土围堰与双层钢板桩围堰相结合的围堰施工技术分析

王欢

G219线和布克赛尔至塔城至阿拉山口特大桥连续梁2#水中墩承台采用土围堰与双层钢板桩围堰相结合的支护形式。文章介绍了该围堰支护设计方案，并分析了围堰施工步骤与关键工艺，为类似工程提供参考依据。

土围堰;双层钢板桩围堰;支护方案;施工技术

U445.55+6-A-37-126-5

0 引言

当前，随着国家对基础设施建设的大力投入，高速公路的建设过程中出现了很多跨河、跨山谷的特大桥，从而也伴随产生了很多复杂的工程技术问题。本文依托的布克赛尔特大桥跨越舞水和低洼山谷地带，连续梁承台基础位于水中，河床底土层不满足入土深度的要求。针对这种特殊的地质状况，采用何种围堰支护形式对该承台进行施工是本工程极为关键的一环，也是本文的研究重点。

1 工程概况

G219线和布克赛尔至塔城至阿拉山口特大桥，全长1 075.88 m，中心里程DK239+251.21。桥址处为丘陵地貌，两桥台位于山坡上，小里程侧山坡较陡峭。桥梁主要为跨越舞水和低洼山谷地带而设。

本桥（75+125+75） m连续梁涉及水中基础施工的部分包含1#、2#墩，具体桥位布置见图1。本文主要對2#墩水中基础施工支护方法进行研究。2#墩采用桩基接承台基础，承台结构尺寸为20.7 m（横桥向）×15.2 m×5 m，墩高51 m。

桥位处设计为Ⅳ级航道，双向通航尺寸为90 m（宽）×8 m（高）。水流方向为从线路右侧流向左侧，线路法线与水流方向夹角为18°。桥下泉塘从每年9月份到次年3月份为枯水期，4月份开始进入桃花汛，施工区域近五年最高水位发生在7月份，水位为+219.0 m。

2#墩所在河底土层为卵石土和泥质粉砂岩，其中卵石土的覆盖层厚度约1.3 m，其余均为泥质粉砂岩。

2 支护方案确定

由图1桥位布置图可以看出，2#墩距岸边40 m，且2#墩承台底面到极限设防水位的高度有14 m，水头高度>10 m，不宜采用单层钢板桩围堰。由于项目有现成的钢板桩可用，并考虑方案的经济性，可采用双层钢板桩围堰。同时由于河床土层主要为泥质粉砂岩，钢板桩需要有一定的入土深度，故采用土围堰与双层钢板桩围堰相结合的支护形式。

筑岛施作双层钢板桩围堰作为水中基础施工的挡水结构。筑岛设计堰顶高程为+214.5 m，筑岛堰顶宽5 m，迎水面坡度在1∶3～1∶5之间，采用片石笼防护。

围堰呈长方形布置，外层钢板桩尺寸为40.2 m×45.7 m。由于该河床底部特殊，钢板桩入岩的深度为20 cm左右，由于入岩深度较浅，故在钢板桩围堰内增加内支撑两道，内层钢板桩与外层钢板桩之间采用钢管连接。围堰立面及平面布置见图2～3。

3 围堰施工步骤介绍

3.1 施工步骤一

（1）土围堰填筑：采用长臂挖掘机进占法进行围堰填筑，优先挖取舞水河底既有卵石土进行土围堰填筑。若施工区域卵石土不足，自料场开挖土料由自卸车运输至现场进行填筑，填筑土经环保部门同意，需经检测合格，对水源无污染后方可使用。同步进行土围堰注浆，保证围堰止水效果。

（2）插打钢板桩：土围堰施工完成后，采用150 t振动锤进行钢板桩插打，优先进行外侧钢板桩插打，后进行内侧钢板桩插打。同步进行两层钢板桩之间内支撑与钢栈桥施工（注浆与钢板桩围堰施作可同步进行）。

