馮明鋒

（中鐵十九局集團有限公司 北京 100176）

1 引言

隨著我國高速鐵路網(wǎng)建設(shè)蓬勃發(fā)展，跨江跨海橋梁建設(shè)日益增多，而基礎(chǔ)施工作為建設(shè)中的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著工程建設(shè)的進展。鋼板樁圍堰作為基礎(chǔ)施工的一種方法，具有防水性能好、截面抗彎性能強、適用各類土層等優(yōu)點，現(xiàn)場施工可以根據(jù)基礎(chǔ)形式組成各種形狀的圍堰，同時材料可周轉(zhuǎn)，成本相對較低，被廣泛地用于水域施工中［1－3］。但在海域潮汐環(huán)境中使用鋼板樁圍堰時，由于施工工況復(fù)雜、風(fēng)險高、不可控因素多，作為一道關(guān)鍵施工工序，其成功與否直接關(guān)系著承臺施工質(zhì)量，決定了承臺施工周期［4－5］。本文以某高速鐵路跨海大橋為依托，參考同類型圍堰施工經(jīng)驗［6－8］，對圍堰進行設(shè)計并優(yōu)化施工工藝，確保了工程質(zhì)量，為以后類似橋梁的施工建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗。

2 工程概況及水文地質(zhì)條件

2.1 工程簡介

某跨海大橋橋梁起止里程為DK93＋615.93～DK108＋317.84，全長共14.7 km，共計 342個墩（臺），水域部分長度約10 km。其中75?！?32＃墩位于淺灘區(qū)，淺灘區(qū)承臺基坑深度均大于5 m，施工中受海水潮汐影響較大。

2.2 工程地質(zhì)、水文及氣象條件

（1）工程地質(zhì)條件

本橋地處區(qū)域主要為海積平原及丘前坡地，橋位處多為魚塘、灘涂養(yǎng)殖區(qū)。橋址區(qū)上覆土層主要為第四系人工填土（）素填土、雜填土；第四系沖海積（）淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、砂等；第四系沖洪積（）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。下伏基巖主要為燕山早期侵入二長花崗巖、閃長巖。

（2）水文氣象條件

海灣深入內(nèi)陸約18 km，橋址范圍內(nèi)海床面高程介于－3.6～－0.5 m之間，最高潮位為＋6.0 m，最低潮位為－0.5 m。橋位處為規(guī)劃3 000 t級航道，暫不通航。本海區(qū)波浪以風(fēng)浪為主，常浪向為NE向，頻率26%，實測最大波高2.0 m。

橋址區(qū)內(nèi)地表水發(fā)育，地表水體主要為海水。漲潮流來自遼闊的南海方向，潮流以海水為主；退潮流來自陸域方向，沿岸主要為河流向海中排泄，海水被沖淡。水質(zhì)由于潮汐作用的影響，近大里程海岸變化較大，近小里程海岸變化相對較?。?］。

3 海上圍堰施工特點

由于受潮汐作用影響，施工情況較為復(fù)雜，漲潮時海水往岸邊方向流，退潮時海水向遠離岸邊方向流，每天兩次，潮水較為平穩(wěn)，施工受漲、退潮水位落差影響大。

海上承臺處于深水潮汐海域，整個承臺處于淤泥層，其特殊的地質(zhì)條件對鋼板樁圍堰施工提出了較高要求。

（1）施工組織困難：海上承臺施工便道為8 m寬的主棧橋，樁基、棧橋、承臺施工作業(yè)面多，存在施工交叉，交通壓力驟增，導(dǎo)致施工協(xié)調(diào)及組織難度增加。

（2）地質(zhì)條件復(fù)雜：在淺灘區(qū)存在較厚的淤泥土層，同時海床面分布不均勻，受海床沖刷影響形成裸巖地層，造成圍堰設(shè)計和施工難度增大。

