèi)砂卵石含量占比最大，淤泥次之。采用水下吸泥機吸泥沙和卵石效率低且易發(fā)生設(shè)備故障，故采用長臂挖掘機進(jìn)行淤泥及卵石開挖，如圖6所示，直至封底混凝土底標(biāo)高處?？拷摪鍢逗凸嘧陡浇挠倌嗦咽^難挖除，通過潛水員持高壓水槍沖刷后再挖除。

圖6 長臂挖掘機清除圍堰內(nèi)淤泥和砂卵石

（6）水下封底混凝土灌注。為防止抽水清淤后基底隆起或鋼板樁圍堰向內(nèi)側(cè)變形，開挖完成后立即采用汽車泵澆筑封底混凝土。封底混凝土厚度通過圍堰整體穩(wěn)定性、抗浮能力以及混凝土自身應(yīng)力確定。經(jīng)計算，該圍堰工程封底混凝土厚度定為1.5m。

（7）支撐系統(tǒng)監(jiān)控。支撐系統(tǒng)監(jiān)控是鋼板樁圍堰施工必不可少的工作，它對圍堰施工安全及質(zhì)量控制有重要的意義。在圍堰內(nèi)支撐施工、抽水作業(yè)及承臺施工過程中，對支撐系統(tǒng)進(jìn)行密切監(jiān)控，主要監(jiān)測支撐系統(tǒng)的變形、鋼板樁變形、圍堰滲漏水情況、圍堰位移等。

（8）鋼板樁拔除。承臺澆筑完畢后，要拔除鋼板樁。鋼板樁的拔除時間、順序及方法必須恰當(dāng)合適，否則會由于拔樁的振動或拔樁帶出部分土體，引起地面沉降，給承臺結(jié)構(gòu)帶來危害。綜合以往施工經(jīng)驗及類似工程案例，該項目圍堰拔除起點選擇在下游角樁位置處，從兩側(cè)對稱向上游拔除。拔樁時，先用打拔樁機夾住鋼板樁頂部，用液壓鉗配合振動錘先振動幾分鐘，使鋼板樁周圍填充物松動，減少填充物對鋼板樁的摩阻力，然后再緩慢向上拔起。

5 建議

（1）插打鋼板樁時，若垂直度控制不理想，應(yīng)分兩次進(jìn)行施打，即先將所有鋼板樁打入約一半深度后，再進(jìn)行第二次插打，直至設(shè)計深度，以保證能順利合龍。

（2）當(dāng)河水流速超過3.5m/s時，應(yīng)選擇在鋼圍堰側(cè)面或者下游位置施打第一根鋼板樁，必要時應(yīng)在上游位置施打?qū)Я麂摴軜?，以確保首根鋼板樁插打順利。

（3）砂卵石地層插打鋼板樁較為困難，應(yīng)在鋼板樁內(nèi)壁安裝高壓射水管以備引孔用。

（4）拔除鋼板樁時，應(yīng)先按次序?qū)⑺袖摪鍢毒纹?m左右，使其松動后，再依次逐根拔除。遇到樁間打卷及鎖扣變形的樁，宜采用大型設(shè)備將相鄰樁一起拔出。

6 結(jié)束語

截至2020年6月17日，烏瑪高速公路A7標(biāo)鎮(zhèn)羅黃河特大橋所有水下施工任務(wù)已順利完成，比預(yù)定工期提前了2個多月。該項目針對大流速砂卵石地層鋼板樁插打困難問題，采用鋼板樁內(nèi)壁安裝高壓射水管引孔技術(shù)，有效保證了插打速度及精度。用長臂挖掘機代替吸泥機挖除淤泥及砂卵石，確保了圍堰清底質(zhì)量，降低了承臺不均勻沉降的風(fēng)險。通過在鎮(zhèn)羅黃河特大橋工程實踐，證明在水深4～8m的大流速黃河流域砂卵石地質(zhì)條件下，使用鋼板樁圍堰代替鋼套箱圍堰是可行的，鋼板樁圍堰方案能大幅度降低施工成本、加快工程進(jìn)度，社會及經(jīng)濟效益顯著，可為今后類似工程提供參考。