裝配式深水組合鋼板樁圍堰設計

付甦，曾健，楊蘇海，王超，鄧松濤

（中交第二航務工程局有限公司 長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北武漢 430040）

0 引言

近年來，隨著中國基礎設施建設的快速發展，眾多大跨徑、深水基礎橋梁應運而生，深水基礎施工技術已成為大型橋梁建設的關鍵技術。圍堰作為水中橋梁樁基礎施工的重要結構，通過側壁和底部結構為承臺和墩身施工提供干施工環境。常用的有鋼板樁圍堰、單壁鋼吊箱（套箱）、雙壁鋼吊箱（套箱）以及組合圍堰結構。而鋼板樁圍堰以其施工便捷、止水效果好、成本低、可重復使用等優點得到廣泛應用。本文以深中通道某深水埋置式承臺施工為背景，介紹一種采用先支法施工工藝，裝配式的內支撐體系，帽形鋼板樁+H 形型鋼的組合圍堰結構。運用數值模擬方法，建立有限元模型對圍堰施工階段展開研究，在計算結果滿足規范要求條件下進行施工，可保證工程的安全，可為同類型項目施工提供借鑒。

1 工程概況

深圳至中山跨江通道東接機荷高速公路，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，與規劃的中開、東部外環高速公路對接，實現在深圳、中山及廣州南沙登陸。項目全長約24.03 km，其中跨海段長22.39 km，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統集群工程。東泄洪區非通航孔橋全長2 640 m，跨徑布置為4×（6×110）m，5#～14#承臺處于深水區，15#～27#承臺處于淺水區，施工期最大流速1.57 m/s，最大浪高2.03 m。其中9#承臺底標高-16.7 m，在設計高水位+3.01 m 時水深19.71 m，屬于超深水基礎。承臺尺寸橫橋向16.5 m、順橋向10.5 m、厚4.5 m，樁基采用6 根?2.5 m 鉆孔灌注樁，承臺為低樁承臺，底部位于河床底5 m。地質斷面從上至下為淤泥、粉質黏土，其中淤泥呈流塑狀，厚度近20 m。

2 鋼板樁圍堰方案

2.1 圍堰形式比選

根據項目實際情況，承臺施工擬選取雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、組合式雙壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰結構形式進行對比分析。雙壁鋼圍堰剛度大、受力好，但是加工復雜、不方便周轉和回收，且需要大型吊裝設備。鎖扣鋼管樁相比單純鋼板樁剛度較大，但是鋼管與圍囹接觸處壓力大，鋼管局部變形大，不適用于較大水頭差的承臺。組合可拆式雙壁鋼圍堰將雙壁鋼圍堰和鎖扣鋼管樁結合起來，剛度大，可周轉，同樣需要大型設備，下沉存在不均勻沉降風險，鎖扣處剛度偏弱，容易發生變形及漏水危險。圍堰結構平面布置圖見圖1。鋼板樁圍堰施工快捷、安全可控、成本低、方便周轉使用，但是板樁剛度小，不適合在水深大、流動力較大的環境下使用［2］。9#承臺施工期最高水位至承臺底的距離接近20 m，若采用鋼板樁圍堰施工承臺，需從板樁剛度、施工工序及內支撐形式等方面來解決這一難題，其結構圖見圖2。

圖1 圍堰結構平面布置圖

圖2 9#承臺組合鋼板樁圍堰結構圖

2.2 板樁型號選擇

目前中國常用U 形鋼板樁，每延米截面模量為874～3 820 cm3。根據經驗，承臺底標高到設計水位的距離大于12 m 時，普通鋼板樁的強度和剛度難以滿足要求。9#承臺的最大水頭差19.71 m，經多次計算比選，決定采用帽形鋼板樁+H 形型鋼的新型組合（圖3）。將帽形鋼板樁的擋土、止水功能和H 形鋼的強抗彎性能相結合，不同型號的帽形板樁與H 形型鋼可根據不同需求自由組合，據統計有200 多種組合截面可供選擇，每延米組合板樁的截面模量可達到3 000～19 970 cm3。 9#承臺鋼板樁圍堰擬采用NS-SP-45H+HN800×300 組合鋼板樁結構。經截面組合計算并考慮折減后，每延米截面模量為12 000 cm3，達到常用U 形鋼板樁的3 倍以上，使鋼板樁圍堰能適應更深的水頭。

