王富華 陸愛(ài)嬌 付理想

摘要：由于水下承臺(tái)以及橋墩施工需要采用鋼板樁搭設(shè)一個(gè)施工平臺(tái)，但是針對(duì)承臺(tái)、橋墩大小或土層狀況的不同，需對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行具體方案設(shè)計(jì)。文章以三陽(yáng)河橋施工為背景，探討了水下承臺(tái)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)方案、最不利工況鋼板樁受力性能、施工要點(diǎn)以及施工過(guò)程中的問(wèn)題和解決措施。結(jié)果表明：鋼板樁圍堰的抗彎承載力、抗剪承載力、穩(wěn)定性以及變形均滿足設(shè)計(jì)要求，并順利完成了三陽(yáng)河橋的施工。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼板樁圍堰；方案設(shè)計(jì)；施工要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U445.55+6 A 49 162 3

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)橋梁大國(guó)，所建造的橋梁等級(jí)也越來(lái)越高，對(duì)橋梁承載力的要求越來(lái)越高，許多涉水橋梁的承臺(tái)做得越來(lái)越大，橋墩埋設(shè)越來(lái)越深。對(duì)于涉水承臺(tái)的澆筑，由于鋼板樁圍堰具有施工方便、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，成為設(shè)計(jì)師首選的施工方式［1-2］。然而，由于鋼板樁整體剛度小、強(qiáng)度低，其在大承臺(tái)的應(yīng)用需要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。錢靚等［3］著重介紹了天津某跨海河特大橋的主橋墩采用鋼板樁圍堰施工過(guò)程中所受到的不利受力情況，并采用有限元以及理論計(jì)算相結(jié)合的方法驗(yàn)證了所采用方法的安全性與可行性。李思公等［4］對(duì)紅水河大橋主橋墩所采用的單壁有底的鋼圍堰設(shè)計(jì)方案以及施工過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且對(duì)不同工況下鋼板樁圍堰的受力情況進(jìn)行了有限元計(jì)算，確保了鋼板樁圍堰施工的安全性。嚴(yán)宏偉［5］針對(duì)具有兩道內(nèi)支撐以及水平支撐的鋼板樁設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)施工全過(guò)程的工況進(jìn)行了計(jì)算分析。王海濤等［6］針對(duì)砂卵石硬巖地質(zhì)這種特殊地層，提出了淺錨固式鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)思路以及相應(yīng)的施工技術(shù)，并成功將其應(yīng)用在宜城漢江二橋跨江主橋墩施工中。周新亞等［7］對(duì)五峰山跨江通道上的芒稻河特大橋主橋墩所采用的深水基礎(chǔ)超長(zhǎng)鋼板樁圍堰的特點(diǎn)以及施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并采用有限元軟件對(duì)最不利荷載工況下結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了分析。此外，其他一些工程師也針對(duì)其在實(shí)際工程中所采用的新型鋼板樁圍堰案例進(jìn)行了分享［8-10］。

隨著鋼板樁圍堰在涉水橋梁下部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，加強(qiáng)對(duì)寬大鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工研究，有助于提高鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)及施工水平。本文以三陽(yáng)河大橋主橋墩的鋼圍堰施工為背景，對(duì)寬大承臺(tái)鋼圍堰的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

三陽(yáng)河橋采用三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，引橋采用30 m跨徑裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋跨布置為［11×30+（40+65+40）+4×30］m，橋梁全長(zhǎng)600.8 m。橋梁按兩幅上、下行并列進(jìn)行布置，全寬26 m。主橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用單箱單室截面。主橋箱梁為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，分為縱向預(yù)應(yīng)力束和豎向預(yù)應(yīng)力筋。縱向預(yù)應(yīng)力管道采用鍍鋅金屬波紋圓管，豎向預(yù)應(yīng)力管道采用高頻鋼管，預(yù)備束采用塑料波紋圓管。主橋12#、13#墩采用（6.9×2.2）m2矩形墩，承臺(tái)的長(zhǎng)、寬、高分別為10.5 m、6.5 m以及2.6 m，雙排計(jì)6根1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。過(guò)渡墩采用1.7 m雙柱式墩，雙排計(jì)41.5 m鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)。引橋采用雙柱式墩，三柱式臺(tái)及一字型臺(tái)，1.2 m、1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主墩四角各設(shè)一個(gè)防撞墩。主橋橋梁型式為混凝土連續(xù)箱梁，采用懸臂澆筑。12#、13#主墩承臺(tái)共計(jì)4個(gè)，全部位于水中，其尺寸為（10.5×6.5×2.6）m3，每個(gè)承臺(tái)混凝土方量為177.4 m3。主橋概況如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)

