钢板桩围堰技术在深水低桩承台的设计与施工
摘要:由于通航和水利的要求，某支流特大桥主墩承台埋入河床较深，采用钢板桩围堰施工时基坑开挖深度最深达18米。 本文首先介绍了工程概况，然后对该钢板桩围堰的设计计算要点及施工工法进行了分析，仅供参考。
关键词:钢板桩；围堰；设计与施工；验算；
Abstract: due to the requirements of air and water conservancy, a tributary super major bridge pile caps is main piers into bed is deeper, USES the steel plate pile construction of foundation pit excavation cofferdam depth for up to 18 m. This paper first introduces the general situation of the engineering, and then to the steel sheet pile cofferdam, design and calculation of the main point and construction methods for analysis, is only for reference.
Keywords: steel sheet pile; Cofferdam; Design and construction; Checking; 一、工程概况
某支流特大桥主桥上部结构为(102+160+90)m 预应力混凝土连续刚构桥，其中92#、93#主墩采用空心墩，墩身采用单箱单室截面，纵桥向宽3.5m，对应壁厚为1m，横桥向宽与上部箱梁箱宽相同为7.8m，对应壁厚为0.6m，与水流斜交。半幅桥主墩基础采用6根250cm钻孔灌注桩，采用嵌岩桩设计，承台平面尺寸为15x10m，厚为4.5m，承台轴线与路线中心线成55o斜交角，与水流方向基本平行。墩位处河床呈倾斜状，其标高分别为：92#墩处最高-2.80m，最低-6.32m；93#墩处最高-4.50m，最低-6.00m，河床地质情况向下分别为淤泥质亚粘土层、细砂层、淤泥质亚粘土层。根据航道局的意见“由于桥轴线与水流斜交太大，为减少桥墩处紊流区，增加有效通航净宽，承台必须降至河床底面以下” ；而水利部门所做的桥址防洪论证“为减少阻水与紊流，也要求承台埋入河床下”，故将92#墩承台顶面埋入河床下－8.6m 处,将93#墩承台顶面埋入河床下－5.6m处。
二、钢板桩结构形式的确定
根据承台的位置、形状及地质情况，参考类似工程对钢板桩围堰结构体系进行了初步的设计。总体结构布置如图1所示:
1、钢板桩
钢板桩采用拉森Ⅳ型(400×155×15.5)mm，钢板桩形成围囹外的围板墙体，且生根于封底砼基底以下一定的入土深度，直接承受土体及水的侧压力。根据墩位处的情况，92#墩钢板桩打入河床下-20.0m处，93#墩钢板桩打入河床下-17.0m处。
2、钢围囹
钢围囹采用三维(立体)网架结构型式，且生根于封底砼(基础)中，是整个围堰受力和稳定的主体。其中92#墩围囹设5层圈梁，分别采用2I45a和2I56a工字钢，1、2层竖撑采用单根I25a工字钢，3、4、5层竖撑采用单根I40a工字钢，剪刀撑采用单根20槽钢和I40a工字钢。93#墩围囹设4层圈梁，分别采用2I45a和2I56a的工字钢。1、2层竖撑采用单根I25a工字钢，3、4层竖撑采用单根I40a工字钢，剪刀撑采用单根[20槽钢和I40a工字钢。
3、封底砼
