水中超长钢板桩围堰施工技术分析

■翁秀燕

（莆田市交通投资集团有限公司，莆田 351200）

深基坑的开挖与支护作为桥梁承台施工的一个重要环节，考虑到海上潮汐变化较大、基底承载力较差、基坑较深的项目特点，基坑开挖的支护结构安全是一个重点问题。钢板桩围堰施工前需对施工方案进行反复的验证和比选，充分考虑工期、汛期、成本等因素，确保施工方案的结构安全性、施工可行性、经济性。

1 工程概况

1.1 主桥结构概况

三江口特大桥位于兴化湾木兰溪入海口，主桥桥型为双塔双索面槽形双箱组合梁斜拉桥，跨径组合布置（95+220+95）m=410 m，主梁宽45.9 m，是目前国内同类型最宽的组合梁斜拉桥；主桥索塔采用H 型钢筋混凝土桥塔，塔高110 m，索塔顶宽40.7 m；索塔基础为哑铃型承台+群桩基础。三江口特大桥桥型布置如图1 所示。

图1 三江口特大桥主桥结构布置图（单位：cm）

三江口特大桥主墩位于木兰溪航道内，主墩承台设计有浮式柔性钢套箱作为防船撞设施，其内套箱在施工期间可兼做挡水结构和承台模板。主桥通过31#、34# 过渡墩与引桥相接，边墩承台尺寸均为(35.6×8.0×3.5)m，承台施工期间采用钢板桩围堰作为挡水结构。34#过渡墩设计桩长45 m，34#过渡墩一般构造如图2 所示。

图2 34# 过渡墩一般构造图（单位：cm）

1.2 水文地质情况

34#过渡墩位于木兰溪岸边，河床标高约+2.000～+3.500 m，水位受潮水涨落潮影响，最高水位+4.040 m。根据勘察钻孔显示，地质分布自上而下分别是冲海积淤泥、淤泥质粘土、卵石、花岗岩。各岩土层特征分述如表1 所示。

表1 桥墩处河床岩土层特征

2 技术方案比选

以钢套箱围堰与钢板桩围堰进行比选，方案比选结果如下。（1）方案一：采用无底钢套箱围堰结构方式。搭设工作平台拼装钢套箱，整体下放，钢套箱壁体嵌入淤泥质土层，并设置2 道内撑支护，清理基底，水下封底后抽水完成，如图3 所示。（2）方案二：采用长钢板桩围堰结构方式。在钢护筒设置导向定位架及第1 道圈梁，搭设钢板桩并嵌入卵石层，在第1 道内撑完成后开挖基底并抛石处理，水下封底完成后抽水，设置第2 道圈梁及内撑，完成抽水，如图4 所示。经过结构安全性、施工可行性、施工工期、施工成本等比较，方案二采用钢板桩围堰方案更具有优势，作为最终施工推荐方案。围堰方案比选内容如表2 所示。

表2 围堰方案比选

图3 钢套箱围堰示意图

图4 钢板桩围堰示意图

3 钢板桩围堰施工工艺

3.1 围堰整体设计

承台基坑采用拉森Ⅳ型钢板桩进行开挖与支护，单根长度为24 m，钢板桩顶标高为＋6.0 m，桩底坐落于卵石层；两层圈梁均采用双拼I45a 型钢，内支撑采用Ф500×10 mm 钢管，其中第1 道内撑标高为＋5.0 m，第2 道内撑标高为＋2.5 m，采用分节预制、节段安装方式；围堰封底采用C30 水下混凝土结构，封底厚度为1.5 m。

3.2 围堰施工工序

主要施工过程如下。工序1：清理河床杂物并修整河床标高为＋0.654 m，在钢护筒上焊接支撑架，在支撑架上安装第1 层内支撑和圈梁（兼做导向），标高＋5.0 m。以圈梁为导向装置，打设钢板桩，打设完成后基坑内开挖至－4.397 m，开挖过程中保持内外水头差为0。托撑示意图如图5 所示。工序2：进行水下抛填片石，填筑厚度为1 m，确保基坑基底承载力满足要求，同时减少封底混凝土与淤泥的掺混厚度。工序3：进行水下封底混凝土施工。封底达到强度后，基坑内抽水至标高＋2.0 m。工序4：在标高＋2.5 m 处安装第2 层内支撑和圈梁，围堰内抽完水，开始承台实体施工。基坑总体设计立面图如图6 所示，基坑内撑结构平面图如图7 所示。

