施工顺序对钢板桩围堰安全性的影响

2018-06-20李亮

交通科技 2018年3期

李亮

(中铁十五局集团第一工程有限公司西安 710016)

随着大跨径桥梁的发展，钢板桩围堰施工技术因其结构强度高、施工便捷、防水密实性良好等优点，已成为水上施工的首要选择[1-2]。目前，钢板桩围堰工程多采用先抽水再支撑的施工方法，逐层支护，在施工过程中钢板桩围堰因支护未能及时到位，且支护前抽水时已经产生了变形。随着施工逐步积累，在钢板桩围堰工程中将会发生较大的变形，施工风险较高，容易引发安全事故[3-4]。

基于传统施工方法，为了改善钢板桩围堰自身变形，采用在抽水前先设置支撑系统，再一次性抽水到底的改进施工方法。该方法将预先焊接好的圈梁、支撑下放至设计标高，与钢板桩连接好，再一次性抽水到底。就钢板桩围堰的变形而言，改进的施工顺序使支撑系统在抽水前已安装到位，钢板桩结构具有较大的刚度，能较好地控制变形，减小位移，同时避免了常规施工中未支撑先抽水发生的变形累积问题。

1 工程概况

湖北岳口汉江特大桥桥长473 m，桥跨布置为32 m+50 m+93.7 m+260 m+38 m混合梁独塔斜拉桥，桥型布置见图1。

图1 岳口汉江特大桥桥型布置图(单位：cm)

其中P4墩是岳口汉江特大桥主墩。该墩承台平面尺寸为23.7 m×26.9 m、高6 m，位于汉江水面以下，埋置在河床之中，属低桩承台，底部高程16.78 m。P4主墩位于河流中心，采用钢板桩辅助施工主墩承台，钢板矩形桩围堰尺寸为28.02 m×32.0 m，桩长24 m，采用2根SX-27型钢板桩焊接而成，设3层内撑，施工水下封底混凝土，入土深度16.5 m，桩顶标高31 m，最大水位标高30 m，河底高程23.5 m，水下采用2.5 m厚C25混凝土封底。相关围堰及系统参数为：①钢板桩采用SX-27钢板桩，每米钢板桩抗弯截面系数W为2 700 cm3；②圈梁第一道采用2HN588×300，第二道采用2HN700×300的焊接双工字型截面，第三道采用2HN900×300的焊接双工字型截面；③第一道支撑采用直径630 mm×壁厚6 mm的圆管撑、第二、三道支撑采用直径820 mm×壁厚12 mm的圆管撑。围堰平面及立面布置见图2～3。

图2 P4主墩围堰平面布置图(单位：mm)

图3 P4主墩围堰立面示意图(单位：高程，m;尺寸，mm)

2 钢板桩围堰工程施工方案对比

汉江特大桥梁P4主墩钢板桩围堰工程采用改进的钢板桩施工方案，对钢板桩围堰支撑体系进行水下支护。施工流程如下。

1) 施工准备，同时将挂篮等吊装系统安装到位。

2) 将第一层圈梁提升至+29.5 m临时放置，第二、三层圈梁提升至+28.5 m、+25.0 m。

3) 安装第一、二层圈梁内支撑，对第二层圈梁临时抄垫完成后抽水至+24.5 m。

4) 安装第三层圈梁内支撑，完成后回灌水。

5) 水下清淤，去除多余土体，并整体下放第一、二、三层圈梁至设计位置。

6) 水上抄垫第一层圈梁，水下抄垫第二、三层圈梁。

7) 最后吸泥、封底、抽水、承台施工。

8) 第一次承台浇筑完成后，承台与钢板桩之间填砂并浇筑混凝土，等强后拆除第三层内支撑，施工第二次承台。

上述为改进的施工工艺，传统钢板桩围堰工程施工流程为：施工准备(同时桩基检测)→测量定位→导向桩制作(钢板桩内支撑1)→打钢板桩→挖土→钢板桩内支撑2→挖土→封底混凝土→破除桩头→施工第一级承台→填砂、拆除内支撑2→施工第二级承台。

传统的施工工艺流程中，钢板桩围堰在抽水时，由于内外水压力之差，使得钢板桩围堰发生了变形，逐层积累，最终钢板桩的变形较大，存在较大的安全隐患[5-7]。对比2种不同的施工流程可以发现，汉江特大桥P4主墩钢板桩施工流程，采用2次抽水支护的工艺，首先对钢板桩进行水下临时支护第一、二层支撑系统，保证了抽水时钢板桩围堰体系的稳定，同时也限制了钢板桩的变形。第一次抽水到24.5 m，抽水深度在3.5 m，水压力不至于过大，同时也能进行第三层支撑系统的安装，即保证了施工的进行，也能确保施工的安全性。对围堰内进行再次灌水，保证了围堰内外的水压力一致，钢板桩及支撑体系几乎不受力，再次对钢板桩进行水下支护时，钢板桩围堰无变形积累，钢板桩围堰工程最终变形较小。