圖3 帽形鋼板樁+H 形型鋼組合截面

另外，與鋼板樁相比，中國產H 形型鋼的成本相對較低，而組合板樁截面中H 形型鋼的質量比例達50%～70%，大大降低了材料成本。H 形型鋼與鋼板樁之間的連接可以采用簡單的斷續角焊焊接，可在施工現場或附近的工廠進行加工，使用普通的振動錘進行打樁，施工成本低、效率高。

2.3 圍堰施工工藝

圍囹和內支撐構成的內支撐體系，在圍堰抽水過程中，作為鋼板樁結構的支撐點，其支點數量、支點布置、支點支撐的先后次序，對整體結構的受力影響至關重要［1］。傳統法鋼板樁圍堰施工又稱“后支法”，先施打鋼板樁，后逐層抽水安裝各層圍囹，最后抽水至承臺底實現干施工環境。板樁隨著抽水過程的進行，變形逐漸累積增加，內力增大。為了控制其抽水過程中鋼板樁的變形及內力，一般通過加密設置圍囹支撐系統。因此，圍囹支撐較多，施工復雜，工期長。先支法是預先安裝各層內支撐，然后一次性抽水到位。在抽水過程中，相同荷載下，板樁的支撐點增多，跨度減小，能有效減小板樁和支撐系統的內力，并且能減少鋼板樁在抽水過程中累積變形而導致的內力增大。而且支撐系統提前下放，有助于鋼板樁在流速大的情況下施工定位。一次性抽水到位大大簡化了施工，大幅縮短了工期。

9#承臺水頭差約20 m，采用“先支法”施工工藝。首先在護筒上焊接牛腿及定位下放裝置，利用臨時牛腿現場拼裝圍囹及內支撐，利用起重設備分層整體下放內支撐體系并放置于臨時固定架，見圖4。全部下放定位后插打鋼板樁，然后帶水開挖，水下澆筑封底混凝土。待封底混凝土強度達到設計強度后逐級抽水，并抄墊每層圍囹與鋼板樁之間的縫隙。抽水至封底混凝土頂部后割除鋼護筒，處理樁頭，支撐承臺側模，綁扎鋼筋，澆筑承臺混凝土。承臺混凝土達到強度后，拆除側模，在承臺與鋼板樁空隙間回填砂土分層夯實，頂部澆筑0.5 m 高混凝土圈梁。墩身施工前，安裝每道內支撐體系的四角斜撐，拆除中部與墩身沖突的直撐，完成體系轉換。墩身出水后，圍堰內回灌水，由下至上逐層拆除內支撐體系。最后圍堰內回灌水與外部水位齊平，逐根拔出組合鋼板樁［3，9］。

圖4 分層下放內支撐體系（單位：m）

2.4 便于體系轉換的裝配式內支撐體系

目前鋼板樁圍囹與內支撐大多采用焊接連接，安裝和拆卸麻煩。采用分塊預制、現場焊接，現場勞動強度高、作業風險高，且需要消耗大量的焊接材料；采用整體預制，起吊設備整體吊裝下放，對預制場地和運輸、起吊設備有較高要求。體系轉換、支撐體系拆除時，多采用氣割法，不利于支撐結構的周轉使用，造成材料浪費。

為提高裝配化程度，避免材料浪費，可將圍囹及內支撐分塊加工，用螺栓連接成整體。但是后期墩身施工，需要拆除與墩身相沖突的內支撐并安裝新支撐，進行體系轉換時，由于板樁及支撐體系在前期施工過程中已產生變形，新安裝的內支撐結構長度難以調節和適應。而且圍囹及內支撐大多是有應力施工，舊支撐拆除時因無法釋放彎矩和壓力，容易造成拆除困難，引起施工安全隱患。

