深水钢板桩围堰施工承台技术研究

文｜岳阳市公路桥梁基建总公司 曾霄

无水环境对建筑施工十分重要，基坑支护、导流围堰等均可以营造无水环境，从而方便施工。大型桥梁的施工中，承台、桥墩施工也需要无水环境。钢板桩可以钉入河底地基，利用片层结构挡水，形成密闭的围堰，是桥梁下部支撑结构施工的重要保障。钢板桩围堰施工前，需要确定桩长等参数，从而保证围堰的稳定性和安全性。

1 案例工程概况

芭蕉湖大桥西起芭蕉湖西岸，向东跨越芭蕉湖南部港湾，东至芭蕉湖东岸规划雷公咀路，全桥长925m，桥梁采用（20×40m+4×30m）装配式预制小箱梁，下部基础主要为钻孔桩加板式桥墩。芭蕉湖大桥是岳阳市北环线洛家山建设工程的一部分，北环线洛家山是湖南岳阳城陵矶临港产业新区一条东西向城市快速路，位于芭蕉湖及城陵矶区。修建跨湖大桥既有利于美化当地环境，又可改善市内交通压力，受到市民欢迎。芭蕉湖大桥设计全桥24跨，桥墩按左右幅独立布置，均采用盖梁接花瓶板式墩身。其中4-19跨为水中桩，桩基为技术成熟的钻孔桩，桩径为2米，桩长为20、23、25、27m不等。根据已有资料，芭蕉湖内常水位为26-27m(黄海高程)，最高防汛水位+27.56m，实际水深在4m左右。钻孔桩施工期搭建有钢管桩平台，钻孔桩施工完毕后，插打钢板庄围堰，开始承台和桥墩施工。

2 芭蕉湖大桥钢板桩围堰及其主要参数

芭蕉湖大桥的下部支撑结构以独立承台和板式墩身为主。其中4-20#桥墩采用独立承台结构，承台尺寸为8.2m×3.2m×2.5m。由于4-20#桥墩受水环境影响严重，拟采用钢板桩围堰技术，隔绝湖水和地下水，方便承台和桥墩施工。钢板桩围堰技术在国内桥梁施工工程中较为常见。如银川市黄河机场特大桥基础施工中就采用了钢板桩围堰的技术，梅汕客专揭阳市段枫江特大桥承台施工中也采用了钢板桩围堰技术。钢板桩围堰主要是在水环境中营造无水的微环境，需要考虑水压等引发的安全问题。首先，钢板桩打入水下地基需要有一定的深度，深度过浅不仅基础不牢固而且容易发生管涌。其次，围堰封底混凝土需要有一定厚度，一方面是为了防止河底的地下水上涌，另一方面是增加围堰平台的自重，防止上浮。最后，围堰内必须设置钢支撑，以避免水位上升后水压使得围堰变形或压垮。因此，钢板桩围堰施工前，必须先确定钢板桩长度、封底混凝土厚度和钢支撑的材料学性质等重要参数，从而保证钢板桩围堰的稳固和安全。

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ/TF50-2011)、《国家标准建筑基坑围护技术规程》( JGJ 120-2012)等文件，可以根据理论公式计算出钢板桩围堰各类指标的参数值，同样，根据已有工程案例，也可以获得设计经验。如根据赫宏伟（2019）在黄河机场特大桥基础施工中的分析，该桥梁钢板桩围堰的钢板桩采用15m拉森Ⅳ型钢板，封底混凝土厚度为1.8m，内支撑钢管直径为1200mm。

李克智（2019）在分析梅汕客专枫江特大桥承台施工钢板桩围堰技术后，指出该桥梁4-5号墩的钢板桩围堰封底厚1.5m、桩长 21m，共设有3道内支撑。这些已有的设计经验，为本案例工程钢板桩围堰设计提供了很好的参考。

