长悬臂不等高双排钢板桩在海域围堰中的应用

2022-03-19彭焱森

广东公路交通 2022年1期

彭焱森

(广东省公路建设有限公司深中通道管理中心，广东中山 528400)

0 引言

具备防水性能好、高强轻质、可重复使用和环保等多重优点的钢板桩[1]，工程施工中除了起到支护作用外，可大幅度降低土方开挖和减少施工用地，有效缩短工期，并可为水上施工提供临时平台,因此，钢板桩在基坑围堰和防洪护堤[2-8]等工程中得到广泛应用。但并不是在所有地质条件下钢板桩都具有优势，从既有钢板桩应用的工程案例[9-13]不难看出，钢板桩的使用主要集中于粘土、砂性土和浅深度淤泥质土层等地质情况，可取得良好的支护效果。

近年来随着临海工程的逐渐增多，大深度软土地基及环境复杂海域的基坑支护面临不小的挑战。在海洋环境中，采用何种有效的永久或临时支护措施，现阶段并无可靠的施工经验和成熟的技术成果供借鉴，也无针对性的技术规范直接指导。

本文结合工程实际，对软土地层海上围堰中长悬臂不等高双排钢板桩的应用进行探索与分析。

1 工程概况

深中通道宝安机场南侧隧道工程，与沉管对接段主线需要堰筑施工(图1)，围堰沿隧道轴线长度560.5m，宽度为126～216m，轴线全长 1 393.4m，堰体宽10m。地层自上而下依次为淤泥土(平均厚10.3m，最大厚度15m)、粘性土(平均厚3m)和花岗岩层。该工程场区内淤泥层厚度大，具有含水量高、孔隙比大、高压缩性、低强度、低渗透性、易触变和流变等特点，其地基承载力仅为35～60kPa，稳定性极差，在荷载作用下易侧向滑移、挤出及不均匀沉降，对基槽开挖、围堰填筑存在较大的不良影响。

图1 围堰布置

由于本工程位于伶仃洋海域内，周边海域潮汐类型属于不规则的半日潮，平均潮差0.85～1.70m，最大潮差在2.3～3.2m之间。另外，受珠江沿岸强劲的入海径流和狭长的潮汐通道影响，施工海域涨、落潮流速较大，且施工区海域全年受风浪影响。鉴于上述地质情况和环境条件，经综合比较后，采用双排钢板桩实施围堰(图1)，桩长27～35m。清淤施工完成后，钢板桩桩顶至土层距离高达15～18m，且面临如下技术问题：

(1)钢板桩插入坚硬土持力层深度较小，导致悬臂段较长，在外荷载作用下，钢板桩容易产生较大的弯曲变形和横向挠度，桩顶位移大。若强度不够，钢板桩在荷载作用下很快达到承载力极限状态，从而发生材料破坏；若刚度不够，钢板桩在大位移下易发生整体或局部失稳破坏，失去结构的正常使用功能。

(2)插打后钢板桩自由长度高达15～18m。施工过程中受风浪、潮汐的影响大，施工定位控制难度较大，垂直度控制困难；打设成排后钢板桩在内外压力差的作用下，易随地层一同倾斜，垂直度难以保证。

2 海域长悬臂钢板桩施工控制

2.1 钢板桩施打

在淤泥质海域施打钢板桩，潮汐和大风等不利环境因素加大了施工难度，影响施工误差控制，加上本工程钢板桩底部约束长度短，外露自由长度大，工程施工面临较大挑战。为此，围堰钢板桩采用起重船配振动锤沉桩，利用钢管桩安装双排槽钢作导桩、导梁和导架等定位导向装置，以桩尖设计高程作为主要控制标准，顶部设置一道围檩及钢拉杆固定。钢板桩施工流程如图2所示。

图2 钢板桩施工流程

(1)为确保在复杂海域钢板桩插打的位置准确，应设置定位桩。本工程定位桩采用φ50cm钢管桩，桩长24m，间距11m，打入深度18m。在水中沿线性插打两排，两排钢管桩中心间距为0.36m。

(2)将制作好的双排双层导梁焊接在钢管桩上面，用以导向。导梁采用32号工字钢制作，具有一定的竖向和侧向刚度，保证施打时不变形。在打钢板桩时，注意要采用两个夹具前后夹住钢板桩(图3)。

图3 导向架

(3)起重船配振动锤逐块插打钢板桩，需严格控制好桩的垂直度，尤其是第一根桩打入时应加强定位和双向垂直度的检查控制，确保位置准确，竖直下沉。

(4)内排桩有27m、30m、32m等三种长度，外排桩较内排桩长3m。由于航空限高的要求，钢板桩需分两段施打，第一段钢板桩打入完成后焊接第二段钢板桩，采用拼组插入、间隔沉桩的方法进行施工，直至全部打入完成后，对锁口位置进行点焊，确保钢板桩整体成型。

(5)内外排钢板桩顶部之间设置φ60mm@ 1 500mm的钢拉杆，钢拉杆安装处设置一道围檩，其构造如图4所示。

图4 双排钢板桩平面

2.2 纠偏及合龙控制

施工时采用逐根打入的方法，第一根钢板桩的垂直度控制非常重要，后续施工的钢板桩需以第一根钢板桩为控制向导。为此，探索适合于环境复杂海域钢板桩垂直度的控制措施：

(1)严格控制第一根钢板桩的垂直度。施工时，钢板桩腹板紧贴导向梁，利用导向梁确保钢板桩轴线准确；在第一根桩的端头设置限位卡(图5)，确保第一根钢板桩的位置准确，同时在打设过程中，采用不少于两台全站仪在不同位置进行交汇测量，及时调整钢板桩的垂直度，确保第一根钢板桩的垂直度。

