基于汛期水位变化的双层高低钢板桩围堰施工技术研究

袁攀峰

(中铁十一局集团有限公司，湖北 武汉 430010)

1 工程概况

秋浦河大桥全长1 068 m，跨河主桥为矮塔斜拉桥，桥面宽34 m，9#和10#主墩承台均位于深水中，枯水期施工水位标高+7.5 m，汛期施工水位标高+14.5 m。承台为矩形结构，尺寸为8.3 m×8.3 m×3.0 m，左右幅承台间距5.45 m，基础共采用10根直径1.6 m钻孔灌注桩，桩长25 m。承台及基础结构平面及侧面如图1、图2所示。

图1 承台及桩基础结构平面(单位：mm)

图2 承台及桩基础结构侧面(单位：mm)

9#和10#主墩基础上部覆盖层为素填土和卵石层，地下水主要为松散岩类孔隙水和基岩岩溶-裂隙水。为保证某大桥9#和10#桥墩基础在汛期不间断施工，结合施工工期和地质环境因素，围堰形式的选择较倾向于单层钢板桩围堰、钢套箱围堰及双层高低钢板桩围堰。由于单层钢板桩围堰桩长设计较长，整体刚度小；钢套箱围堰结构刚度大，但要求精度成本太高、工作量大；双层钢板桩高低围堰结构稳定，制作简单且材料可重复利用率高[1-2]，加之施工难度、经济成本、安全指标等方面的研究和对比，确定采用此结构形式进行基础承台及墩柱的施工。双层高低钢板桩围堰的施工工艺主要包括：筑岛施工、插打内侧钢板桩及内部支撑围檩安装、向围堰内注水、浇筑封底混凝土、抽水后施工承台、插打外侧钢板桩、向围堰内注水、抽水安装内部支撑围檩、墩柱施工。

2 双层高低钢板桩围堰设计

依据9#、10#墩基础承台的尺寸和环境因素，双层高低钢板桩围堰及内部构件的设计方案如下：内层钢板桩设计平面尺寸为12.8 m×26.4 m，顶面标高为+8.5 m，底面标高为-9.5 m；围堰内设置三道支撑，支撑从上到下高程分别为7.931 m、4.931 m、1.931 m，第1道围檩和内部斜向支撑均利用型钢H500×200双拼而成，第2、3道围檩和内部斜向支撑均利用型钢H500×200三拼而成，内部横撑均采用∅630 mm×10 mm钢管；外层钢板桩设计平面尺寸为17.6 m×31.2 m，顶面标高为+15 m，底面标高为-3.0 m，围堰内设置三道内支撑，支撑从上到下高程分别为14 m、11.5 m、9.0 m，第1、2道围檩和内部斜向支撑均利用型钢H500×200双拼而成，第3道围檩和内部斜向支撑均利用型钢H500×200三拼而成，内部横撑均采用∅630 mm×10 mm钢管。筑岛顶面标高为+8.5 m，承台底标高为-1.769 m，承台埋深10.269 m，封底混凝土厚度1.5 m。钢板桩、支撑所用钢材型号均为Q345。双层高低钢板桩围堰设计平面及立面如图3～图5所示。

图3 内层钢板桩平面(单位：mm)

图4 外层钢板桩平面(单位：mm)

图5 内外层钢板桩围堰立面(单位：mm)

3 双层高低钢板桩围堰施工技术

3.1 筑岛、内侧钢板桩施工及内支撑安装

清理平整场地，筑岛以两承台中心线为基准，平面尺寸为30.48 m×16.88 m，筑岛填筑土料为素填土，筑岛标高+8.5 m，高出水位1 m。在筑岛上埋设钢护筒、施工10根钻孔灌注桩基础。施工完毕后，在枯水期插打18 m内侧钢板桩至指定标高后合龙。围堰内部开挖基坑，开挖至第1道支撑围檩高程下方0.5 m处后，安设第1道支撑围檩；继续开挖至第2道支撑围檩高程下0.5 m处时，安设第2道支撑围檩；开挖至第3道支撑围檩高程下0.5 m处时，安设第3道支撑围檩。

3.2 封底混凝土、承台施工

基坑继续开挖至承台底部标高后往围堰内注水至围堰外水位，水下吸泥使内部土层至封底混凝土底部标高，水下浇筑封底混凝土，将围堰内水抽走，施工承台，在承台与内部围堰空隙间回填砂土至承台顶面。

3.3 外侧钢板桩施工及内支撑安装

汛期水位上涨前，插打18 m外侧钢板桩至指定标高后合龙。随着汛期水位的逐渐升高，不断向围堰内注水使围堰内水位始终保持与围堰外侧水位持平，达到最高水位处+14.5 m。从围堰内最大水位开始抽水，抽水至第1道支撑围檩高程下方0.5 m处后，安设第1道支撑围檩；继续抽水至第2道支撑围檩高程下方0.5 m处时，安设第2道支撑围檩；抽水至第3道支撑围檩高程下方0.5 m处时，安设第3道支撑围檩，再将剩余水抽走进行后续墩柱施工。

4 双层高低钢板桩围堰结构分析

4.1 确定计算工况

根据双层高低钢板桩围堰的结构尺寸、施工工艺及环境，确定了以下八种不利工况进行结构受力分析：

工况一，待安设完成内层钢板桩第1道支撑后，继续抽水开挖至第2道支撑高程下方0.5 m处。围堰外施工水位标高+7.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位及土层标高+4.431 m。