3.2 施工步骤二

（1）钢板桩围堰施工完成后，采用大功率自吸泵进行围堰内抽水，同时采用挖掘机清理内侧钢板桩围堰内填土。

（2）填土清理至+213.7 m高程时，安装顶层圈梁和内支撑。

3.3 施工步骤三

（1）顶层内支撑施工完成后，采用挖掘机继续清理基坑内填土。

（2）填土清理至+210.7 m高程时，安装底层内支撑和圈梁。

3.4 施工步骤四

进行承台施工区域机械放坡开挖，开挖至设计标高后，埋设桩基护筒。为避免护筒偏位采用型钢将12个桩基护筒连接，连接完后回填至基岩顶面。

3.5 施工步骤五

（1）修筑围堰进出土坡便道，临时切除土坡便道处外漏钢板桩围堰。围堰内土坡便道长20.6 m，高6.3 m，坡度为30%，满足旋挖钻（最大爬坡能力35%）出行需要。围堰外便道接U型围堰施工便道。

（2）旋挖钻机进入围堰，开始钻孔桩施工。具体如图4所示。

3.6 施工步骤六

（1）钻孔桩施工完成，采用钢板封闭旋挖钻进出坡道开口，再次进行承台基础开挖。

（2）凿除桩头，绑扎承台钢筋，立模板，浇筑承台。

3.7 施工步骤七

（1）承台施工完成，填土至承台顶面。

（2）施工墩身，墩身施工期间的最高水位为+219.0 m。

4 围堰施工关键工艺介绍

4.1 钢板桩插打

根据现场实际情况及施工条件，本工程钢板桩围堰采用单独打入法。即先由工程测量人员对钢板桩围堰轴线进行精确测量放线，采用钢板桩作为导向桩，并对其进行间隔设置，采用挂绳线作为导线，并利用该导线对钢板桩的轴线进行控制。从一个角部开始对其进行逐块插打。钢板桩在插打的过程中不得停顿。

对钢板桩进行插打时，采用打桩机先对钢板桩进行吊起，然后采用人工进行扶正就位。钢板桩在插打前先对河床底部标高进行详细摸底，从而核算出每块钢板桩的具体插打深度，以保证其插打效果为最佳。

对钢板桩的详细情况摸底清楚后即可插打钢板桩，先从上游开始进行插打，然后往两边逐根进行插打。钢板桩的插打垂直度控制是极其关键的一环，尤其是第一根钢板桩的插打，要从两个面对其进行控制，插打后如不垂直应对其进行局部调整，从而确保后面钢板桩的垂直度不受影响。

4.2 钢板桩拔除

当水中基础全部施工完毕后，即可对支撑和钢板桩进行全部拆除，先对基坑进行回填，然后拔出钢板桩。拔桩施工从下游开始，拔桩时宜用射水、锤击等松动措施。

5 围堰计算分析

5.1 土围堰计算

结合围堰施工步骤，计算时取3种工况对钢板桩围堰进行计算，具体见表1。

5.1.1 基本参数

（1）材质

钢板桩材质为Q295bz，截面特性W=2 270cm3，允许应力[σ]=295/1.7=175 MPa。

（2）土层

根据现场勘测提供的地质资料，承台面以下覆盖层均为粉质泥沙岩。本计算根据规范提供参考值取值计算（《公路桥涵地基与基础设计规范》P.56）。砂土容重取γ=19.5 kN/m3，浮容重近似取γ=9.5 kN/m3，内摩擦角取φ=35°。

主动土压力系数：Ka=tan2（π/4-35°/2）=0.27;

被动土压力系数：

Kp=tan2（π/4+35°/2）=3.69。

5.1.2 工况一计算

（1）钢板桩入土深度计算[2]

设+214.5 m以下入土深度为y：

ea 水=10×（y+1.8）=10（y+1.8）[3]