3 主要工况受力分析

考虑到施工方法的改变，对主要施工过程进行钢板桩围堰受力分析，以确保结构的安全。分析施工步骤，选取整个施工过程中最重要的3个工况进行分析，分别为：①工况1，第二层圈梁提升至高程+28.5 m，安装内支撑并抄垫，抽水至高程+24.5 m；②工况2，安装第三层内支撑，回灌水，下放第二、三层内支撑下放到位并水下抄垫后，安装第一层内支撑，最后吸泥，封底，抽水；③工况3，一级承台施工完成后，填砂密实，拆除第三层内支撑，施工二级承台。

采用midas Civil建立有限元模型，荷载考虑静水压力及土压力，取1 m宽钢板桩建模计算，在圈梁处建立弹性支座，第二、三层圈梁为只受压、不受拉的弹性支座。根据工况不同，分别假定钢板桩在开挖面以下2.65 m或承台底以下0.5 m处铰结。同时，在midas中采用施工阶段模拟计算后一个工况考虑前一个工况变形对钢板桩及内支撑的受力影响。图4、图5分别为最大弯矩、应力图与圈梁压力图。

图4 最大弯矩、应力图

图5 圈梁压力图

1) 对钢板桩各施工阶段的受力进行分析。由图4可见，工况1钢板桩围堰的最大弯矩为315.1 kN·m，应力值为116.7 MPa，为整个施工阶段过程中的最大值，钢板桩的应力限值为180 MPa，因此，钢板桩结构在施工中保有较大的安全储备。工况2时，钢板桩的最大弯矩值为289.8 kN·m，较工况1下降8%，应力为107.3 MPa。施工进行到工况3时，钢板桩的最大应力为231.2 kN·m，应力值为85.6 MPa。与工况1对比，钢板桩的应力值下降了26.6%(31.1 MPa)，由此可见，随着施工的进行，钢板桩所受应力降低，钢板桩围堰受力更加合理，结构更加安全。

2) 圈梁所受反力如图5，在工况1中，第二层圈梁(暂且替代第一层内支撑)是唯一受力圈梁，圈梁所受反力为93.7 kN。圈梁承担受力主要在工况2和工况3阶段，第一层圈梁所受反力分别为93.2 kN和96.2 kN；第二层圈梁分别为231.4 kN和251.5 kN；第三层圈梁分别为335.2 kN和356.1 kN 。由上述数据可知，各层圈梁所受反力在不同工况中基本相同(相差小于8%)，圈梁受力均匀，可充分发挥材料的特性，减小截面，降低施工难度。

施工过程中圈梁应力如图6所示，圈梁的最大剪应力限值为140 MPa，最大组合应力限值为240 MPa。

图6 圈梁应力图

由图6可见，各层的剪应力值分别为30.5，64，54.9 MPa，均小远于限值140 MPa(最大仅为规定限制的39%)，结构的安全系数较高。同时各层的最大组合应力为97.9，196.5，174.7 MPa，均小于规定限值，且存在一定的安全储备，可降低施工过程中的风险，保证施工安全进行。

钢板桩围堰结构中的直径630 mm×壁厚6 mm内支撑最大拉应力为75.8 MPa，仅为材料受力限值的31.6%(材料允许限值为240 MPa)，最大组合应力为75.8 MPa，也低于限值162 MPa，直径820 mm×壁厚12 mm的内支撑最大拉应力为104.9 MPa，仅为材料限值的43.7%，最大组合应力为104.9 MPa，而组合应力限值为192 MPa，因此，改进的施工方法中钢板桩围堰结构的内支撑能为结构提供较多的安全储备，有效地提高施工安全。

综上所述，结合施工步骤，对钢板桩围堰进行施工仿真模拟，从钢板桩围堰各部件的应力及弯矩角度分析，结构是属于安全的，整个施工过程能够满足工程需求，不存在结构受力上的安全隐患。改进的施工方法能有效地利用材料的性能，降低了施工成本，同时也能较好地保证施工的安全进行。

4 钢板桩围堰施工实时监测

根据工程进度，对钢板桩围堰施工阶段进行桩顶位移沉降监测，结果统计见图7。从监测结果可知，P4墩钢板桩围堰采用的改进施工工艺最大桩顶位移为118 mm，发生在横桥向最大长边跨中处；有限元模拟分析结果表明，改进施工方法，钢板桩的最大桩顶位移为124.6 mm，与实际工程监测结果较为相近，因此可知模拟较为贴合实际，可作为施工参考。

图7 桩顶位移最大值

采用常规施工工艺对实际工程建立模拟仿真研究，分析结果表明：本工程若采用常规施工工艺进行施工，3层支撑不能保证施工的安全性，需要对钢板桩围堰进行5道支撑加固，才能保证工程安全可靠进行。常规施工工艺下，钢板桩围堰的最大位移为300 mm左右。对比可知，改进的施工工艺能有效地控制钢板桩的变形，提高钢板桩围堰施工的安全性。