图5 钢板桩施打限位卡

(2)连续逐根打设时，以第一根为垂直导向。由于钢板桩一侧为锁扣摩擦，一侧无摩擦，两侧受力不均，易导致钢板桩往不受力的一侧倾斜。为此，需及时利用手拉葫芦调整前一根钢板桩，并将前一根钢板桩与导向梁固定且钢板桩之间采用钢筋连接。同时往一个方向施工一段时间后，采取反方向施工一段时间，以调整整体垂直度(图6)。

图6 钢板桩整体垂直度调整

(3)钢板桩施工过程中，如轴线方向产生过大的扇形倾斜时，采用异形桩进行纠正(图7～图8)。异形桩加工方式及尺寸需根据现场倾斜情况确定。异形桩加工方案：采用直径630mm、壁厚10mm的钢管桩，一侧开口一侧焊接半边钢板桩的形式，将倾斜的钢板桩包入钢管桩，重新调整垂直度。

图7 矫正桩施工

图8 矫正桩施工现场

由于外侧钢板桩高于内侧钢板桩，需在堰体内侧采取反压土坡确保堰体稳定。为此，合龙需在当天最低潮位时进行，避免合龙后堰内水位高于堰外，不利于堰体的稳定。

合龙口宽约11m，将10～20根钢板桩成排插入导架内，呈屏风状，然后再分批施打。施打时先将两端的钢板桩打至设计标高或一定深度，成为定位钢板桩，然后在中间按顺序分1/3、1/2钢板桩高度呈阶梯状打入。为防止出现钢板桩两端侧口不相吻合的状况，先预测钢板桩最后合龙的状况，采用丈量合龙口长短的方式，来决定钢板桩的宽度，之后制备与其相吻合的钢板桩。在钢板桩合龙过程中，若出现钢板桩与接口不平行，此时就要借助外力，来促使它平行地与合龙口相切。此外，在钢板桩工程围堰合龙处容易出现不平整的状况，如出现上窄下宽，这种情形容易导致最后一组钢板桩难以插打，应采取将距最后一组钢板桩最接近的钢板墙向外部推开的措施处理。

3 长悬臂双排钢板桩稳定性控制

在海域软土地基上施工钢板桩围堰，由于其锚固长度短、悬臂长，受风浪和潮汐影响大，基坑挖淤过程还容易引发软土地层的滑动、推移等风险。即便围堰完成后，由于在各种因素下围堰内外存在较为显著的压差，也可能导致钢板桩围堰失稳。鉴于海域的上述特殊环境和影响，研究提出长悬臂不等高双排钢板桩实施围堰，以提高围堰的整体稳定性。

鉴于目前尚无专门的海域厚淤泥质环境下钢板桩设计、施工和验收规范可供指导，在类似海域的钢板桩围堰设计和施工中，如下稳定性指标需严格控制：堰体抗滑移稳定性、抗倾覆稳定性、整体稳定性、钢板桩入土深度、钢板桩抗渗流稳定性和堰体抗管涌稳定性，并且在关注上述控制指标时，各载荷工况的取舍非常重要。

3.1 堰体抗滑移稳定性

围堰整体抗滑移分析时，滑移面的选择需要考虑可能位于钢板桩底面或原海床面位置，并且可能发生向内或向外滑移。向内滑移时，应按围堰外侧水位采用高水位+波推力和围堰内按降水考虑，围堰内侧及堰体内水位按基坑场坪标高计。堰内反压土坡只计自重，不计反压土坡的被动土压力，且不计滑移面上土体粘聚力；向外滑移时(图9)，应按围堰外侧水位采用低水位+波吸力，堰内侧及堰体内水位按高水位考虑，计入反压土坡主动土压力，不计滑移面上土体粘聚力。

图9 堰体抗滑移稳定性分析

3.2 抗倾覆稳定性

在围堰整体抗倾覆分析时，不动点即倾覆转动中心应考虑：当发生向堰内倾覆时，转动中心为内排钢板桩桩底；向外倾覆时，不动点沿外排钢板桩桩底，同时不可遗漏沿海床面抗倾覆的工况。内倾时外侧水位采用高水位+波推力，围堰内按降水考虑，围堰内侧及堰体内水位按基坑场坪标高计，反压土坡只计自重，不计反压土坡的被动土压力；外倾时，外侧水位采用低水位+波吸力，围堰内侧及堰体内水位按高水位考虑，并计入反压土坡主动土压力。

3.3 入土深度

对于存在风浪等因素作用的复杂海域钢板桩围堰，内外双排钢板桩的入土深度是否足够，需要基于不同的荷载工况考虑：外排钢板桩入土深度应根据外侧水位采用低水位+波吸力，围堰及堰体内水位高水位考虑；内排钢板桩入土深度应基于围堰内低水位，围堰内侧及堰体内水位按基坑场坪标高计，反压土坡只计自重，不计反压土坡的被动土压力。

3.4 抗渗流稳定性

抗渗流稳定性可只考虑外排钢板桩，并根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)[14]的要求进行分析。

3.5 抗管涌稳定性

抗管涌稳定性分析中，对于双排钢板桩的围堰情况，外排桩入土深度应按原海床面至钢板桩底距离扣除回填层厚度计，内排桩入土深度为围堰内侧回填砂层底至桩底距离。为安全起见，挡水高度H按高水位线至基坑侧地坪线以下1.0m左右计。

3.6 整体稳定性

依照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)、《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)[15]和《板桩码头设计与施工规范》(JTS 167-3-2009)[16]，钢板桩围堰整体稳定验算按围堰内降水后，外侧高水位+波推力和外侧低水位+波吸力、围堰内侧及堰体内水位按高水位工况考虑，可采用圆弧滑动稳定性验算(图10)。