逆作法钢板桩深水围堰多点分层叠加下放内支撑施工技术与应用

王　禹, 周顺华, 费志高 , 沈清卫

(1.中交一公局厦门工程有限公司, 福建 厦门　361000;　2.同济大学, 上海　200092)



逆作法钢板桩深水围堰多点分层叠加下放内支撑施工技术与应用

王禹1, 周顺华2, 费志高1, 沈清卫1

(1.中交一公局厦门工程有限公司, 福建 厦门361000;2.同济大学, 上海200092)

摘要：针对水中承台施工，提出超深水钢板桩围堰采用先撑后围逆作法的施工工艺，基于工程实例对逆作法钢板桩深水围堰的设计、施工工艺流程、内支撑拼装及多点分层叠加下放等关键技术进行了关键性总结，最后结合对围堰结构的三维仿真分析和施工全面监测，验证了逆作法的可行性。

关键词：钢板桩; 深水; 围堰; 逆作法

0前言

对于钢板桩围堰施工[1]，一般采用先打设钢板桩，后抽水安装内支撑的方法进行施工。但对于深水区的围堰，此方法不能满足高水头作用下的结构受力要求，因此需要首先施工内支撑并连接成整体，然后再打设钢板桩的逆作法施工。对于先施工内支撑[2]，传统方法为利用大型浮吊或者分布式千斤顶进行整体式下放，此方法现场拼装工作量大、施工周期长、存在高空作业等问题，且下放方式复杂、安全风险高、经济性较差。针对超深水位的承台施工，本文提出了内支撑多点分层叠加下放技术，降低了施工成本、缩短了工期，并且安全性得到了很好的保障。

1工程概况

穗莞深城际轨道SZH — 5标东江北干流特大桥，主跨(75+125+125+75)m连续梁，东江北为内河 — Ⅲ级航道，百年一遇设计潮流水位3.87 m，通航水位3.59 m，通航净高10 m，测时水位3.085 m，百年一遇设计流量Q=3456 m3/s，对应设计水位3.09 m，设计流速v=0.93 m/s。施工水位3.29 m(5 a一遇设计潮洪水位)。施工水位采用20 a一遇设计潮洪水位+3.36 m，20 a一遇洪水水流速度v=1.5 m/s。施工难度大，控制简支箱梁的运架通过，基础采取施工栈桥配水上施工平台辅助措施[3,4]。

东江北特大桥73#～80#墩8个水中墩均为嵌埋式承台，墩位处水深3.7～12.2 m。桥址区域内的土层主要分布为中砂、粉质粘土、全风化、强风化、中风化含砾砂岩和泥质砂岩。

8个承台主要参数见表1。

表1 东江北特大桥主桥水中承台参数汇总表墩号承台长×宽×高/m基坑底距河床/m水深/m水压+基底土压/m备注73#14.4×8×3-3.86.76.2+3.874#15.8×10.6×3-3.77.57.5+3.7边墩75#19.7×12.8×5-6.77.27.2+6.7主墩76#19.7×12.8×5-5.912.212.2+5.9主墩77#19.7×12.8×5-6.09.18.36+7.0主墩78#15.8×10.6×3-5.98.68.6+5.9边墩79#14.4×9×3-2.97.77.7+2.980#15.8×9.8×3-3.63.73.7+3.6

从表中不难看出，该桥承台最深处为水下12.2 m处，传统的施工方式不能保证施工的安全。

2钢板桩围堰设计

图1　钢板桩围堰立面布置图(单位： mm)

图2　内支撑平面布置图(单位： mm)

8个墩均采用钢板桩围堰施工，73#、74#、79#、80#墩采用SP — Ⅳ钢板桩，75#～78#墩采用SP — Ⅳw型钢板桩。钢板桩最长24 m，围檩内支撑均采用双拼H型钢，2HN700×300、2HN600×200、2HN400×200，材质采用Q235b。以主墩77#墩为例，77#墩处水深8.36 m，基坑开挖7 m，总水头差15.36 m。本围堰采用SP — Ⅳw型钢板桩，桩长24 m，围堰顶高程为+4.79 m，承台底高程为-11.506 m，因地质情况良好，无需封底混凝土，设置垫层30 cm，围堰平面尺寸为22.8 m×15.6 m，共设置5道内支撑，各层内支撑间距为3.4、3、2.5、3 m。其结构形式如图1、图2。

因围堰处水较深，水压力较大[5]，必须先施工内支撑并下放到位，然后进行插打钢板桩抽水施工。内支撑下放利用内支撑多点分层叠加下放装置，通过现场分层拼装内支撑，利用起重机将内支撑分层下放，并放置于承托装置，内支撑多点分层叠加下放。

3钢板桩围堰数值计算

3.1计算工况

因河床以上的内支撑是提前安装下放到位，然后用其做导向插打钢板桩。对于钢板桩围堰计算有如下4种计算工况：

工况1： 1～4层内支撑下放完毕，钢板桩成型后，抽水干挖基坑至第5层内支撑处；

工况2： 第5层内支撑安装后，基坑开挖至承台底50 cm处；

工况3： 第1层承台混凝土浇筑完成后，回填承台与钢板桩间隙，然后拆除第5层内支撑；

工况4： 全部承台混凝土浇筑完成后，回填承台与钢板桩间隙，然后拆除第4层内支撑。

3.2围堰建模验算

钢板桩[5，6]结构验算用有限元软件midas civil建立三维整体模型进行空间分析，整体建模时只考虑钢板桩和内支撑组成的钢板桩围堰，土层与它们之间的相互作用以及内外水压力差均作为荷载考虑。钢板桩采用等截面模量的型钢进行模拟，内支撑和围檩，均按梁单元模拟；建模时，钢板桩和基坑底土层接触处约束采用面弹性支撑中的分布弹性支撑模拟，其余按相关规范取值。结构模型如图3。