（3）鋼板樁插打定位難度大：由于每天兩次漲落潮，潮流和波浪力變化對鋼板樁的定位、插打垂直度提出更高要求。

（4）安裝內(nèi)支撐工效低：普通的拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰，需設(shè)置多道內(nèi)支撐，部分支撐位于水面以下，由于受潮水漲落影響，內(nèi)支撐安裝則需要在退潮時進行，增加了施工的難度，工效相對較低。

（5）承臺封底難度大：封底采用抽水后干封，對鋼板樁縫隙堵漏要求更高。封底厚度較薄，整個承臺處于淤泥地層，地基承載力小，如何在封底厚度小、地質(zhì)條件惡劣的情況下控制好質(zhì)量、墊層平整度以及標(biāo)高，對圍堰封底質(zhì)量要求高。

4 圍堰方案設(shè)計及計算

4.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)布置

跨海大橋75＃～332＃位于海域施工，圍堰設(shè)計類型共8種。選取承臺尺寸為7.5×11.2×3 m進行分析，承臺底面標(biāo)高－2.511 m，距最高潮水深＋8.511 m。選型長度15 m的拉森Ⅳ型鋼板樁，開挖后錨固深度為5.49 m。為便于承臺施工時立模和加固作業(yè)，圍堰尺寸設(shè)計為9.6×13.6 m，第一道圈梁采用雙榀 40a型鋼，第二道圈梁采用雙榀 56a型鋼，第一、二道內(nèi)支撐均采用φ630×8 mm螺旋鋼管。圍堰立面布置和平面布置見圖1和圖2。

圖1 圍堰立面布置（單位：cm）

圖2 圍堰平面布置（單位：cm）

4.2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

圍堰按照15 m鋼板樁進行驗算，采用理正深基坑支護設(shè)計軟件。主要荷載有水土壓力、水流力、靜水壓力、波浪力。圍堰安全等級為一級，荷載組合采用的分項系數(shù)取值：恒載取1.2，活載取1.4。按照施工順序分為6個計算工況，具體見表1。

表1 圍堰受力工況

圍堰采用干挖清基及抽水到基底，此時第二層圈梁及內(nèi)支撐均已施工，封底前最大水頭高度為9.011 m，此工況鋼板樁受力最為不利［10－11］，鋼板樁最大彎矩為325 kN·m，見圖3。單位米鋼板樁截面抗彎彈模為2.27×106mm3，最大彎曲應(yīng)力：

圖3 鋼板樁受力及位移

σmax＝325×106／2.27×106＝143 MPa＜［σ］＝210 MPa符合要求。

開挖至基底，封底前鋼管內(nèi)支撐受力最大，此工況下φ630×8 mm鋼管撐最大彎矩和最大軸力分別為543.6 kN·m和1 706 kN，見圖4和圖5。鋼管截面模量和截面面積分別為4.8×106mm3和1.56×106mm2，此時圈梁最大彎曲應(yīng)力和最大軸應(yīng)力分別為：

圖4 支撐彎矩

圖5 支撐軸力

結(jié)構(gòu)滿足受力要求。

在開挖到基坑底部時第二道圈梁受力最大，該工況下圈梁最大彎矩［12－13］My＝409 kN·m，最大剪力Qy＝270 kN，最大軸力 Fx＝621 kN，最大扭力Mz＝80 kN·m，見圖6～圖9。

圖6 圈梁彎矩

圖7 圈梁剪力

圖8 圈梁軸力

圖9 圈梁扭矩

將彎矩、剪力、軸力及扭矩代入公式，應(yīng)力計算結(jié)果見表2，結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

表2 圈梁應(yīng)力計算

5 鋼板樁圍堰施工工藝

（1）施打前準(zhǔn)備

鋼板樁采用履帶吊配合DZ90振動錘插打方式施工，插打前對進場鋼板樁進行驗收，驗收合格后方可運至施工現(xiàn)場啟動下道插打工序。

（2）鋼板樁定位和插打精度控制

鋼板樁在插打過程中受潮汐水流影響易發(fā)生位置偏移，漲落潮期間需設(shè)置臨時限位裝置。先安裝第一道內(nèi)支撐圈梁作為鋼板樁插打時的導(dǎo)向架，并輔助限位工裝，以控制鋼板樁的平面尺寸和垂直度，見圖10和圖11。鋼板樁垂直度嚴格控制在0.5%之內(nèi)［14］。

