经济型组合板桩围堰结构设计及施工

刘宁波，曹勤涛

（中交二航局第六工程分公司，湖北　武汉　430014）

经济型组合板桩围堰结构设计及施工

刘宁波，曹勤涛

（中交二航局第六工程分公司，湖北武汉430014）

以山西运宝黄河大桥主墩承台施工为背景，通过方案比选，介绍了在超大水头差条件下新型组合型板桩围堰的设计与施工，阐述了结构优点和施工要点，可为同类施工提供参考借鉴。

深水围堰；组合板桩；经济型板桩

当水头差超过15 m，现行的临时围堰有双壁钢套箱和钢管桩围堰两种结构形式。采用双壁钢套箱施工，吸泥下沉深度大，施工难度大，若遇河床板结或者较硬土层，围堰难以下放到位，影响工期且钢套箱施工周期长，单片或整体下放难度均较大，后期拆除成本高；若采用钢管桩围堰，锁扣焊接工程量大，加工周期长，且对于承载力较大的土层，打入难度大，对工期较紧项目适用性不强。目前，能达到钢管桩相同刚度的还有日本新日铁公司研制的帽形组合板桩，但须依靠进口，运输及材料成本高，不适于一般项目。针对这种情况，亟需研究设计出一种新型围堰结构。

1　工程概况

运宝黄河大桥工程起讫桩号为K30+339—K32+029，桥梁全长1 690 m。桥跨布置为4×40 m装配式预应力连续T梁桥（引桥）+110 m+2× 200 m+110 m波形钢腹板矮塔斜拉桥（主桥）+ 48 m+9×90 m+48 m刚构-连续组合梁桥（副桥）。桥址区地貌单元属河谷阶地区，地形平缓，无不良地质现象发育。主墩Z2、Z3、Z4承台采用矩形结构，平面尺寸为33.2 m×23.2 m。根据工程地质勘察资料，Z2~Z4承台均位于粉土、细砂层中，承台埋深见表1。其中饱和粉土、细砂具有液化性，地基液化等级为轻微～严重。

表1　承台埋深统计表Table 1　Buried depth of pile capping

承台结构如图1所示。

桥位距离下游三门峡水电站大坝51.4 km，目前三门峡水库基本上采取汛期泄洪排沙、非汛期蓄水发电的运用方式。参照设计说明，2002年11月至今，三门峡水库采用“洪敞”运用方式，即汛期入库流量>1 500 m3/s敞泄，其余时间控制水位≤303.808 m，非汛期平均运用水位≤313.808 m，最高运用水位≤316.808 m（黄海85高程）。

图1　主墩承台结构示意图Fig.1　Schematic structure of pile capping for main piers

2　方案研究及施工方法

2.1方案研究

按照常规深水施工经验，结合桥梁的结构特点，初步拟定双壁钢套箱、钢管桩围堰和组合板桩围堰。“U形板桩+H型钢”组合板桩作为“>15 m水头差”的围堰组成单元，与普通双壁钢套箱围堰、锁扣钢管桩进行比选，见表2。

与新日铁帽形组合板桩结构相比，该新型组合板桩成本为它的1/2，充分体现了其经济性。

后期实际施工中，根据项目现场施工条件及工期安排特点，采用新型组合板桩围堰。利用U形板桩与普通H型钢组合，能大幅度提高板桩的刚度，并减少锁扣焊接量，减少围檩层数，减少体系转换。同时将该组合板桩应用于深水承台施工，打破常规的15 m水头深水承台的围堰结构，有效降低施工成本，大大提高了施工效率。

表2　方案对比表Table 2　Comparison of alternatives

2.2施工工序确定

深水围堰采用后支法施工，拟定施工工序如下：布置钻孔平台，进行钻孔灌注桩施工。低水位时，通过设置导向，沉设组合钢板桩，并保证沉桩精度，通过锁扣合拢，合拢后打开连通阀，保持内外水头一致。设置最上层支撑体系。上层支撑体系安装就位后，打开联通阀，保持内外水头一致，进行水下清淤开挖。带水开挖至基坑底标高后，对基坑底进行整平，并对钢护筒外壁进行清理，剔除浮泥。浇筑水下封底混凝土。封底混凝土达到强度后，关闭联通阀，围堰内抽水至第2层支撑体系以下0.5 m，稳定水头，进行第2层支撑体系安装。第2层支撑安装就位后，按同样的方法安装围堰第3层、第4层支撑体系。待围檩安装完成后，抽干围堰内部水，并注意实时监控。割除钢护筒，进行承台施工。

3　围堰设计

3.1总体结构布置

选用24 mSP-IVw钢板桩+HM588×300型钢焊接而成的组合板桩，进行主墩承台围堰施工[1-4]，围堰距承台边1.2～1.3 m，围堰尺寸为：35.8 m× 25.6 m，见图2。

