鋼板樁圍堰設計方案與施工要點研究

王富華 陸愛嬌 付理想

摘要：由于水下承臺以及橋墩施工需要采用鋼板樁搭設一個施工平臺，但是針對承臺、橋墩大小或土層狀況的不同，需對鋼板樁圍堰進行具體方案設計。文章以三陽河橋施工為背景，探討了水下承臺鋼板樁圍堰設計方案、最不利工況鋼板樁受力性能、施工要點以及施工過程中的問題和解決措施。結果表明：鋼板樁圍堰的抗彎承載力、抗剪承載力、穩定性以及變形均滿足設計要求，并順利完成了三陽河橋的施工。

關鍵詞：橋梁工程；鋼板樁圍堰；方案設計；施工要點

中圖分類號：U445.55+6 A 49 162 3

0 引言

現階段，我國已經發展成為一個橋梁大國，所建造的橋梁等級也越來越高，對橋梁承載力的要求越來越高，許多涉水橋梁的承臺做得越來越大，橋墩埋設越來越深。對于涉水承臺的澆筑，由于鋼板樁圍堰具有施工方便、安全性高、經濟性好的優點，成為設計師首選的施工方式［1-2］。然而，由于鋼板樁整體剛度小、強度低，其在大承臺的應用需要進行專門設計與驗證。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程中所受到的不利受力情況，并采用有限元以及理論計算相結合的方法驗證了所采用方法的安全性與可行性。李思公等［4］對紅水河大橋主橋墩所采用的單壁有底的鋼圍堰設計方案以及施工過程進行了詳細介紹，并且對不同工況下鋼板樁圍堰的受力情況進行了有限元計算，確保了鋼板樁圍堰施工的安全性。嚴宏偉［5］針對具有兩道內支撐以及水平支撐的鋼板樁設計以及施工過程進行了詳細闡述，并對施工全過程的工況進行了計算分析。王海濤等［6］針對砂卵石硬巖地質這種特殊地層，提出了淺錨固式鋼板樁圍堰的設計思路以及相應的施工技術，并成功將其應用在宜城漢江二橋跨江主橋墩施工中。周新亞等［7］對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超長鋼板樁圍堰的特點以及施工關鍵技術進行了介紹，并采用有限元軟件對最不利荷載工況下結構的受力進行了分析。此外，其他一些工程師也針對其在實際工程中所采用的新型鋼板樁圍堰案例進行了分享［8-10］。

隨著鋼板樁圍堰在涉水橋梁下部結構中應用越來越廣泛，加強對寬大鋼板樁圍堰的設計與施工研究，有助于提高鋼板樁圍堰的設計及施工水平。本文以三陽河大橋主橋墩的鋼圍堰施工為背景，對寬大承臺鋼圍堰的設計與施工進行詳細闡述。

1 工程概況

1.1 工程簡介

三陽河橋采用三跨變截面預應力混凝土連續箱梁，引橋采用30 m跨徑裝配式部分預應力混凝土連續箱梁，橋跨布置為［11×30+（40+65+40）+4×30］m，橋梁全長600.8 m。橋梁按兩幅上、下行并列進行布置，全寬26 m。主橋上部結構為預應力混凝土連續箱梁，采用單箱單室截面。主橋箱梁為全預應力結構，分為縱向預應力束和豎向預應力筋?？v向預應力管道采用鍍鋅金屬波紋圓管，豎向預應力管道采用高頻鋼管，預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，承臺的長、寬、高分別為10.5 m、6.5 m以及2.6 m，雙排計6根1.5 m鉆孔灌注樁基礎。過渡墩采用1.7 m雙柱式墩，雙排計41.5 m鉆孔灌注樁樁基礎。引橋采用雙柱式墩，三柱式臺及一字型臺，1.2 m、1.5 m鉆孔灌注樁基礎。主墩四角各設一個防撞墩。主橋橋梁型式為混凝土連續箱梁，采用懸臂澆筑。12#、13#主墩承臺共計4個，全部位于水中，其尺寸為（10.5×6.5×2.6）m3，每個承臺混凝土方量為177.4 m3。主橋概況如圖1所示。

1.2 工程地質

橋址區地層主要勘探地層主要分為3個大層，10個巖土層，圖層具體情況如表1所示。

2 主墩承臺鋼板樁圍堰設計與計算

2.1 鋼板樁圍堰設計

三陽河大橋主墩承臺為低樁承臺，主墩承臺平面尺寸（10.5×6.5）m2，承臺頂標高為-5.202 m，承臺底標高為-7.802 m，承臺高2.6 m?？紤]到本工程地質情況，本橋主墩承臺采用鋼板樁圍堰。擬采用樁長為15 m的拉森Ⅳ型樁，鋼板樁寬40 cm，重76.1 kg/m。設計鋼板樁頂標高為+1.6 m，底標高為-13.4 m；封底混凝土頂標高（承臺底標高）為-7.8 m，底標高為-8.8 m，封底混凝土厚度為1.0 m。圍檁設計分3層：第一層鋼圍檁標高為0.0 m；第二層鋼圍檁標高為-3.5 m；第三層圍檁標高為-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 鋼板樁圍堰施工設計工況

