河道筑岛拉森钢板桩围堰设计与施工关键技术

2024-07-10罗安邦陈睿基李晓敏

西部交通科技 2024年4期

罗安邦陈睿基李晓敏

摘要：文章结合某高速公路项目桥梁下部结构施工实例，对拉森钢板桩围堰施工中在极端荷载工况下的钢板桩受力情况进行了有限元分析，验证了围堰方案的可靠性和稳定性，并总结了河道筑岛拉森钢板桩围堰施工的关键技术及操作要点，同时针对钢板桩因杂填土或岩层不均匀导致倾斜的问题，提出了多种有效的纠偏方法，为后续施工提供了指导。

关键词：拉森钢板桩；筑岛围堰；深基坑；有限元模拟

中图分类号：U445.55+6 文献标识码：A

文意编号：1673-4874（2024）04-0112-04

0 引言

随着我国基础设施建设的不断深入，桥梁建设面临的复杂工况逐渐增多，桥梁承台时常需要邻水而建，为了防止河道水流涌入基坑，通常采用河道筑岛围堰施工技术。拉森钢板桩河道筑岛围堰施工技术作为一种新型施工技术，具有施工速度快、围堰稳定性好、适用范围广等优点，在桥梁工程中逐渐得到了广泛应用［1］。本文依托广西某高速公路跨义昌江大桥建设工程实例，对拉森钢板桩河道筑岛围堰施工技术进行研究，介绍和分析了拉森钢板桩筑岛围堰施工的关键技术，并对极端工况下拉森钢板桩的受力情况进行有限元分析验算。

1 工程概况

某高速公路悬臂浇筑梁桥跨越义昌江，全长416 m，左、右线主桥桥跨布置均为（44+80+44）m预应力混凝土连续刚构，主墩采用矩形实心墩，过渡墩采用矩形盖梁实心墩，桥墩均采用桩基础。主墩承台位于河岸边，河流河面标高为36 m，主墩承台顶标高均为35.5 m，承台底标高为32.2 m。承台原地面标高为38 m，施工需要进行深达6.8 m以上的深基坑挖掘，因此需要进行筑岛围堰作为施工平台。

2 地质概况

义昌江两侧承台场地岩（土）层自上而下分布为：粉质黏土、卵石、强风化砂岩、中风化砂岩。

3 围护方式设计

根据现场实际条件，并结合以往工程经验，基坑采用拉森Ⅳ型钢板桩进行防护，内设2层围檩，围檩由腰梁及内支撑、角撑组成，腰梁采用双拼Ⅰ45a工字钢，内支撑及角撑采用337 mm×10 mm螺旋钢管。为提高基坑支护结构安全性，保证基坑内部无水环境，该工程采用C30混凝土封底，封底厚度1 m。

3.1 拉森钢板桩插入深度计算

取最不利地质情况计算，地层均设置为粉质黏土层。当开挖至基坑标高而未安装第二层围檩时，为最不利受力情况，计算钢板桩最小嵌固深度t：

t=x+y（1）

x=6Paγ（KKp-Ka）（2）

y=6Pyγ（KKp-Ka）（3）

式中：Ka——主动土压力系数，取值为tan2（45-/2）；

Kp——被动土压力系数，取值为tan2（45+/2）；

K——被动土压力的修正系数，取1.6；

PxPy——分别作用于嵌入土体钢板桩前后的静止土压力。

计算得t=4.92 m。

3.2 拉森钢板桩围堰稳定性分析

为验证拉森钢板桩围堰稳定，需对拉森钢板桩围堰施工过程进行力学分析。

3.2.1 工况选择

河道筑岛并整平场地后，进行拉森钢板桩围堰施工。按设计基坑桩位进行拉森钢板桩插打至设计标高，排水开挖至腰梁以下1 m，完成第一道腰梁及内支撑安装；安装腰梁及内支撑后，基坑继续排水开挖6.8 m后停止开挖，此时安装第二道腰梁；基坑内抽水，灌注封底混凝土，拉森钢板桩围堰施工完成。

当基坑开挖至设计标高，抽水并灌注封底混凝土时，基坑侧壁所受水平荷载最大，因此，选取封底混凝土浇筑前后两个工况进行分析。

3.2.2 边界及荷载计算

取最不利地质情况计算，地层均设置为粉质黏土层，黏土不是完全理想的不透水层，为确保围护结构的安全性，采用水土压力较大的水土分算计算模式［2］。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）第3.1.6条，该基坑属三级基坑，荷载基本组合取1.25倍主动土压力及水压力+0.9倍自重。根据计算结果，荷载施加情况如下页图1所示。

3.2.3 有限元结果分析

采用Midas Civil软件对拉森钢板桩围堰进行有限元分析，模型如图2所示。钢板桩围堰中的腰梁、内支撑、角撑采用梁单元模拟；钢板桩及封底混凝土采用板单元模拟。腰梁与内支撑、角撑，腰梁与钢板桩均采用一般弹性连接；钢板桩底部采用仅约束竖向位移的一般支承边界条件进行约束。