采用C20水下砼封底，厚度采用2.5m,主要为防止围堰内基坑开挖后坑底发生的隆起及围堰内抽水可能引起的管涌流砂，并和围堰以及围堰在土中的摩阻力共同平衡水浮力，以及作为承台施工的作业面。
三、钢板桩围堰结构验算
1、设计计算92#墩半幅结构
计算采用Midas civil 6.1.1，其中钢板桩采用板单元模拟，支撑与围檩采用梁单元模拟。计算时按施工水位的最大标高取为+2.5米；钢围囹采用三维（立体）网架结构形式，围囹及支撑采用梁单元模拟验算，并对围堰整体稳定性进行验算。钢板桩建立计算模型，采用板单元，根据等刚度的原则将以上的钢板桩截面换算为等效的矩形板截面。查得一片0.4米宽的钢板桩截面对重心轴x-x的惯性矩为：I=12629.4cm4，则等效的0.4米宽矩形钢板截面的厚度为：，即计算模型中的板厚采用15.54cm。钢板桩围堰模型如图2所示。
2、钢板桩及围囹强度和稳定性验算
围囹各层圈梁的标高见图1中B-B断面图，分别采用2I45a和2I56a工字钢。1、2层竖撑采用单根I25a工字钢，3、4、5层竖撑采用单根I40a工字钢，剪刀撑单根[20槽钢和I40a工字钢。在侧向压力的作用下，结构的最大位移为7.86mm，如图3所示。围囹、支撑的应力计算结果为：最大应力-139.2MPa，满足规范要求。
图2钢板桩围堰模型图3结构变形计算结果
如图4所示，钢板桩的最大应力为40.5MPa，在A3级钢的容许应力范围内，满足强度要求。结构的屈曲模态计算结果如图5所示，结构的屈曲模态最小的特征值为10.78，结构的整体稳定性能满足要求。
图4 板桩围堰应力 图5 第一阶屈曲模态
结论：钢板桩与围囹结构应力与稳定性能够满足围堰使用要求。
3、围囹的竖向承载力验算
围囹的总重量为：4490KN。计算支护在自重作用下其竖向的承载力时，采用桩基础中摩擦桩的计算公式来进行计算： ，钢板桩围堰与土接触的周长为：U=（18.8+14.8）×2×2=134.4m，开挖后桩尖至开挖底面的深度为：L=4.4m，钢板桩壁与土的摩阻力偏于安全取为: ,则钢板桩的竖向承载力为： [p]=0.5×134.4×4.4×30=8870.4,大于围囹的自重，因此围囹的竖向承载力能够满足要求。
4、钢板桩封底砼厚度计算
作用在封底层的浮力是由封底混凝土和围堰的自重以及围堰在土中的摩擦阻力平衡的，当板桩打入基坑底以下的深度不大时，从安全角度考虑，平衡浮力主要靠封底混凝土的自重，由：，解得： =0.3×10×（2.5+6.32）/(23-10)=2（m）。
其中为考虑未计算桩土间摩阻力和围堰自重的修正系数，凭经验取为0.3。封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.25～0.5米,以便在抽水后将顶层浮浆和软弱层凿除,以保证质量。所以封底厚度（χ）取为2.0+0.5=2.5m (未计入墩桩钢护筒摩阻力) 。
四、施工方案
1、围囹及内支撑施工
钢围囹及内支撑加工:围囹及内支撑杆件的加工以厂制和现场加工相结合，力求做到统一标准化和通用性，厂制件运到现场后，必须在工地整体预组装，为了保证结构尺寸准确，钢围囹组件加工必须在定型样板台座上完成。
围囹安装基本方法:①利用砼桩钢护筒支托扁担梁，吊装、下放钢围囹。②采用扁担梁、穿心千斤顶和吊架体系，吊装、下放钢围囹。③自下而上分层安装、分层下放、一步定位（以便施打钢板桩）。④视具体情况，可预留底层先期不安放，打完钢板桩之后安装。
围囹及内支撑拆除:①先拔钢板桩，后拆围囹。②围囹及内支撑逐层提出水面，自上而下分层拆除。③而后拆除吊装系统及作业平台。
2、钢板桩施打