图3　结构模型图

3.3验算结果汇总

结果汇总见表2。

表2 围堰结构受力情况汇总工况支撑体系钢板桩最大应力/MPa容许应力/MPa最大应力/MPa工况1123.4185120.7工况2130.3185110.1工况3123.4185120.7工况4130.818555.4钢板桩容许应力/MPa围堰最大变形/mm是否满足23024.3满足23021.2满足23024.3满足23018.6满足

各工况的支撑体系和钢板桩的受力均能满足要求，围堰的变形也在允许范围内。

4逆作法施工要点

逆作法施工主要分为施工准备、水下切割干扰钢护筒、支撑体系安装及下放、钢板桩插打、围堰内抽水及基坑开挖设置盲沟集水井，浇筑垫层、支撑拆除及钢板桩拔除共七部分。

围囹及内支撑杆件的加工采用后场加工，做到统一标准化和通用性，制件运到现场后，在工地整体预组装成品。为了保证结构尺寸准确，钢围囹组件加工在台座上完成。

拼装第4层内支撑，根据第4层内支撑位置，安装内支撑下放及托底装置(共计16个Z形梁)，割除拼装牛腿，并利用2台履带吊沿着Z形竖梁进行下放第4层围檩、内支撑及竖杆,以此方法拼装下放3 — 1层内支撑到设计位置。第5层内支撑后期每个杆件吊放，焊接安装。支撑体系安装及下放见图4。

图4　支撑体系安装及下放

第1层承台施工完毕后，需要拆除底层内支撑进行支撑转换施工。主要方法为在第1层承台和围堰之间的孔隙区域填充砂，并浇筑混凝土圈梁。同样第2层承台施工完后也许浇筑混凝土圈梁进行受力转换，拆除第4层内支撑。其他内支撑拆除前回填砂和回水到支撑底处，依次拆除3 — 1层内支撑。

承台及墩柱施工完成，围堰灌水至内外水头平衡后，可进行钢板桩拔除，按与钢板桩施打顺序相反的次序拔桩，对长桩采取导向框控制拔桩，以防扭曲，折断板桩。

5施工监控量测

本工程中由于围堰长期处于深水高侧水压力中，施工过程中，对钢板桩围堰的工作性状进行了实时监测，监测项目包括桩顶位移、桩身水平位移、内支撑轴力、围堰内外水位等。限于篇幅，此处仅将桩身最大水平位移和钢板桩最大应力的计算结果和监测数据进行对比。77#墩围堰垂直于长边的Z方向中心线钢板桩实测不同工况不同时间状态下桩身最大水平位移和最大应力如图5所示。钢板桩最大位移为58.7 mm，最大应力为144.8 MPa。均在小于监测预警值70 mm和165 MPa。

图5　　　77#围堰最大桩身水平位移和最大桩身应力　　　变化曲线表

通过图5和表2可知，数值计算和现场监测的结果都表明，随着施工的进行，钢板桩桩身的相对水平位移一直在增大，其沿钢板桩的桩身分布和随工序的变化规律基本一致。实际监测数据钢板桩位移比数值计算偏大，主要原因是现场实际施工，钢板桩插打过程中不可能绝对保证垂直且与内支撑完全密贴。因钢板桩垂直度0.5%控制，24 m长钢板桩，可控最大偏位16000 mm×0.5%=90 mm，钢板桩与围檩之间最大缝隙在90 mm内，才导致监测数据桩身位移偏大。但是随着抽水，钢板桩会不断往内支撑上靠拢，且边抽水边将钢板桩与围檩内支撑进行焊机固定，监测数据钢板桩的应力与计算结果相差不大。

6结语

1) 深水承台采用钢板桩围堰采用逆作法多点分层叠加下放内支撑的施工技术，内支撑分层下放，减轻了下放重量，大大降低了安全风险。内支撑多点分层叠加下放的工序简单，施工快速，缩短工期。

2) 逆作法内支撑多点分层叠加下放的设备简单、成本低、操作方便，仅需2台50 t履带式吊车即可完成内支撑的下放。采用此方法施工，安全质量可控、施工进度快，施工投入少，各项质量指标均合格，满足规范和设计图纸要求。该施工方法和措施对今后类似深大基坑施工具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 叶勇, 熊健民, 周金枝, 等. 正交异性钢桥面板模型的仿真分析[J].湖北工学院学报, 2003(3):12-15.

[2] 余波, 邱洪兴, 位立强, 等. 正交异性钢桥面板热点应力的有限元分析[J].特种结构, 2008,25(5):69-71.

[3] 王红平, 涂宏未, 李元生. 东莞东江大桥钢桁梁合龙技术[J].桥梁建设, 2010(2):80-83.

[4] 杨梦纯. 郑州黄河公铁两用桥连续钢桁梁悬臂拼装关键技术[J].桥梁建设, 2010(3) :1-3.

[5] 周水兴.路桥施工计算手册[ M ].北京:中国交通出版社,2001.

[6] 孔令峰.钢桁梁桥正交异性钢桥面板受力分析研究[D].北京:北京交通大学,2009.

中图分类号：U 445.55

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0097-04