圖10 第一道圈梁安裝

圖11 鋼板樁插打限位裝置

圍堰合龍成功與否直接關(guān)系著圍堰的施工質(zhì)量及進度。首先選擇靠近任一角樁的位置作為起步控制樁，利用測量儀器監(jiān)測其插打垂直度，確保合龍精度。

（3）安裝圈梁和內(nèi)支撐

鋼板樁合龍形成圍堰后，在低潮水位時割除樁基鋼護筒，依次安裝第一層內(nèi)支撐、第二層圈梁以及第二層內(nèi)支撐，見圖12和圖13，以確保圍堰開挖的整體穩(wěn)定。

圖12 低潮水位內(nèi)支撐安裝

圖13 高潮水位內(nèi)支撐安裝

（4）清基技術(shù)

封底混凝土面以上土層為淤泥土，由于黏度較大，先采用潛水泵抽水，抽水完成后，利用長臂挖機直接進行淤泥開挖，并測量開挖深度以控制基底標(biāo)高，同時遵循分層分區(qū)的原則［15］，嚴禁局部超挖。潛水泵抽水現(xiàn)場見圖14，長臂挖機開挖見圖15。

圖14 潛水泵抽水

圖15 長臂挖機開挖

（5）堵漏技術(shù)

由于滿潮水位時鋼板樁圍堰內(nèi)外水頭高度差為9.011 m，圍堰在海水潮汐作用下導(dǎo)致鋼板樁所受的內(nèi)外壓力反復(fù)變化，致使鎖口縫隙變大，漏水嚴重。在施工過程中經(jīng)過反復(fù)試驗研究，鎖口堵漏采用了以下幾種方法：①退潮后在鋼板樁圍堰外側(cè)噴涂泡沫膠，達到外側(cè)封堵效果。泡沫膠封堵見圖16。②在圍堰內(nèi)派專人使用棉絮摻植筋膠對漏水處進行堵塞，從內(nèi)側(cè)保證封堵效果。植筋膠封堵見圖17。③用細砂順鎖口倒灌，敲打鋼板樁，細砂滑落，填滿鎖口。灌砂封堵見圖18。通過實踐證明以上三種措施止水效果明顯。

圖16 泡沫膠封堵

圖17 植筋膠封堵

圖18 灌砂封堵

（6）封底技術(shù)

清基完成后盡量縮短圍堰暴露時間，以免對基底土體造成擾動。封底選擇在低潮水位時抽水后干封，厚度為50 cm。為控制超挖，在挖機大臂上做標(biāo)記并派專人監(jiān)控開挖深度。開挖平整之后，底部鋪一層竹膠板連成一個整體以防止翻漿。封底時使用泵車先大面積薄鋪一層，使竹膠板均勻受力，防止局部受力竹膠板發(fā)生傾斜導(dǎo)致淤泥翻涌致使局部夾泥影響封底效果。

6 結(jié)束語

某工程跨海大橋位于海域淺灘區(qū)，施工環(huán)境較為復(fù)雜。經(jīng)過工程結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算和專家論證，承臺施工選擇采取拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)形式，從理論上保證結(jié)構(gòu)的安全。施工中經(jīng)過實踐探索，鋼板樁插打采用先安裝內(nèi)圈梁和加工專門的限位工裝確保了插打精度；圍堰堵漏采用三種組合方法，確保在海域潮汐變化影響下圍堰不滲水；圍堰封底采用低潮水位抽水干封，同時在基底鋪設(shè)一層竹膠板，防止封底時翻漿，有效地保證了封底厚度及質(zhì)量。