ea 1=19.5×2×0.27=10.53

ea 2=10.53+9.5×（1.8+y）×0.27=10.53+2.57（y+1.8）

ep 1=19.5×y×3.69=71.96y

計算入土深度底土压力强度等于零的点，K=2。

71.96y×2=2.57×（y+1.8）+10.53+10（y+1.8）

计算得y=0.25。

经计算P/0=37.6 kN。

P/0=（19.5×2×3.69-9.5×0.27-10）x2/6

x=1.31

t=x+y=1.56

入土t 0=1.56×1.15=1.79 m，现场采用9 m长钢板桩，桩底标高208.6 m，设计入土深度为：

（210.7-208.6）=2.1 m>t0=1.79 m，符合要求。

（2）钢板桩受力计算

钢板桩弯矩见图5。

σ=M/W=28.7 kN·m/2 270 cm3=12.6 MPa<175 MPa，符合要求。

（3）圈梁和内支撑计算

圈梁弯矩和内支撑轴力云图见图6～7。

圈梁计算：

σ=M/W=1 285 900 000/17 977 418=71.8 MPa<170 MPa[1]，符合要求。

内支撑计算：

σ=F/A=1 986 000/0.807/31 101=79.1 MPa<170 MPa，符合要求。

5.1.3 工况二计算

9 m钢板桩围堰内填土不考虑。

ea 水=10×8.4=84

ea=9.5×5.9×0.27=15.1

（1）钢板桩计算

σ=M/W=365.7 kN·m/2 270 cm3=161.1 MPa<175 MPa，符合要求。

（2）底层圈梁和内支撑受力计算

圈梁计算：

σ=M/W=2 658 500 000/26 966 127=98.6 MPa<170 MPa，符合要求。

内支撑计算：

σ=F/A=4 021 100/0.856/44 786=104.8 MPa<170 MPa，符合要求。

5.1.4 工况三计算

（1）极限设防水位为+219.0 m时，进行内层钢板桩受力验算（见下页图8）。

9 m钢板桩计算：

考虑9 m钢板桩围堰内填土。

ea 水=10×10.4=104

ea=9.5×5.9×0.27=15.1

ep=19.5×2.1×3.69=151.1

钢板桩计算：

σ=M/W=151.9 kN·m/2 270 cm3=66.9 MPa<175 MPa，符合要求。

（2）极限设防水位为+219.0 m时，外层钢板桩受力验算（见图9）。

①钢板桩入土深度计算

设+214.5 m以入土下深度为y：

ea 水=10×（y+4.5）=10（y+4.5）

ea 1=9.5×y×0.27=2.57y

ep 1=19.5×y×3.69=71.96y

计算入土深度底土压力强度等于零的点，K=2。

71.96y×2=2.57×y+10（y+4.5）

计算得y=0.34

经计算P/0=28.5 kN。

P/0=（19.5×2×3.69-9.5×0.27-10）x2/6

x=1.14

t=x+y=1.48

入土t 0=1.48×1.15=1.7 m，符合要求。

②强度验算

ea 水=10×6.41=64.1

ea=9.5×1.91×0.27=4.90

ep=19.5×1.91×3.69=137.4

钢板桩计算：

σ=M/W=26.0 kN·m/2 270 cm3=11.5 MPa<175 MPa，符合要求。

圈梁计算：

M=80.4×32/8=90.5 kN·m

σ=M/W=90 500 000/1 434 055=63.1 MPa<170 MPa，符合要求。

内支撑计算：

σ=F/A=80 400×3/0.939/9 852=26.1 MPa<170 MPa，符合要求。

5.1.5 计算结论

通过对3种工况进行设计验算，钢板桩的入土深度满足要求，在每种工况下钢板桩的强度及圈梁、内支撑的强度均符合设计要求。各杆件在满足要求的情况下均有一定的安全贮备，各杆件截面的选用未造成材料的浪费，方案的设计较为合理。

6 结语

布克赛尔特大桥跨越舞水处采用连续梁，该连续梁2#墩位于水中，因承台底面到极限设防水位的高度有14 m，并考虑到钢板桩的入土深度，采用土围堰与双层钢板桩相结合的支护形式。本文首先对围堰的施工顺序及关键工艺进行详细介绍，然后通过Midas Civil有限元软件对其进行建模并计算分析。通过计算可知，钢板桩、圈梁及内支撑的强度均满足要求，所选用的杆件截面未造成材料的浪费，所设计的方案满足现场施工的需求。该方案适用于深水基础施工，可为以后类似工程提供可参考的依据。

参考文献：

[1]GB50017-2017，钢结构设计标准[S].

[2]周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，1995.

[3]赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.