图2　钢板桩围堰布置图Fig.2　Layout of steel sheet-pile cofferdam

3.2工况分析计算

工况1：清淤到指定深度，准备浇筑封底混凝土，此时安装了第1层围檩。工况2：封底完成，达到强度，抽水到指定标高，准备安装第2层围檩。工况3：继续抽水到指定标高，准备安装第3层围檩。工况4：继续抽水到指定标高，准备安装第4层围檩。工况5：在施工高水位条件下，抽干围堰内部水。

3.3整体模型计算

运用MIDAS整体建模，根据实际施工工序进行施工工况分析，提取最终应力云图，结果表明，结构强度刚度满足要求[1-4]。

4　施工要点

该组合板桩采用U形板桩与普通H型钢焊接的形式，其打桩方式与传统板桩无异，通过振动锤产生的振动力减小钢板桩周围地基土的阻力，易于钢板桩的插入。该方法不易损坏桩头及连接焊缝，打桩效率高，可用于打拔钢板桩。

组合板桩由板桩与型钢焊接而成，刚度较大，两者焊接质量的好坏直接影响组合板桩的刚度。组合板桩的焊接如图3所示。

图3　组合板桩焊接示意图Fig.3　Schematic drawing for welding of composite sheet-piles

现场施工需注意以下几点：

1）普通拉森板桩即U形钢板桩、H型钢可根据实际荷载情况改为工字钢或其他型钢。

2）组合钢板桩采用E50焊条现场焊接，桩接长采用的对接焊缝为Ⅱ级焊缝。

3）钢板桩与型钢间的焊接采用贴角焊，焊角尺寸需10 mm以上，角焊缝外观质量为Ⅲ级。

4）焊接长度L之和与板桩总长度L0比值需大于0.4。

组合板桩由于采用U形板桩进行连接，在水土压力作用下，在板桩锁口产生很大的弯曲剪切力，锁口位于受力墙体的中心，在这种情况下，剪切力未能在锁口连接部位间充分传递，钢板桩的惯性矩和截面模量就会减小[5]。因此，设计了一种降低组合板桩刚度折减的加劲件，如图4。

图4　加劲件布置图Fig.4　Layout of stiffeners

在组合板桩内侧与围檩型钢间设置了加劲件，加劲件包括封口板、顶撑杆和可调挂板。加劲件作用在于将水土对组合板桩的压力转化给围檩支撑系统，从而减小板桩锁扣的挤压力，减低板桩刚度折减，避免锁扣失效和漏水[6]。

5　结语

随着我国交通事业蓬勃发展，在深水区修建大跨桥梁的项目越来越多。新型经济型组合板桩围堰具有强度高、止水效果好、施工便捷等特点，能较好适应深水承台施工的需求。本文对新型经济型组合板桩围堰设计进行了较为详细的介绍，对施工工艺方法及注意事项进行了概述，可为同类工程提供参考。

[1]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

[2]JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].

JGJ 120—2012,Technical specification of retaining and protecting for building foundation excavation[S].

[3]GB 50205—2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

GB 50205—2001,Code for acceptance of construction quality of steel structures[S].

[4]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

JTG D60—2004,General code for design of highway bridges and culverts[S].

[5]薛政群.复合作用力下U型钢板桩锁口联结度与其强度关系[J].海洋工程，1993，11（4）：67-73.

XUE Zheng-qun.The relation ship between U-shaped steel sheet pile's lock connection level and its strength under a compined porce[J].Ocean Engineering,1993,11(4):67-73.

[6] 宋金河，郑文江.水中深基础钢板桩围堰施工技术[J].山西建筑，2006，32（21）：122-123.

SONG Jin-he,ZHENG Wen-jiang.Construction of deep foundation steel sheet pile cofferdam in water[J].Shanxi Architecture,2006, 32(21):122-123.

Design and construction of economical composite sheet-pile cofferdams

LIU Ning-bo,CAO Qin-tao
（No.6 Engineering Branch Company of CCCC-Second Harbor Engineering Co.Ltd.,Wuhan,Hubei 430014,China）

Based on the construction of the pile capping for the main piers of Yunbao Huanghe Bridge in Shanxi Province,the paper presents the comparison of different alternatives and expounds on the design and construction of a new type of composite sheet-pile cofferdam under greater head difference as well as the structural advantages and key procedures for construction of the cofferdam,which may be used as reference for similar projects.

deep-water cofferdam;composite sheet-pile;economical sheet-pile

U655.541

A

2095-7874（2016）05-0013-04

10.7640/zggwjs201605004

2016-01-15

刘宁波（1983— ），男，湖北黄岗人，工程师，主要从事港口工程结构设计工作。E-mail：154674197@qq.com