橋址區(qū)地層主要勘探地層主要分為3個(gè)大層，10個(gè)巖土層，圖層具體情況如表1所示。

2 主墩承臺(tái)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

三陽(yáng)河大橋主墩承臺(tái)為低樁承臺(tái)，主墩承臺(tái)平面尺寸（10.5×6.5）m2，承臺(tái)頂標(biāo)高為-5.202 m，承臺(tái)底標(biāo)高為-7.802 m，承臺(tái)高2.6 m?？紤]到本工程地質(zhì)情況，本橋主墩承臺(tái)采用鋼板樁圍堰。擬采用樁長(zhǎng)為15 m的拉森Ⅳ型樁，鋼板樁寬40 cm，重76.1 kg/m。設(shè)計(jì)鋼板樁頂標(biāo)高為+1.6 m，底標(biāo)高為-13.4 m；封底混凝土頂標(biāo)高（承臺(tái)底標(biāo)高）為-7.8 m，底標(biāo)高為-8.8 m，封底混凝土厚度為1.0 m。圍檁設(shè)計(jì)分3層：第一層鋼圍檁標(biāo)高為0.0 m；第二層鋼圍檁標(biāo)高為-3.5 m；第三層圍檁標(biāo)高為-6.1 m。三層圍檁全部采用雙拼H300 mm×500 mm的H型鋼。所有支撐采用529 mm×9 mm的鋼管。圍堰平面布置如圖2所示。

2.2 鋼板樁圍堰施工設(shè)計(jì)工況

主要設(shè)計(jì)工況有5個(gè)，分別是：

（1）在靠近承臺(tái)側(cè)定位樁上焊接牛腿，作為鋼板樁插打?qū)驀鷻_，依次插打鋼板樁至合龍，鋼板樁頂標(biāo)高控制在1.30 m。

（2）安裝第一道內(nèi)支撐，抽除圍堰內(nèi)水，挖土至-0.6 m，在-0.1 m處施工第一道圍檁（雙拼36a工字鋼），安裝第一道內(nèi)支撐（529 mm×9 mm鋼管）。

（3）安裝第二道內(nèi)支撐，挖土至-3.6 m，在-3.1 m處施工第二道圍檁（雙拼300 mm×500 mm×11 mm×15 mm型鋼），安裝第二道內(nèi)支撐（529 mm×9 mm鋼管）。

（4）安裝第三道內(nèi)支撐，挖土至-6.6 m，在-6.1 m處施工第三道圍檁（雙拼36a工字鋼），安裝第三道內(nèi)支撐（529 mm×9 mm鋼管）。

（5）開挖至-9.00 m，搭設(shè)封底平臺(tái)、布設(shè)封底混凝土導(dǎo)管，水下澆筑封底混凝土1.0 m厚至樁邊，待封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第三道內(nèi)支撐，鑿除樁頭進(jìn)行承臺(tái)、墩身施工。

在這5種工況中，工況二鋼板樁與內(nèi)支撐受力較大，而其他4種工況中的鋼板樁與內(nèi)支撐受力相對(duì)較小，故對(duì)工況二情況下鋼板樁圍堰的受力特性進(jìn)行分析。

2.3 鋼板樁圍堰工況驗(yàn)算

2.3.1 圍堰受土壓力計(jì)算

為了計(jì)算鋼板樁所受側(cè)壓力，各個(gè)土層的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