图5 托撑示意图（单位：mm）

图6 基坑总体设计立面图（单位：cm）

图7 基坑内撑结构平面图（单位：cm）

4 围堰结构验算

4.1 基坑结构受力计算方法

基坑结构受力计算方法如下：依据《钢围堰工程技术标准》（GB/T51295-2018）[1]，基坑内侧土压力采用m 法，外侧主动土压力采用库仑法，以弹簧支座简化围堰内支撑、弹簧模拟基坑开挖面以下土体，通过Midas 有限单元进行计算基坑支护结构的内力和变形。

4.2 计算参数

4.2.1 土层参数

钢板桩范围内土层主要为淤泥层，桩底伸入卵石层，根据地质勘察资料及现场补勘，卵石土的内摩擦角参数取30°，围堰处土层参数如表3 所示。

表3 围堰处土层参数

4.2.2 土弹簧刚度参数

挡土构件内侧嵌固段上土的水平反力系数按下式进行计算：

式（1）和式（2）中：ks为土的水平反力系数（kN/m3）；mz为土的水平反力系数的比例系数/（kN/m4）；z 为计算点距地面的深度/m；h 为计算工沉下的基坑开挖深度/m：c、φ 为土的黏聚力/kPa、内摩擦角/（°）；νb为挡土构件在围堰底处的水平位移值/mm，当此处的位移不大于10 mm 时，可取νb=10 mm。

根据《钢围堰工程技术标准》（GBT51295-2018）求得：淤泥土mz=（0.2×1.78×1.78-1.78+8.07）/10=692 kN/m4；卵石mz=（0.2×30×30-30+0）/10=15000 kN/m4。

4.3 钢板桩结构计算

根据施工过程主要分成3 个工况。工况1：封底前开挖基坑；工况2：封底后进行第1 次抽水；工况3：安装第2 道内撑后进行第2 次抽水完成。采用MidasCivil 计算软件对钢板桩围堰进行单桩建模[2]。钢板桩、围堰采用梁单元建模，内支撑采用受拉/杆单元建模；封底混凝土处简化处理为刚性连接，钢管桩入土部分以土弹簧约束加以模拟，围檩与钢管桩连接处为刚性连接，围檩与内支撑共用节点连接[3]。根据初步简算，通过3 个不同工况进行对比，发现钢板桩在工况2 时是最不利情况。其受力结构图如图8 所示。采用MidasCivil 自动计算生成计算结果，如图9 所示。板桩位移及内力验算结果如表4 所示。钢板桩位移及内力验算：钢板桩最大水平位移满足结构受力要求；钢板桩最大弯矩为205.1 kN·m，最大应力为37.3 MPa，小于235 MPa，满足结构受力要求。

表4 钢板桩位移及内力

图8 基坑结构荷载布置图（单位：mm）

图9 计算结果图

4.4 内支撑及圈梁结构计算

两层圈梁均采用双拼I45a 型钢，内支撑采用Ф500×10 mm 钢管。通过对比分析，在工况3 时最为不利，第2 道内支撑圈梁受力较大，分布荷载：q=25.3 kN/m。圈梁组合应力计算结果如表5 所示，简化受力模型图和圈梁组合应力图如图10、11 所示。由表5 结果可知，围檩及内支撑组合应力满足要求。圈梁和内支撑位移计算结果如表6 所示，圈梁和内支撑位移示意图如图12 所示。由表6 结果可知，圈梁和内支撑位移最大值为1.7 mm＜（4300/400=10.75）mm，满足结构要求。

表5 围檩及内支撑组合应力

表6 圈梁及内支撑位移

图10 简化受力模型图（单位：kN/m）

图11 圈梁组合应力图（单位：MPa）

图12 圈梁和内支撑位移示意图

4.5 围堰封底验算

封底厚度按1.5 m 考虑，根据《钢围堰工程技术标准》（GB/T51295-2018）封底混凝土与桩基钢护筒间的容许粘结力取120 kPa，计算围堰抗浮安全系数：

式（3）～（7）中：Kf为抗浮安全系数，宜取1.15；Fw为水的浮力标准值/kN，取30588.6 kN；Puc为波峰时的波浪浮托力，施工区域不涉及，取0；γw为水的容重/（kN/m3）；hw为钢板桩围堰内外水位差/m；An为扣除钢护筒后基底净面积/m2，取410.9 m2；Gc为封底混凝土自重/kN，封底厚度1.5 m，混凝土自重为14792.4 kN；Gz为所有桩基钢护筒及桩基自重/kN；Gg为钢围堰自重/kN；γc为混凝土容重/（kN/m3）；Vc为基底净体积，应扣除钢护筒部分/m3；τ1、τ2、τ3分别表示封底混凝土与钢护筒粘结力、封底混凝土与钢板桩粘结力、钢管桩及钢板桩与土层间的摩阻力，应分别按《钢围堰工程技术标准》（GB/T51295-2018）表4.6.1-1、4.6.1-2 取值，钢套箱围堰不计侧摩阻力；S1、S2、S3为封底混凝土与钢护筒的接触面积、封底混凝土与钢板桩的接触面积、钢板桩及钢管桩围堰入土深度范围外侧接触面积之和/m2；F1取Gz、桩基钢护筒与封底混凝土粘结力τ1S1的最小值/kN，钢护筒与封底混凝土之间的容许粘结力取12 kPa，则粘结力取16625.3 kN；F2取Gg+τ3S3、钢围堰与封底混凝土粘结力τ2S2的最小值/kN，取封底砼与钢围堰的粘结力18432 kN。将以上参数代入Kf=得到Kf=1.65＞1.15，满足要求。