工况二，安设内层钢板桩第2道支撑，抽水开挖至第3道支撑高程下方0.5 m处。围堰外施工水位标高+7.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位及土层标高+1.431 m。

工况三，安设内层钢板桩第3道支撑，抽水开挖至承台底部高程。围堰外施工水位标高+7.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位及土层标高-1.769 m。

工况四，围堰内注水至与围堰外水位齐平，水下吸泥至封底混凝土底部高程。围堰外施工水位标高+7.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位标高+8.5 m，土层标高-3.269 m。

工况五，水下浇筑1.5 m厚封底混凝土后，抽走围堰内的水，承台施工。围堰外施工水位标高+7.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位及土层标高-1.769 m。

工况六，汛期插打外层钢板桩并注水，从围堰内抽水安设第1道支撑后，再抽水至第2道支撑高程下方0.5 m处。围堰外施工水位标高+14.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位标高+11 m，土层标高+1.231 m。

工况七，安设外层钢板桩第2道支撑，抽水至第3道支撑高程下方0.5 m处。围堰外施工水位标高+14.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位标高+8.5 m，土层标高+1.231 m。

工况八，安设外层钢板桩第3道支撑，然后抽水至承台顶。围堰外施工水位标高+14.5 m，土体标高+8.5 m；围堰内水位及土层标高+1.231 m。

4.2 计算方法及荷载

结构设计计算方法采用容许应力法，钢板桩容许抗弯应力[σ]为210MPa，围檩和钢管及其他钢构件的容许抗拉、抗压和抗弯应力[σ]为170 MPa。施工过程荷载包括水压力、土压力和结构自重等标准荷载，土压力采用水土合算原则；利用等值梁法[3]，计算工况一至工况四内层钢板桩、工况六至工况八外层钢板桩入土深度[4]，验证钢板桩受力情况；计算均取1 m宽度范围进行计算，再利用计算得到的最大支撑反力验算对应的围檩及支撑的受力情况。基础土体参数如表1所示。

表1 土体参数

4.3 结构计算

4.3.1 钢板桩入土深度分析

八种计算工况分别建立钢板桩有限元模型并施加相应荷载[5，6]。采用梁单元模拟单位宽度的钢板桩，并在各道支撑及反弯点所在位置处采用弹性支承模拟约束条件，从而计算得出单位宽度钢板桩的支撑反力、弯矩和变形。由于篇幅有限，内层钢板桩仅列出工况三的模型结果(如图6所示)，外层钢板桩仅列出工况七的模型结果(如图7所示)。

图6 工况三下内侧钢板桩模型结果

图7 工况七下外侧钢板桩模型结果

经验算，各工况下钢板桩最大弯曲应力均小于容许应力，内外侧钢板桩计算长度、打入深度均小于实际，钢板桩最大变形均小于支撑竖向间距的1/400，满足要求。

4.3.2 围檩和内支撑受力分析

由于工况三第3道支撑围檩作用于内侧钢板桩的支撑反力最大(806.4 kN)，将最大支撑反力转化为均布荷载，建立并施加到对应的支撑围檩有限元模型上。工况三下第3道支撑围檩模型与结果如图8所示。

图8 工况三第3道支撑围檩模型与结果

(1)内侧钢板桩第3道支撑围檩的最大组合应力为161.77 MPa≤170 MPa，第3道支撑围檩最大变形为1.09 mm<4 800 mm/400=12 mm，满足要求。

(2)短斜撑所受最大应力σ为27.79 MPa，其断面参数为：面积A=211.6 cm2，回转半径i=20.38 cm，长细比λ=26，查表得稳定系数φ=0.950，σ=27.79 MPa≤φ[σ]=0.950×170 MPa =161.5 MPa，满足受压稳定性要求。

(3)长斜撑所受最大应力为19.84 MPa，其断面参数为截面参数为：A=211.6 cm2，i=20.38 cm，λ=59.9，查表得φ=0.807 6，σ=19.84 MPa≤φ[σ]=137.29 MPa，满足受压稳定性要求。

(4)横撑杆件所受最大应力为68.19 MPa，其断面参数为：A=194.779 cm2，i=21.923 cm，λ=53.8，查表得φ=0.905，σ=68.19 MPa≤φ[σ]=153.85 MPa，满足受压稳定性要求。

经验算，各工况围檩和内支撑受力及变形满足要求。

4.3.3 围堰抗浮稳定性验算

双层高低钢板桩围堰在施工时受到一定的浮力作用，需根据规范进行抗浮稳定性检算。其中封底混凝土自重为G1=11 441.7 kN，封底混凝土与护筒之间粘结力G2=18 840 kN，钢板桩与封底混凝土之间的粘结力G3=29 400 kN；围堰封底混凝土受到的浮力为F=37 877.73 kN，计算得出抗浮安全系数为k=0.9(G1+G2+G3)/F=1.4，故双层钢板桩围堰满足抗浮稳定性要求。

5 结束语

秋浦河大桥9#、10#桥墩基础施工中面临汛期水位上涨的难题，根据水文地质资料、工期进度等因素对合适的围堰形式进行比选，确定采用双层高低钢板桩围堰进行承台、墩柱的施工。依据施工工序和施工工作环境对双层高低钢板桩围堰进行结构受力分析，保证了双层高低钢板桩围堰在施工过程中的强度、刚度及稳定性，并在后期施工中证实有较好的效果。施工经验可为深水汛期施工条件下桥梁基础大型双层高低钢板桩围堰的应用提供参考与借鉴。