软弱地质条件下钢板桩围堰安全性分析

蒋晖 李志劲 李沛洪

广州市第二市政工程有限公司 510060

引言

承台作为桥梁承受荷载的重要结构之一，其施工是桥梁施工的关键环节，因此需要对承台施工进行质量控制，其中钢围堰作为承台施工的辅助设施需要得到必要的关注。众多学者对承台施工展开研究，例如黄松雄、张志安等对深水围堰施工技术进行研究［1-4］，蔡晓男、戴良军等对特殊地质条件双壁围堰施工进行研究［5-10］。深大承台施工越来越广泛，随着钢围堰施工出现的风险如钢板桩变形垮塌、漏水现象时常发生［11-13］，作为承台施工的先行环节钢围堰安全性值得深入研究。本文针对处于潮汐变化、淤泥质砂和强风化泥岩的软弱地质条件钢板桩围堰进行安全性分析，采用有限元软件建立钢板桩围堰，设置边界、荷载、工况条件，分析危险工况条件下钢板桩围堰变形和受力特性，在计算结果满足规范要求条件下进行围堰施工，保证了工程的安全，为同类型项目施工提供经验。

1 工程及地质概况

南浦三桥主桥跨越大石水道，宽约160m，河床底标高介于-0.86m ～2.42m。由于大石水道属感潮河道，潮汐类型为不规则半日潮，每日有两涨两落，往复流明显，其水位主要受潮流控制，河道水位标高介于4.36m ～6.04m 之间。主桥的8＃、9＃桩位河床标高分别为1.949m ～2.42m、1.865m ～2.215m 之间，涨潮时水深约2.5m ～4.2m之间，本工程主桥8＃轴至9＃轴桩基础及承台采用钢平台及钢板桩围堰施工。主桥8＃轴至9＃轴承台尺寸9.1m×9.1m×4m，属于大体积混凝土，钢围堰设计宽度12m × 12m，采用18mFSPIVa型密扣拉森钢板桩，转角异型密扣拉森钢板桩，围檩采用2＠45a 组合工字钢，内支撑采用平放2＠45a 拼焊工字钢，斜撑采用2＠45a拼焊工字钢，脚撑采用L75 ×8＠2000 角钢，竖向斜撑采用160mm ×160mm 十字撑，钢围堰立面见图1。

图1 钢围堰立面（单位： mm）Fig.1 Elevation of steel cofferdam（unit：mm）

根据工程地质勘察报告，河床的地质情况由上至下分别是：淤泥质砂、强风化泥质粉砂岩。各土层的工程力学性质参数见表1。

表1 工程地质情况Tab.1 Engineering geological condition

2 钢板桩围堰有限元模型建立

2.1 节点及单元模型简化

采用Midas软件进行建模，围堰有限元模型单元简化如下：钢板桩采用厚度为13mm 板单元，划分尺寸为500mm ×100mm；围檩及支撑简化为梁单元；封底混凝土简化为1000mm 四边形划分的实体单元，采用线弹性本构模型进行分析。围堰模型见图2。

图2 围堰模型Fig.2 Cofferdam model

2.2 边界条件设置

钢板桩底约束：一般支承DZ；封底混凝土底约束：一般支承D-all；围檩与钢板桩之间连接：一般弹性连接仅受压SDX＝1000kN／mm；围檩与承托牛腿之间连接SDX＝1000kN／mm，SDY＝10kN／mm，SDZ＝1000kN／mm，SRX＝0rad，SRY＝0rad，SRZ＝0rad。

2.3 荷载组设置

根据围堰施工过程的各种工况，本模型共设置包括自重，第一、第二、第三、第四、第五道支撑（封底混凝土）设置时的水压力，第三、第四、第五道支撑（封底混凝土）抽水开挖时的钢板桩外侧主动土压力共九组施工荷载。其中，假设封底混凝土底下的坑内被动土压力和钢板桩外侧的主动土压力相平衡。