2.1 钢板桩桩长的确定

钢板桩桩长既与插入水下地基的钢板桩深度有关，也与水体的相对水位有关。水位越高，钢板桩必须越长。按最不利条件考虑，即按芭蕉湖最高防汛水位+27.56m计算，水面以上需要保留4.56m的长度。而水面以下部分，则需要根据土层结构、基坑支护安全等级、流土稳定性安全系数等来确定。本案中，钢板桩施工的土层参数分别为4.0m左右的水深，1.0m左右的淤泥深，8.0m左右的粘性土，2.0m左右的碎石，其下是6.0m左右的强风化岩。抗管涌安全系数计算公式可以用来计算钢板在基坑地面以下的长度安全值。该公式表示为：

式中，K为抗管涌安全系数；ld为围堰插入基坑基地以下的钢板长度(m)；D1为潜水水面或承压含水层顶面至基坑底面的垂直距离(m)；γ'为基坑内土层的重度(kN/m3)；Δh'为基坑内外的水头差(m)；γw为地下水重度(kN/m3)；

根据基坑施工规范要求，抗管涌安全系数需要大于基坑底部流土的稳定性安全系数Kse，基坑支护可以分为一、二、三级，对应的Kse分别不应小于1.6、1.5、1.4。本案中基坑支护等级为二级，抗管涌安全系数的值应大于1.5。且因为是水下施工，潜水水面即湖底面。根据计算，得出ld值大于4.24m即可。即钢板桩围堰只需要插入淤泥层以下4.24m,而钢板桩水面以上长度取最大防汛水位4.56m,两者相加可知钢板桩长度大于8.8m即可。即同时满足水下深度大于4.24m,水面高度超过汛期最大水位。根据施工方现有钢板桩长度的规格，可选择9m和12m长度的钢板桩，打入地基深度可根据湖面水位高低来确定，保证深度大于4.24m。相应的钢板桩长度也可以随着水位调整，低水位区桥墩选择9m长度的钢板桩，深水位桥墩选择12m长度钢板桩。

2.2 封底混凝土厚度确定

封底混凝土是钢板桩围堰底层的封水层，也是围堰内施工的基础支撑层。其与钻孔桩的桩外护筒相连，同时对钢板桩围堰起一定支撑作用。将整个钢板桩围堰看做一个整体，其在水中主要受水的浮力作用，因此，钢板桩围堰的自重以及与钻孔桩外护筒的粘结力必须大于围堰所受到的水的浮力，这样才能保证围堰不上浮和在水中的稳定性。围堰所受到的浮力与其体积有关，可以表示为：，其中为水的容重，为围堰的体积，其主要与承台的设计尺寸有关。本案中承台的尺寸为8.2m*3.2m*2.5m，相应的钢板桩围堰截面尺寸经验值为10.8m*5.8m。围堰底部与钻孔桩的握裹力可表示为N=Q*S，其中Q为粘结力，S为截面积。本案中钻孔工程桩共2根，钢护筒直径为2.2m，混凝土与钢护筒粘结力取150Kpa。根据规范要求，围堰的封底需满足抗浮力安全系数，其计算公式如下。

其中K为抗浮力安全系数，大于1.05即可满足要求，G为封底混凝土的自重，，为混凝土的容重，为混凝土的体积，根据以上公式可以计算出封底混凝土的最小厚度为1.02 m。为确保安全，本案取封底混凝土厚度1.2m。

2.3 钢支撑的基本参数

钢支撑的基本参数可以通过软件模拟计算得出，现有的软件工具如理正机构工具包、TSSD模块均可以开展钢板桩支撑及钢围檩的构件验算。本案中采用理正软件工具包验证。验证以钢支撑强度计算为例，其最不利位置的强度在长边中心点与斜支撑之间。通过钢支撑的最大位移图可以看出（见图1）。

最不利位置强度应力按《钢结构规范》公式(5.2.1)计算。

验证用的支撑型号为609×16钢管。其相应的参数为设计强度为215.00(N/mm²)，屈服强度:235.00(N/mm²)，通过将参数代入公式，设定强度安全系数5.29，可以得出设计材料是够符合安全要求。通过计算，设计所选用的609×16钢管构件在最大载荷下状态安全，稳定满足要求，强度满足要求。