根據(jù)計(jì)算所得的鋼板樁所受到的最大土壓力為-377.53 kN/m，樁身最大側(cè)向位移為-11.9 mm，最大彎矩為86.64 kN·m，最大剪力為-62.41 kN。

2.3.2 第一道圍檁驗(yàn)算

圍檁形式為雙拼36a工字鋼，支撐間距4 m，支反力70.7 kN/m，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.1，圍檁的彈性模量E為206×103 N/mm2，圍檁的線膨脹系數(shù)為12×10-6，溫度應(yīng)力考慮溫差5 ℃。主要參數(shù)：截面面積為152.6 cm2，截面慣性矩Ix為31 520 cm4，截面抵抗矩W為1 750 cm3。

2.3.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

（1）軸力驗(yàn)算

圍檁所受軸力為：N1=1.25×1.1×70.7×4×cos39°=302.193 kN。

圍檁的溫度應(yīng)力為：N2=206 000×12×10-6×5×152.6×102=188.614 kN。

圍檁所受的總軸力為：N=N1+N2=490.807 kN。

軸向正應(yīng)力為：σ=NA=490.807×10315 260=32.163

（2）彎曲驗(yàn)算

鋼圍檁與鋼支撐的節(jié)點(diǎn)為鉸接，鋼圍檁的最大彎矩為圍檁的跨中彎矩。

圍檁的跨中彎矩為：M=1.25×1.1×18×70.7×4×4=194.425 kN·m。

彎曲正應(yīng)力為：σ=MγW=194.425×1031.05×1 750×103=105.8

（3）剪力驗(yàn)算

由于所有的剛節(jié)點(diǎn)均為鉸接，所以支座處剪力最大。

圍檁的支座剪力為：V=1.25×1.1×12×70.7×4=194.425 kN。

最大剪應(yīng)力為：τ=VSItw=194.425×（3003-200×2702）×1038×31 520×104=45.175<215。

2.3.2.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

（1）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），將鋪板密鋪在梁的受壓翼緣并與其牢固相連，能阻止梁受壓翼緣的側(cè)向位移。由于鋼板樁與圍檁的緊密貼合類似鋪板，所以圍檁的整體穩(wěn)定性滿足要求，不需要進(jìn)行整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

（2）局部穩(wěn)定性驗(yàn)算

h0tw=300-3010=27<80235fy=80

2.3.2.3 第一道支撐

鋼管外徑529 mm，壁厚9 mm，支撐長(zhǎng)度為8.4 m，支撐間距為4 m，支反力70.7 kN/m，計(jì)算考慮溫度5 ℃，基坑側(cè)壁安全重要性系數(shù)為1.1，水平鋼管支撐的彈性模量E為206×103 N/mm2，鋼結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)為12×10-6。鋼管為529×9 mm2。其主要參數(shù)為：截面面積為147.03 cm2，截面慣性矩Ix為49 709 cm4，截面抵抗矩W為1 879 cm3。

長(zhǎng)細(xì)比：λ=li=84018.4=45.652。

其中，λfy235≈λ=45.652，查《規(guī)范》附錄可知，φx=0.874。

（1）支撐總軸力的計(jì)算

支撐軸力：N1=1.25×1.1×70.7×4=388.85 kN。

溫度應(yīng)力：N2=206 000×12×10-6×5×147.03×102=181.729 kN。

支撐總軸力：N=N1+N2=570.579 kN。

（2）支撐所受彎矩的計(jì)算

每延米支撐上的荷載q為2 230 N/m，則自重產(chǎn)生的彎矩：

M1=1.25×1.1×18×ql2=1.25×1.1×18×2.23×8.42=27.044 kN·m。

施工荷載產(chǎn)生的彎矩：

M2=1.25×1.1×18×ql22=1.25×1.1×18×4×8.42=48.510 kN·m。

安裝偏心產(chǎn)生的彎矩：

M3=Ne=22.823 kN·m。

總彎矩：

M4=M1+M2+M3=27.044+48.210.22.823=98.377 kN·m。

（3）彎矩作用在主平面內(nèi)的壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算

σ=NA+MγxW=570 57914 703+98.377×1061.15×1 879×103=84.334

（4）彎矩作用在對(duì)稱軸平面內(nèi)（繞弱軸）實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算

彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性：

N′Ex=π2EA1.1λ2=3.142×206×103×14 7031.1×45.6522=13 038.7 kN。

NφxA+βmxMxγxW1x（1-0.8NN′Ex）=570 5790.874×14 703+1×98.377×1061.15×1 879×（1－0.8×570.57913 038.7）×102=91.58

其中，βmx=1。

彎矩作用平面外的穩(wěn)定性：

NφxA+ηβtxMxφbW1x=570 5790.874×14 703+0.7×1×98.377×1061.15×1 879×103=46.692

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工步驟

具體施工總共有13個(gè)步驟，如圖3所示。

3.2 施工要點(diǎn)

（1）在鋼板樁施工時(shí)，保證沉樁軸線位置的正確和樁的豎直，控制樁的打入精度，防止板樁的屈曲變形和提高樁的貫入能力，設(shè)置具有一定剛度的導(dǎo)向架，以提高鋼板樁圍堰的施工質(zhì)量。

（2）施工過(guò)程中，需要加強(qiáng)鋼板樁之間的鎖口對(duì)接，在鎖口內(nèi)涂抹黃油以保證施打順利及確保止水效果。垂直度與軸線偏差需要高度控制，卡中鋼板樁軸線偏差應(yīng)≤±10 cm，鋼板樁頂標(biāo)高偏差應(yīng)≤±10 cm，鋼板樁垂直度誤差應(yīng)≤1%。

（3）鋼板樁圍堰抽水過(guò)程中止水堵漏是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。若漏水嚴(yán)重，堵漏困難，需要在鋼板樁外側(cè)補(bǔ)打鋼板樁形成雙壁圍堰，內(nèi)側(cè)鋪設(shè)彩條布，在彩條布與鋼板樁圍堰間填筑黏土進(jìn)行封堵。

3.3 施工遇到問(wèn)題及解決措施

（1）由于部分鋼板樁在插打過(guò)程中碰到了斜長(zhǎng)石等硬物或者由于樁身摩阻力過(guò)大不能順利下沉部分鋼板樁，便將鋼板樁進(jìn)行拔除，讓自由水能夠流入粉質(zhì)黏土層中，減少粉質(zhì)黏土層的摩阻力，使樁能夠順利下沉。

（2）在鋼板樁插打過(guò)程中，部分樁出現(xiàn)了樁身偏差，該工程使用焊接的方式將已施工完畢的鋼板樁和施工平臺(tái)導(dǎo)向裝置進(jìn)行臨時(shí)固定，采用測(cè)量?jī)x器確保樁身的垂直度，確保垂直后再進(jìn)行施打。

（3）在施工過(guò)程中遇到了相鄰鋼板樁鎖扣滲水的情況，該工程采取防水材料對(duì)鎖扣等縫隙進(jìn)行填充，填補(bǔ)鎖扣縫隙處的滲漏，同時(shí)采取了止水條等對(duì)鋼板樁外側(cè)進(jìn)行包裹，形成防水層，并采取邊抽水邊施打的方法進(jìn)行施工，不影響工期。

4 結(jié)語(yǔ)

三陽(yáng)河橋主墩水中承臺(tái)鋼板樁圍堰已經(jīng)順利完成施工，在施工過(guò)程中鋼板樁的打入深度、打入精度、鋼板樁身變形以及鋼板樁的穩(wěn)定性均在控制范圍之內(nèi)，并且在施工工期內(nèi)完成了該鋼板樁的打設(shè)工作，保證了承臺(tái)的安全施工。本文介紹了鋼板樁圍堰在施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及解決措施。由于鋼板樁圍堰施工方式具有施工進(jìn)度快、操作方便、鋼板樁可回收以及經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)，在水中橋墩施工中具有廣泛的應(yīng)用前景。三陽(yáng)河橋鋼板樁圍堰施工方案可為類似水中承臺(tái)的施工提供借鑒。

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收稿日期：2023-07-11