2.4 工况设置

根据施工过程，确保围堰在实施抽水和开挖河床土方过程中堰体安全稳定，结合支撑的先后安装顺序，将围堰分成11 个工况进行分析，如表2 所示。本文假设在承台施工完毕后，将围堰下方土压力及水压力转换至桥梁承台结构，再实施墩柱施工。

表2 工况设定Tab.2 Setting of working conditions

续表

3 工况分析

工况分析主要关注钢板桩围堰变形及钢结构围檩支撑的应力变化，要求整个堰体水平变形小于作为二级基坑监测规范要求。根据《深基坑工程设计施工手册》规定二级基坑支护结构最大水平位移允许值取Mmax＝0.005H＝0.005×18000 ＝90mm，其中H为围堰高度取18m，为便于及时发现过大水平位移，取水平位移警戒值M警戒＝50mm。

围堰施工过程中，最大风险在于抽水开挖过程，由于下层支撑未实施，增加的水压力和土压力导致围堰本身变形，围檩弯曲应力、支撑轴力增加。通过使用有限元软件，对风险的施工阶段进行模拟计算，求出变形值和应力值见图3，用于结构验算与指导施工。

图3 抽水开挖过程的力学计算结果Fig.3 Mechanical calculation results of pumping excavation process

经建模计算分析，围堰在各种工况下，水平最大变形f＝31mm ＜水平位移警戒值M警戒＝50mm，能满足变形要求。围檩及支撑最大轴力出现在封底混凝土层开挖及抽水施工过程，但由于各层安装支撑的原因，围堰压力被较好地分散到二、三、四层支撑结构上，使最后一次封底层开挖轴力没有明显增大，也较好地控制了围檩及支撑的应力，保证了承台及墩柱施工安全。整个工况分析中，堰内抽水及开挖至封底混凝土底标高时钢板桩最大弯曲应力控制σ ＝167MPa ＜215MPa，围檩支撑的最大组合应力σ ＝73.4MPa＜215MPa，均满足Q235 钢材215MPa 的应力控制要求，受力情况如图4 所示。

图4 钢板桩应力情况Fig.4 Stress of steel sheet pile

根据图3 和图4，围堰的安全系数有富余，变形及内力均能较好地控制在安全范围内。围堰的结构布置能够使各层围檩和支撑较好地分担水土对堰体的压力，确保施工过程安全。

在计算过程中，计算结果呈现一定规律性：（1）最大支撑轴力始终发生在第二层围檩支撑，下层增加的围檩支撑较好地降低了上层围檩支撑的压力负担；（2）钢板桩围堰在水头压力下，最大变形发生在二、三层围檩支撑之间，因为钢板桩入土有足够深度，封底混凝土下方土层能够提供足够的土弹簧刚度，另外封底混凝土的强大刚度导致钢板桩最大变形发生在围堰基坑中上部，而不是土压力及水压力最大的围堰基坑下部；此外在施工过程中，需要注意围堰中上部的止水封堵，可以采取潜水员用止水布塞堵钢板桩锁扣的办法提升钢板桩止水效果。

4 钢围堰整体稳定、抗管涌及抗浮分析

4.1 整体稳定性

整体稳定性采用瑞典圆弧滑动面条分法，土条宽度为0.40m。滑裂面数据：圆弧半径R＝12.913m，圆心坐标X＝ - 1.341m，圆心坐标Y＝9.615m。经计算整体稳定安全系数Ks＝3.517 ＞1.30，满足规范要求。

4.2 抗管涌稳定性验算

基坑以下有50m 以上不透水强风化泥岩，K＝γD／hwγw＝50 ×20.000／117.200 ＝8.53 ＞Kh＝1.10，基坑底部土抗承压满足要求。其中：γ 为承压水含水层顶面至坑底的土层天然重度（kN／m3）；D为承压水含水层顶面至坑底的土层厚度（m）；γw为水的重度（kN／m3）；hw为承压水含水层顶面的压力水头高度（m）；Kh为突涌稳定安全系数，取值1.10；K为突涌稳定安全系数计算值。

