粉质软土粘土条件下深水超长钢板桩围堰施工技术研究

肖正恩，朱江川，王寿武

（1.云南云桥建设股份有限公司，云南 昆明 650101；2.昆明理工大学，云南 昆明 650051）

深水基础施工是跨水桥梁中常碰到的问题，深水基础的基坑支护有止水要求高、土质差、易管涌等特点，这也是桥梁承台施工中的一个难点。FSP-Ⅳ型拉森钢板桩围堰重复利用率高、经济性比较好，施工中被广泛应用。刘福星等提出了砂层区长24m 的FSP-Ⅳ型拉森钢板桩支护施工技术。陈长明提出了桩长18 米，水深2.5 米，施工最大水头9.57m，粉土、淤泥质粉质粘土地质条件下，强涌潮地区的FSP-Ⅳ型拉森钢板桩支护施工技术。周新亚等提出了淤泥质粉质黏土，细砂、粉砂等砂性土地质条件下，长26m 的FSP-Ⅳ型拉森钢板桩支护施工技术，结构计算采用许用力法，施工最大水头18.7m。沈维成提出了软土、细砂、粘土地质条件下，长24m 的FSP-Ⅳ型拉森钢板桩支护施工技术。刘跃武提出了粉质粘土地质条件下，长22m 的FSP-Ⅳ型拉森钢板桩支护施工技术。夏颂军提出了淤泥、淤泥质粘土、粗砂地质条件下，施工水深8.2m，长22m 的FSP-Ⅳ型拉森钢板桩支护施工技术。围堰粉质软土粘土条件下，施工水深12m，长24m 的拉森FSP-Ⅳ钢板桩围堰的数值分析和施工技术，本文可为类似工程提供施工参考。

1 工程概况

某公路桥全长4447m，主桥为(97+176+97)m 三跨连续刚构桥，总体布置图如图1。墩台基础均为钻孔灌注桩基础。21#、22#主桥墩常水位水深12m，且承台全部置于水下土层中。每个承台桩基12 根，直径2.5m，承台尺寸为14×19m，承台间距1.05m，高5.0m。施工水位20.73m，河床面高程8.73m，承台底高程2.835m，水面到承台底高差为17.89 米，钢板桩围堰范围内地质为粉质软土、粘土，地质条件不良，各土层参数如表1。

图1 主桥总体布置图 单位:cm

表1 土层参数表

图2 围堰平面布置图 单位:c m

图3 围堰1-1 断面立面布置图 单位:c m

2 围堰结构计算

2.1 荷载工况

根据围堰结构及施工要求，考虑内侧和外侧静水压力、土压力及迎水面的动水压力，选择8 种荷载工况计算围堰结构的应力和变形，找出最不利截面位置和控制值，荷载工况如表2。

表2 荷载工况表

2.2 围堰结构水土压力计算

计算点在水位以下，静不压力和土压力采用水土分算。深度 z 处第i 层土的土压力强度的标准值按公式（1）～（4）计算。

2.3 动水压力计算

动水压力只作用在迎水面上，其他三个面不考虑动水压力作用。动水压力标准值按公式（5）计算。

式中：V—设计流速（m/s），A—围堰迎水面积（m），g—重力加速度,取10（m/s），K—形状系数。

2.4 围堰结构内力计算

围堰结构计算采用Midas/civil 有限元软件，按8 种工况对围堰结构加载。围堰整体最大变形如图4。经计算,围堰结构计算最大位移15.1mm，小于min(h/100,100)=100mm。钢板桩计算最大应力203.6Mpa，小于钢板桩设计应力值265Mpa。内支撑最大轴力141.8Mpa，小于Q235 钢材设计应力值215Mpa。

图4 围堰整体最大变形图

3 钢板桩围堰施工监测

钢板桩围堰属于深水基坑，鉴于其复杂性和不确定性，在理论分析指导下有目的地进行工程监测十分必要。监测从安装第一道内支撑开始至大体积混凝土浇筑的整个承台施工全过程。围堰监测可验证支护结构的实际变形与仿真分析计算的符合程度。基坑开挖时，随着围堰内水位变化和土方的挖出，水压力和土压力重分布，钢板桩和内支撑承受水土压力而不断产生变形。为反映施工期间围堰结构变形情况，对钢板桩顶位移及内支撑轴力进行监测。围堰结构竖向在四个角布置4 个位移测点，在内支撑每层安装12 个应变计，测点布置见图5。8 种工况围堰位移计算值与监测值比较如图6，8 种工况围堰内支撑轴力计算值与监测值比较如图7。从图6和图7可以看出，钢板桩围堰变形及内支撑轴力的理论值与实测值相比偏大。理论值偏大的原因在于采用Midas/civil 有限元软件建模时土压力的计算假定土体为均质、连续，实际土质情况与模拟存在误差。水的计算流速比实际流速大。实测围堰结构顶最大变形14.1mm

图5 监测点平面布置图

图6 围堰位移计算值与监测值比较图

图7 围堰内支撑轴力计算值与监测值比较图

4 结语

粉质软土粘土地质条件下，水深12m，可采用桩长24m，设置7 道水平围檩的FSP-Ⅳ型拉森钢板桩。围堰结构计算时，考虑内外侧静水压力、土压力和迎水面动水压力。选取8 种荷载工况，采用数值分析计算围堰结构的应力及变形。静水压力和土压力计算时，采用静水压力和土压力分别计算。围堰基坑先安装支撑并回灌水至施工水位后再开挖，开挖完成后浇封底混凝土，抽干围堰内的水后浇承台混凝土。施工过程中对围堰结构变形和应力进行实时监测，实时预警，确保钢板桩围堰的顺利实施。数值分析计算和实时监控结果表明围堰结构及施工符合要求。本工程已顺利完成，可为类似工程提供施工参考。