9#承臺鋼板樁圍堰采用一種便于體系轉換的裝配化內支撐結構體系。根據結構形式以及起重設備起吊能力，圍囹和內支撐均分塊預制，塊與塊之間采用螺栓連接。拼裝節點處預先焊接連接板、預留螺栓孔，在拼裝平臺通過螺栓裝配成整體。內支撐換撐處，預先在圍囹上設置雙向連接接頭，一頭連接原內支撐，一頭連接新安裝內支撐。墩身施工前，先安裝每道內支撐體系的四角斜撐，再拆除中部與墩身沖突的直撐，完成體系轉換。換撐接頭支座處設置液壓千斤頂，施加預頂力，使舊支撐釋放部分彎矩和壓力，降低舊支撐拆除困難。同時抵消部分板樁和支撐體系的已有變形，保證安裝新支撐后各構件受力更安全有序調整和分配，使換撐工作能安全進行。9#承臺鋼板樁圍堰體系轉換前后結構形式見圖5。

圖5 鋼板樁圍堰內支撐體系轉換前后

3 鋼板樁圍堰計算

鋼板樁圍堰結構采用有限元軟件建立三維空間模型進行計算分析。組合板樁、圍囹、內支撐均采用梁單元模擬［4-5］。組合鋼板樁采用慣性矩和截面模量均相同的箱形截面進行模擬，板樁底部受豎直向上約束。主動土壓力、水流力、波浪力作為荷載施加于鋼板樁上，被動土壓力、封底混凝土均按豎向彈性地基梁理論，采用只受壓彈簧進行模擬［1，6-7］。

3.1 先支法與后支法施工工藝比較

為對先支法與傳統施工工藝進行比較，建立鋼板樁圍堰模型，對板樁圍堰抽水施工過程進行模擬計算［8］。按照后支法的內支撐安裝順序，分別選取抽水至第2～5 層內支撐以下1 m 以及抽水至封底混凝土頂部共5 種工況，對兩種施工工藝的構件應力進行對比，各計算工況見表1［4-5］。

表1 先支法與后支法抽水工況

組合鋼板樁圍堰計算模型見圖6。模型中各層圍囹及內支撐均預先建立，后支法通過建立生死單元理論，根據施工過程，每抽取一定深度的水，安裝一層內支撐，逐層激活每一層內支撐體系單元。

圖6 鋼板樁圍堰計算模型

分別采用先支法與后支法鋼板樁及內支撐體系的應力計算結果見圖7。

圖7 先支法與后支法計算結果對比

由圖7 可知：先支法工藝大幅度降低了鋼板樁和支撐體系的應力，提高了鋼板樁承載效率，使鋼板樁圍堰結構可適應更大的水深。

3.2 裝配式內支撐體系與傳統支撐體系比較

裝配式內支撐體系在換撐接頭處設置支座，安裝液壓千斤頂施加預頂力。選取相同水位浪流條件，對傳統內支撐與裝配式內支撐兩種換撐工藝的結構進行計算對比。

兩種換撐工藝板樁和內支撐結構應力結果見表2。

表2 兩種換撐工藝構件應力比較

由表2 可知：采用裝配式內支撐工藝的板樁應力與圍囹應力明顯低于傳統內支撐換撐工藝，因為裝配式內支撐體系利用換撐接頭處設置的液壓千斤頂施加預頂力，可抵消部分板樁和支撐體系的已有變形，減小了板樁和支撐體系的應力和變形。

4 結論

結合深中通道引橋9#墩承臺實際情況，介紹采用先支法施工的裝配式組合鋼板樁圍堰的設計，并對施工過程進行有限元計算分析。得到如下結論：

（1）帽形鋼板樁+H 形型鋼的新型組合鋼板樁結構，抗彎強度高、止水效果好、施工便利、材料和施工成本低，使鋼板樁圍堰可以適應更大的水深。

（2）先支法施工工藝，提高了鋼板樁和內支撐體系的承載能力，并且避免了鋼板樁和支撐體系隨著抽水過程的進行，變形和應力的累積增加。

（3）便于體系轉換的裝配式內支撐結構，降低了鋼板樁換撐的安全隱患，且可操作性強、構件裝配化程度高。提高了圍堰內支撐體系轉換和材料周轉使用效率，縮短工期，降低施工成本。