根据现场施工实际情况，拉森钢板桩围堰在工作期间主要受到的荷载有水土压力、施工人群、机械荷载及其动力荷载、材料的自重等。各工况下的应力云图见图3。

3.2.3.1 工况一：开挖至封底混凝土底面

此时，完成腰梁及内支撑安装，基坑继续排水，开挖至设计封底混凝土底面后后停止开挖。

围檩最大组合应力σ=213 MPa。

钢板桩最大组合应力σ=216.3 MPa。

3.2.3.2 工况二：浇筑完成封底混凝土

封底混凝土达到设计强度后，拆除第二道围檩内支撑。

围檩最大组合应力σ=89.8 MPa。

钢板桩最大组合应力σ=243.9 MPa。

3.2.4 结果汇总

由表1可知，在最不利地质情况下，设计的围堰方案均满足要求。

3.3 封底混凝土强度计算

根据《简明施工计算手册》［3］，封底混凝土厚度按式（4）计算：

h=3.5KMbft+D（4）

式中：K——安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.65；

M——板的最大弯矩；

b——板宽，一般取1 000 mm；

ft——混凝土抗拉强度设计值，根据规范，C30为1.43 MPa；

D——考虑水下混凝土可能与井底泥土掺混增加厚度，现场实际处于卵石层或风化岩层，地质情况较好，D取0。

其中，M值可依据封底混凝土按简支双向板计算，公式如下：

M1=a1·p·l21（5）

M2=a2·p·l22（6）

p=γ水·h水-γ混凝土·h混凝土（7）

式中：a1、a2——[JP5]弯矩系数，根据计算跨度l1与l2的[JP6]比值，按表取用，分别为0.051 6、0.043 4；

γ水——水的重度，近似计算取10；

γ混凝土——混凝土重度，近似计算取24；

h水——水深度，取值为5 m；

h混凝土——封底混凝土厚度，取值1 m。

综上，计算得h=1 m，表明封底混凝土采用C30时，厚度至少为1 m。

3.4 基坑渗水与排水验算

根据《路桥施工计算手册》［4］，采用式（8）计算基坑渗水量：

Q=F1q1+F2q2（8）

式中：Q——基坑渗水量（m3/d）；

F1、F2——基坑底面积、侧面积；

q1、q2——基坑底面积侧面积平均渗流量，地层选取渗透率较高的岩层粗砂及大砾石漂石层，则q1取2 m3/h，q2取0.1 m3/h。

根据式（8）计算，Q=F1q1+F2q2=12.1×11.1×2+（12.1+11.1）×2×4.8×0.1=290.892 m3/h。

则水泵排水量V=1.5Q=290.892×1.5=436.338 m3/h。

依据《路桥施工计算手册》中的水泵进口直径与流量对照表，选择2台进口直径20 cm以上离心泵即可满足工程需求。

4 主要工艺流程及操作要点

4.1 筑岛围堰施工

4.1.1 施工流程

施工准备→测量放样→清理河床→筑岛填筑压实→堆放土袋→筑岛加固。施工完成后清除筑岛，清理河道。

4.1.2 操作要点

（1）测量放样：完成实施桥梁桩基主体的测量放样工作并确定筑岛范围。

（2）清理河床：使用挖掘机清理河床，除去透水性强的砂砾石，并填充不透水土。

（3）筑岛填筑压实：采用抛填法进行水下填筑，分层夯实，并逐步推进到河中间，完成后堆码土袋。

（4）堆码土袋：在岛外边坡堆码土袋应错缝、密实平整，迎水面和过水面堆双层土袋，背水面堆单层土袋。

（5）筑岛加固：填筑完成后，进行碾压，铺垫50 cm碎石，即可进行岛内桥体施工。

（6）监测与维护：填筑完成后，用水准仪对标高进行监测，防止沉降过大。设置水尺和观测点进行水位和位移监测，特别是暴雨期间，应加强监控工作。

（7）施工完成后清除筑岛，清理河道：桥梁完工后，按计划拆除施工岛体，以挖掘机装自卸车方式进行水上土方的拆除，水下土方使用抓斗式挖泥机进行开挖并清理河道。

4.2 深基坑施工

4.2.1 施工流程

施工准备→测量放样→钢板桩打设→支撑安装→钢板桩合龙→基坑开挖及内支撑安装→桥梁主体施工→拆除内支撑、拔除钢板桩→回填场地。

4.2.2 操作要点

4.2.2.1 施工准备

（1）测量放样：在进行建筑施工之前，必须对作业区域实施精确的测量和定位，以保证各个施工点的准确性。

（2）钢板桩的吊装、堆放：使用两点吊装法进行装卸，起吊时避免装载过多钢板桩，确保锁口以免受损伤。堆放场地需选择平坦坚固、不易因压力而沉陷变形的地方，并方便运输至施工现场，堆放高度≤2 m。