5 主要施工控制工艺

5.1 圈梁及内撑安装

内撑系统的圈梁由2I45a 型工字钢撑杆组成，结构为轴心受压构件，其轴向尺寸应注意严格控制，预制精度要求为±1 cm。圈梁采用在加工场内加工成形，分段下放，并在托撑上焊接成整体。分段方式如图13 所示。

图13 钢板桩围堰圈梁分段示意图

5.2 钢板桩打设

钢板桩围堰桩长为24 m，采用9 m+15 m 两种规格坡口对焊，对焊后打磨平整，加焊加劲板，接长的钢板桩接缝数量单根不得超过1 道，焊接完成的加劲板不应对锁扣产生干扰。

水中钢板桩施打采用圈梁兼做导向，以控制钢板桩的平面尺寸和垂直度，配合液压打桩机逐片插打。钢板桩质量关键点在于第1 片钢板桩的插打，第1 片钢板桩位于上游短边中点，在插打前，在圈梁导向架上设置1 个自制限位框架，插打时背紧靠圈梁导向架，边插打边缓慢下放吊钩。在互相垂直的2 个方向用全站仪观测，以确保钢板桩插正、插直。以第1 根钢板桩为基准，以圈梁作为导向，控制钢板桩的平面尺寸和垂直度，配合液压打桩机逐片插打。钢板桩先从上游的中心定位打设，向两侧延伸插打，上游1 个面打设完成后，一端打设角桩并按图14 顺序继续打设，最后在下游角部合拢。

图14 钢板桩打设顺序示意图

5.3 基坑开挖

钢板桩打设完成后，采用绞吸泵在钢平台上将围堰内淤泥清除，清淤过程中采用4 台15 kW 水泵从周边向围堰内注水，保证围堰内外水头平衡，围堰内外水头差不超过0.5 m，一次清淤至基底。

5.4 水下封底施工

封底采用水下C30 混凝土，采用垂直导管剪球法灌注，封底厚度为1.5 m。封底标高控制在承台标高以下20 cm，承台钢筋绑扎前利用混凝土垫层调平。封底混凝土扩散半径为2.5 m，导管底口距离基底15～30 cm，围堰浇注区共布置3 根导管，一次性无死角完成水下封底混凝土浇筑。混凝土浇筑临结束时，全面测量混凝土面标高，重点检查导管作用半径相交处、护筒周边、围堰内侧周边等部位。

5.5 基坑降水及堵漏

因钢板桩锁口联接处存在不可避免的缝隙，在内外水头压差的压力作用下，外侧水流通过此缝隙进入钢板桩围堰而形成渗漏。在抽水过程中需进行堵漏，采用防漏橡胶条及高密度棉絮，填塞于钢板桩接缝处，有效地防止渗漏。河床底面土层透水性强，需在该处布设黄泥包，以便减缓水的渗透，同时围堰里的渗漏通过设置4 个集水井，利用泥浆泵即可把渗漏的水抽干，保持干水作业。

6 基坑监测

在基坑支护施工过程中，根据施工规范要求需进行支护监测，收集其安全信息，主要包含钢板桩及支护的结构变形、周围河床面变化、基坑内侧基底变化等，综合分析各信息变化过程，并根据分析结果及时优化原设计以达到安全且经济之最终目的。结合本项目深基坑特点，主要监测项目为钢板桩支护结构倾斜及位移监测、内支撑支护结构的轴力及应力监测、周围土体位移监测、基坑内水位观测等。通过围堰结构设计优化，施工过程中采取的有效措施，各项指标最大值统计如下：最大位移为1.1 mm；竖向沉降为15 mm；围堰周边土体累计沉降为25 mm；基坑内水位日变化量≤300 mm。各项监测指标满足施工技术规范要求。

7 结语

三江口特大桥边墩承台为海上深水基坑桩台，基底承载力差。对于这种淤泥质河床较厚的地质条件，通过本文中的结构模型理论计算及关键技术控制措施，采用超长钢板桩围堰，可有效解决类似施工难题，降低施工成本，缩短施工工期，达到预期目标。