钢板桩接驳:①钢板桩整理：钢板桩运至工地后，应进行检查。检查钢板桩有弯曲、破损、锁口不合的均应整修。②钢板桩接长必须是同类型钢板桩、同等强度以焊接接长，焊接时先对焊或将接口补焊合缝，再焊加强板。
钢板桩长桩深水施打方法：①先下围囹，后打桩。②采用压打相结合的施工工艺。③配置1台24m长平板驳船及打桩船。④安装导向架：设上下两层，保证导向口上下垂直，其稳定性和刚度满足插打钢板桩的需要。
钢板桩防渗堵漏措施：①施打钢板桩整个过程必须做好定位导向，严格控制双向垂直度，使其桩与桩良好的咬合，保证钢板桩墙面垂直、且紧贴围囹周边，这是止水防渗的关键。②基坑抽水中，对于锁口不密而产生漏水现象时，采用富纤维棉絮进行塞缝。③对桩缝较宽的可采取麻丝根掺黄油塞缝止水， 还可以采取用粉煤灰、锯木沫、膨胀水泥于围堰外沿桩面顺水流方向撒放的综合处理办法，以达到止水的目的。
拔桩方法：①先拔桩，后拆围囹。②按与钢板桩施打顺序相反的次序拔桩。③对长桩采取导向框控制拔桩，以防扭曲，折断板桩。
3、水下挖基施工
采取有水（水下）挖基：在确保围堰内外水面等高，内外水压平衡的情况下，实施挖基，以确保尚未完全成型的围堰相对稳定。
吸泥吸砂挖基：根据基坑地质地层为流塑状或松散状的淤泥、淤泥质亚粘土层和细砂层，决定采用泥浆泵空压机循环吹吸方法清挖基坑，出泥快，扰动小，有利于围堰四壁和基底的稳定。
抓（挖）泥机配合挖基：如遇基土较硬和有较多石块，采用抓泥机清挖之，或以小型挖土机挖松搅碎成泥，再吸除之。
4、水下砼封底施工
分区浇注及配套工作：分区依次浇注砼，围堰分为6个区（见图6）。②每个区先沿围堰内角和边下砼，任其砼向内摊流。③当浇注一定高度，潜水员下去检查角、边砼落实和其他面砼挤淤情况，及时调整浇注面及其厚度。④一次浇注至2.2m的厚度（不含上层浮淤浮渣）。⑤设置两套下料导管于A、B区，当浇注A区完毕后，移至已安好导管的B区进行浇注，此时，A区导管移至C区，均依次类推，确保砼水下浇注不间断和区间砼之间及时的良好的衔接。⑥严格掌握砼的坍落度（不宜小），以便砼在基底（水中）有较快较大的坍落面和挤淤力量。
图6 围堰封底及浇注顺序图。按A→B→C→D→E→F顺序浇注水下砼。
5、抽水与围堰监测及加固
间歇抽水：①封底砼达到设计强度后，方可抽水。每抽水至一层围囹下方即停止抽水，实施加固该层围囹及其与钢板桩的连接。②阶段性实施对围囹的全面监测，通过检测调节抽水和及时加强围囹的加固和补强，防止突发事件。③间歇抽水，缓冲围囹的整体承力，使其围囹结构件及钢板桩渐变紧密结合、合理承载，逐渐稳定。④待围堰内水全部抽干，即对封底砼顶面进行浮托监测。
抽水与变形应急处理：整个抽水过程要严密监测围囹和钢板桩的位移和变形，如果超过设计值要立即停止抽水，待查明原因并对变形位置进行加固处理后方可继续抽水。
6、承台施工和围囹支撑体系置换
①分两层施工承台，底层高度小于2.8m，使之在底层围囹下施作承台下层。②利用已浇注砼的承台下层（H＜2.8m），于砼达强后，将其周边（与钢板桩之间的空隙）回填砂，并以砼封砂顶。③而后拆除底层围囹内圈及其支撑体系（圈梁不拆），以其空间施作承台上层砼。④待承台上层砼达强后，即以I56型钢支撑底层圈梁与承台砼之间。
参考文献：
[1] JTG D62－2004,公路桥涵设计通用规范，人民交通出版社,2004.
[2] JTG D62－2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，人民交通出版社,2004.
[3]交通部．JTJ014—2000 公路桥涵施工技术规范，北京：人民交通出版社，2000．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