3 施工方案

3.1 钢板桩围堰施工方案

根据上文确定的参数，结合具体桥墩，可以开展钢板桩围堰的施工。钢板桩围堰施工前，清理钻孔桩施工现场，并搭建钢板桩围堰的施工平台。本案中，采用5米宽钢便桥及30×15m长钢平台施工。需要支护钢板桩围堰的桥墩为4-20#。按照芭蕉湖大桥设计要求，4-20号桥墩中，每个桥墩由两个独立的承台基础组成，中间无连接。承台基础面标高为+24.00m，承台高2.5m。桥墩承台基础下采用1.2m厚C30水下砼封底，封底底标高为+20.3m，钢板桩围堰采用小止口拉森FSP-IV钢板桩，内设两道钢支撑。钢板桩桩顶标高为+28.06m，桩长12.0m；钢支撑采用HW400×400型钢支撑，钢围檩采用2HW400×400型钢双拼围檩（见图2）。

整个钢板桩围堰的施工流程如下：

拆除平台、河床清理→设置围堰导向→插打钢板桩→安装第一道围、支撑→抽水、吸泥→封底→安装第二道围、支撑→清理基础、抽水→下道工序。

3.1.1 钢板桩材料检验

图1 钢板桩围堰的支撑位移图

图2 钢板桩围堰示意图

拉森钢板桩具有U型面和两端锁扣结构，每两根钢板桩通过锁口无缝对接，从而紧密连成连续墙，具备挡水功能。拉森钢板桩通过物理锁连以保证防水效果，每块钢板桩的形状的规则性需要保证。一旦有钢板桩上下截面不对称，锁口发生变形和缺漏，则难以形成防水结构或对最终的合龙造成影响。因此，开展钢板桩围堰施工前首先需要对进场钢板桩进行检查、测量、编号和检验等，以确保后续工作顺利开展。检测中，要测量每片钢板桩分上中下三部分的宽度和厚度，上下截面的宽度差值需要在1cm以内。锁口需要结构完整，无变形和缺口。为保证每块钢板桩的锁口正常，应开展锁口检验。以长度2-3m的短桩为试验插拔桩，检验每块钢板桩两端锁扣的连锁性能，不能通过的钢板桩尽量不要选用。如果钢板桩出现小的质量问题，也可以通过焊补、铆补等方式修理，保证每块钢板桩的质量。

3.1.2 钢板桩接长

本案中钢板桩的长度分为9m和12m两类，根据湖面水深状态选择采用哪种长度的钢板桩。如果钢板桩长度不符合要求，则需要接长。将两截短钢板桩焊接一起，即为接长。焊接时，先“U”形内侧，然后焊接外侧。钢板桩接长是必须保证两钢板桩对接顺直，必须保证焊接面平整且焊缝有足够的厚度，焊工水平需要保证，不允许无焊接钢板桩经验者焊接，焊接接长允许误差需要在规定范围内。焊接完成后，还需要重复开展短桩插拔试验，插拔需要通过焊接点，以保证焊接不影响连锁。

3.1.3 钢板桩定位及插打流程

钢板桩插打之前需要先固定导向结构的具体位置。可以用全站仪等辅助施工。在插打钢板桩前先利用钢护筒和栈桥临时准确放样、安装第一层围檩及支撑，并采用第一层围檩作为定位横梁作导向，以保证钢板桩插打的垂直度和平面位置。围檩和支撑临时固定在钢护筒和栈桥上应焊接牢固，并在钢板桩插打后及时焊接支撑牛腿，加固支撑和围檩，确保围檩位置准确不变形。

钢板桩插打

钢板桩从围檩导向中心开始插打。插打可选用合适的插打机械，插打深度根据计算值确定。第一块钢板桩要绝对避免倾斜，弯曲等，深度在设计深度时，还要根据土层状况，插打进较硬基底部。防止第二块钢板影响第一块板的定位。