4.3 基坑抗浮验算

在围堰内抽干水而承台混凝土未浇筑情况下，封底混凝土能克服水浮力而不上浮，不考虑钢板桩与河床土层的摩擦力，需满足G＝G1＋G2＋G3≥F＝hγ水（S-4S′）。其中：G1为钢板桩围堰自重（包括钢板桩＋56a工字钢围檩、斜撑、对撑）；G2为封底混凝土重量＝tγ混凝土（S-4S′）；G3为封底混凝土与桩身混凝土的黏着力，取偏小值0.3MPa；S为围堰底面积；S′为桩的截面积。经计算：G＝3099t，浮力F＝1929.6t，安全系数K＝G／F＝3099／1929.6 ＝1.61 ＞1.2，故围堰抗浮是安全的。

5 钢围堰施工流程

在各工况受力满足安全性要求情况下进行钢围堰施工，步骤如下：

（1）当桩基础浇筑完成后，拆除局部桩基础施工钢平台，用汽车式起重机振打18m密扣拉森钢板桩FSPⅣ型，形成密封的钢板桩围堰，堰内抽水至首层支撑底标高，在钢护筒上面伸出钢托架，安放、拼装焊接第一道钢围檩，钢围檩顶面标高6.80m。并且在钢板桩围堰的迎水面水位标高（＋7.60m）下标高为＋5.00m 处设置导流管法兰及法兰开关，用于后期堰内进水。

（2）在钢板桩围堰内侧边长12m等分设5道钢托架，将钢围檩由支承在护筒上的托架转移至支承在钢板桩内侧的托架上。低水位时，拆除护筒上的钢托架，切割、吊离钢护筒至标高＋6.15m。利用每日河流两次涨退潮低水位在＋6.15m 以下时，安装第一道钢围檩内侧的首道钢支撑。

（3）当第一道内支撑安装调试完毕后，用抽水泵将围堰内积水抽到标高＋3.50m 处，继续切割移走钢护筒至＋3.50m，然后安装第二道钢围檩和内支撑（标高＋4.00m）。当第二道围檩和内支撑安装调试完毕后（图5），打开＋5.00m 处导流管法兰开关，让河水回流到围堰内，当围堰内外水位持平后，开始带水开挖围堰内土方至-5.8m。关闭导流管，用抽水泵将围堰内积水抽到＋0.7m 处，继续切割移走露出水面的钢护筒至＋0.7m处，在钢板桩上面焊接托架，然后安装第三道钢围檩和内支撑（标高＋1.5m）。当第三道内支撑安装调试完毕后，用抽水泵将围堰内积水抽到标高-1.6m处，继续切割移走露出水面的钢护筒至- 1.6m，在钢板桩上面焊接托架，然后安装第四道钢围檩和内支撑（标高-0.11m）。当第四道内支撑安装调试完毕后，用C35 混凝土进行1m厚素混凝土封底。当封底混凝土强度达到设计要求后，用抽水泵将围堰内积水抽到封底混凝土顶面-3.32m处，完成最后的钢护筒切割和清除以及下一步的主墩承台施工。

图5 钢围堰施工Fig.5 Construction drawing of steel cofferdam

6 结语

本文针对软弱地质条件钢板桩围堰的安全性，结合工程实例，采用有限元软件建立钢板桩围堰模型，设置边界、荷载、工况条件，分析危险工况条件下钢板桩围堰变形和受力特性，得到围堰在各种工况下水平最大变形小于水平位移警戒值，围檩及支撑最大轴力发生在工况封底混凝土层开挖及抽水施工时。围堰安全系数有富余，各层围檩和支撑能够较好地分担水土对堰体的压力，围堰整体稳定、抗管涌及抗浮满足规范要求，能够确保围堰施工安全。