4.2.2.2 拉森钢板桩施工要点

（1）在进行钢板桩的插入作业时，必须确保桩身的垂直度，若发现桩身偏斜，应立即进行矫正，确保每组钢板桩的倾斜度≤5%。

（2）在打桩过程中，桩顶必须安装桩帽，以防止桩顶受损。同时，应避免过度猛烈的锤击，防止桩尖弯曲，导致后续拔桩作业困难。

（3）在打桩前，应在钢板桩的锁口内涂抹润滑油脂，以便于桩的打入和拔出。此外，还应将防水混合料填充至锁口内，该混合料由黄油、沥青、干锯末和干黏土按2∶2∶2∶1的比例配制而成。

（4）为了精确地打设钢板桩，应采用屏风式打桩法。钢板桩的施打顺序应从水流的上游向下游进行［5］。每6 m设定位桩，两侧安装型钢导向横梁。先用桩板机吊起钢板桩至插桩点，确保锁口对齐，轻捶桩帽。为防止移位，设置卡板固定板桩，并提前计算导梁上板块位置以随时校正。钢板桩安装示意如下页图4所示。

（5）在钢板桩围堰合龙作业进行到后期时，必须先对最后5～7片钢板桩的底部间距进行测定，并据此计算出必需的桩片数量。合龙过程中，可能会遇到两侧锁口不完全平行的情况，例如出现一侧较宽而另一侧较窄，或左右错位等现象。为了解决这些问题，可以采取以下调整方案：①面对较大的上下尺寸差异，可以在合龙口的两侧桩体上点焊一对平行挂耳，然后通过倒链滑车进行拉伸，直至达到规定的平行度；②若尺寸差异表现为上宽下窄，则在闭合口两侧的桩体上部点焊挂耳，并利用倒链滑车进行拉伸，使桩体平行受拉，这有助于确保连接的稳定性；③对于上窄下宽的尺寸差异，应在合龙口两边的桩体上部点焊吊耳，通过倒链滑车进行上部反向外拉和下部相向对拉的操作，持续调整直至满足平行度要求；④尺寸上下都较小时，将合龙口设置在角桩附近，用千斤顶顶推并设置吊耳，通过活动导向迫使钢板桩调整位置。若以上方法无效，可采用特制异型桩进行合龙。

4.2.2.3 基坑开挖及支撑安装施工操作要点

（1）分层开挖，每层厚度≤1 m，清理土方高差以保持均匀深度，避免土方挤压钢板桩。

（2）在进行基坑土方挖掘时，挖掘机械应避免紧靠钢板桩工作。应人工挖掘钢板桩附近的土方，防止机械与桩体发生碰撞而导致损坏。

（3）基坑开挖施工中，应定期复测平面控制桩和水准点。

（4）腰梁及内支撑安装。在围堰合龙结束后，为确保基坑施工安全，必须安装内部支撑。当挖掘至首层设计高程时，应立即安装第一道围檩以加固基坑。后续开挖第二层设计标高后，施作第二道围檩，形式与第一道围檩一致，中间钢管连接部分需额外施作钢板进行加强，开挖至基坑底标高后，进行下一步封底混凝土施作，混凝土强度达到70%后即可拆除第二道围檩。

4.2.2.4 土方开挖期间排水

（1）基坑内，采用集水坑方式，由水泵抽排水。

（2）基坑外，水沟自然来水采用排水沟排到流水点，流入沟河中。

（3）若钢板桩出现裂缝发生漏水：①封堵漏水部位，涂刷防水胶、覆盖水泥砂浆、再涂一层防水胶；②严重漏水可考虑焊接修补，打磨裂缝、焊接、涂刷防水涂料。

4.2.2.5 基底处理

基坑开挖至设计封底混凝土底面标高时，开挖集水坑，利用抽水泵抽水并清理整平底面。清底整平完成后，即可安排浇筑封底混凝土。

5 钢板桩施工精度保障与纠偏

（1）在杂填土或卵石层段，钢板桩在推进过程中极易因石块等侧向压力的不均匀作用而产生倾斜。为矫正这种偏斜，可在钢板桩偏斜的位置，将其向上提升1～2 m，随后再锤击使其下沉。通过这种反复的上下振拔，可以震碎较大的石块或改变其位置，从而修正钢板桩的位置，降低其倾斜程度。

（2）钢板桩打入深度按基底标高控制，遇到坚硬岩层无法打入时，若打入标高低于基坑底，可切掉多余桩体，不再继续打入，或可采用螺旋钻钻孔，方便钢板桩打入，还可通过高压水流（水刀）作为辅助工具，减少贯入抵抗力。

（3）当钢板桩在轴线方向上出现显著倾斜时，可使用异形桩体来进行矫正。这类非标准桩体通常设计为顶部宽、底部窄，或者其宽度超出或低于标准尺寸。根据实际的倾斜程度，可对异形桩进行焊接加工以适配。在倾斜度较轻微的情况下，也可以利用卷扬机或葫芦配合钢索，通过逆向拉紧桩体后进行锤击，以实现矫正的目的。

6 结语

本文结合广西某高速公路跨义昌江大桥建设工程实例，从围堰的设计、验算、施工角度开展拉森钢板桩在河道筑岛围堰施工中的关键技术研究，主要结论如下：