图 3 钢板桩打入现场图

图 4 钢支撑结构示意图

（1）首根钢板桩打入

用合适的振动锤插打首根钢板桩，第一根拔桩沉放后又兼作其它板桩的竖向导向，故第一根板桩的沉放精度要求较高。履带吊在栈桥上就位，先将钢板桩起吊竖向，在栈桥边临时固定，再吊起振动锤夹住板桩顶部，吊到拟沉放位置，沿导梁自然下降，检查其平面偏位和垂直度，满足要求后开启振动锤，将钢板桩缓慢下沉至设计标高，边插边持续测量其垂直度，出现偏差及时调整。

（2）其余钢板桩打入

第一根钢板桩定位完毕后，后续钢板桩可依据同样操作插打。后一根钢板桩必须沿着前一根钢板桩锁口并紧靠导梁，然后利用振动锤下沉到设计标高。为稳固插打深度，可以将已经插入的钢板桩点焊到导梁上。如果桩的竖直状态有偏差，可以用千斤顶、木楔、导链等进行位置调整，调整中需要精细化操作，一次性纠偏不能太多，以免锁口卡住，影响下一根钢板桩的插打。插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的施工要点。插打中需要多人协调作业，以避免出现偏差。（见图3）。

（3）合龙段钢板桩打入

钢板桩围堰拐角处采用现场加工制作的异型钢板桩。钢板桩围堰合龙位置选择在下游拐角处，钢板桩插打剩下10根左右时，采取先插打合龙，合龙后再施打到设计标高。合龙是关键操作，即影响到围堰的稳定性，也影响到防水性，因此需指定特别反感，本案中合龙采用异型钢板桩合龙法，即根据最终合龙处合龙间隔的大笑，桩型的形状，配置异型钢板桩，通过割补异性合龙桩来保证合龙的严密性。合龙前，计算好异性桩的尺寸，若合龙有误，用倒链或滑车组对位，使之合龙。为保证合龙顺利进行，一般需要采用导链、滑车等工具，因此操作人员必须谨慎操作。合龙完成后即可开始清理基坑，开展封底混凝土施工。但如果围堰漏水则会影响施工进度，因此，在合龙后抽水施工时，要密切注意各锁口渗漏状况。如发生轻微漏水，可以采用棉絮、软布等在内侧嵌塞。如果漏水严重，采取初期堵漏措施后，还应采用将粗砂、锯沫粉、水泥等永久封闭材料进一步将钢板桩锁口密封，直到整个围堰不漏水为止。

3.2 钢支撑施工方案

本案中共设置2层钢支撑，钢支撑安装前先进行预拼，按实际丈量长度并根据钢支撑的结构件模数进行钢支撑的拼接，预拼后两端支点中心线偏心不大于20mm。钢支撑配置时考虑每根总长度比支护结构净距小10～30cm。安装采用两点吊装，吊点一般在离端部0.2L左右为宜，本案中钢支撑的结构示意图如图4所示。

支撑吊装采用吊车一次性架设到位，所有的支撑均在地表完成接装，整体吊装到位，支撑架设质量控制（水平位移、高差、轴线）参照有关施工规范。各支撑的长度尺寸要首先计算好，如果支撑过程中，钢架不能与钢围檩相支撑，则应在围檩面与支撑端头之间加设钢板垫块，并通过千斤顶等工具增加预应力，保证钢架结构与钢围堰之间的轴向支撑受力。在支撑的节点或转角位置，型钢构件的翼缘和腹板均应加焊加劲板，加劲板的厚度不应小于10mm，焊接高度不应小于6mm。

总结

采用钻孔桩技术，结合钢板桩围堰，可以有效地缩短桥梁下部支撑结构的施工时间。围堰在水中的主要威胁是水的压力或浮力，因此，需要选择合适的桩长，并确定钢板桩打入水下地基的深度.此外,封底混凝土层的厚度、钢支撑的结构强度等，均会影响钢板桩围堰的安全性，设计时需要首先确定好此类参数。施工中，钢板桩的打入、接长、合龙等均需要丰富的施工经验，确保围堰不漏水，不变形是施工的关键。