主要設計工況有5個，分別是：

（1）在靠近承臺側定位樁上焊接牛腿，作為鋼板樁插打導向圍檁，依次插打鋼板樁至合龍，鋼板樁頂標高控制在1.30 m。

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

（3）安裝第二道內支撐，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），安裝第二道內支撐（529 mm×9 mm鋼管）。

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

（5）開挖至-9.00 m，搭設封底平臺、布設封底混凝土導管，水下澆筑封底混凝土1.0 m厚至樁邊，待封底混凝土達到設計強度后，拆除第三道內支撐，鑿除樁頭進行承臺、墩身施工。

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

2.3 鋼板樁圍堰工況驗算

2.3.1 圍堰受土壓力計算

為了計算鋼板樁所受側壓力，各個土層的計算參數如表2所示。

根據計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，基坑側壁重要性系數為1.1，圍檁的彈性模量E為206×103 N/mm2，圍檁的線膨脹系數為12×10-6，溫度應力考慮溫差5 ℃。主要參數：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 強度驗算

（1）軸力驗算

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。

軸向正應力為：σ=NA=490.807×10315 260=32.163

（2）彎曲驗算

鋼圍檁與鋼支撐的節點為鉸接，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。

彎曲正應力為：σ=MγW=194.425×1031.05×1 750×103=105.8

（3）剪力驗算

由于所有的剛節點均為鉸接，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。

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

2.3.2.2 穩定性驗算

（1）整體穩定性驗算

根據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）（以下簡稱《規范》），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，所以圍檁的整體穩定性滿足要求，不需要進行整體穩定性的驗算。

（2）局部穩定性驗算

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，支撐長度為8.4 m，支撐間距為4 m，支反力70.7 kN/m，計算考慮溫度5 ℃，基坑側壁安全重要性系數為1.1，水平鋼管支撐的彈性模量E為206×103 N/mm2，鋼結構的線膨脹系數為12×10-6。鋼管為529×9 mm2。其主要參數為：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。

長細比：λ=li=84018.4=45.652。

其中，λfy235≈λ=45.652，查《規范》附錄可知，φx=0.874。

（1）支撐總軸力的計算

支撐軸力：N1=1.25×1.1×70.7×4=388.85 kN。

溫度應力：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）支撐所受彎矩的計算

每延米支撐上的荷載q為2 230 N/m，則自重產生的彎矩：

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的壓彎構件的強度計算

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

（4）彎矩作用在對稱軸平面內（繞弱軸）實腹式壓彎構件的穩定性計算

彎矩作用平面內的穩定性：

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 現場施工步驟

具體施工總共有13個步驟，如圖3所示。

3.2 施工要點

（1）在鋼板樁施工時，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，設置具有一定剛度的導向架，以提高鋼板樁圍堰的施工質量。

（2）施工過程中，需要加強鋼板樁之間的鎖口對接，在鎖口內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≤±10 cm，鋼板樁頂標高偏差應≤±10 cm，鋼板樁垂直度誤差應≤1%。

（3）鋼板樁圍堰抽水過程中止水堵漏是一個非常重要的環節。若漏水嚴重，堵漏困難，需要在鋼板樁外側補打鋼板樁形成雙壁圍堰，內側鋪設彩條布，在彩條布與鋼板樁圍堰間填筑黏土進行封堵。

3.3 施工遇到問題及解決措施

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

（2）在鋼板樁插打過程中，部分樁出現了樁身偏差，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導向裝置進行臨時固定，采用測量儀器確保樁身的垂直度，確保垂直后再進行施打。

（3）在施工過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鎖扣等縫隙進行填充，填補鎖扣縫隙處的滲漏，同時采取了止水條等對鋼板樁外側進行包裹，形成防水層，并采取邊抽水邊施打的方法進行施工，不影響工期。

4 結語

三陽河橋主墩水中承臺鋼板樁圍堰已經順利完成施工，在施工過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定性均在控制范圍之內，并且在施工工期內完成了該鋼板樁的打設工作，保證了承臺的安全施工。本文介紹了鋼板樁圍堰在施工過程中遇到的問題以及解決措施。由于鋼板樁圍堰施工方式具有施工進度快、操作方便、鋼板樁可回收以及經濟性高的優點，在水中橋墩施工中具有廣泛的應用前景。三陽河橋鋼板樁圍堰施工方案可為類似水中承臺的施工提供借鑒。

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收稿日期：2023-07-11