阜六鐵路潁河特大橋拉森鋼板樁圍堰設計施工

王建軍

1 工程概述

1.1 工程概況

新建阜六鐵路按客貨共線鐵路160 km時速設計，同時預留200 km時速條件。潁河特大橋主跨采用一聯(lián)(70+120+70)m連續(xù)梁跨越潁河主航道，橋梁法線與河流中心線夾角15°，潁河主航道規(guī)劃為國家Ⅳ級航道，通航凈空不小于8.0 m，通航寬度為90 m，常水位為23.45 m。潁河特大橋跨越水域寬度約200 m。墩位編號32號～55號，其中46號、47號主墩位于潁河主航道內，設計為20根φ2.0 m群樁基礎，設計樁長分別為83 m和86 m。

主墩承臺設計為矩形二階鋼筋混凝土低樁承臺，承臺尺寸為(24.6×19.3×4)m+(13×10×2)m。46號、47號墩承臺位于水中泥面以下，為節(jié)約成本，擬采用30 m拉森鋼板樁圍堰支護系統(tǒng)施工，為全線的控制性工程，且鋼板樁圍堰尺寸大、拉森鋼板樁長為國內最大。本文主要介紹潁河特大橋主跨拉森鋼板樁圍堰的設計與施工。

1.2 地質

潁河特大橋橋址區(qū)域屬淮河沖積平原地貌單元，主要為潁河河床、漫灘及一級階地，地勢平坦開闊，相對高差在0.5 m左右，多為耕地。

根據(jù)設計提供的鉆孔勘探資料，地質資料力學指標參數(shù)如表1所示。

表1 地質資料力學指標參數(shù)

1.3 水文

橋址處河槽寬180 m～210 m，河深8 m～12 m。河道較順直，上、下游不遠處各有一彎道，河段基本穩(wěn)定，灘岸無崩塌現(xiàn)象。

阜六鐵路潁河特大橋橋址處潁河百年一遇設計洪水位為H1/100=32.84 m，最大流量 5 160 m3/s，最大流速 1.79 m/s;五年一遇設計洪水位為H1/5=28.41 m，流量1 900 m3/s，斷面平均流速0.97 m/s。

2 鋼板樁圍堰施工系統(tǒng)的設計

2.1 鋼板樁圍堰結構形式

鋼板樁圍堰的1/2平面圖與立面圖如圖1所示。

潁河特大橋主跨46號、47號墩圍堰采用30 m長拉森Ⅳ型鋼板樁，內支撐系統(tǒng)采用H40a型鋼及L160角鋼。

2.2 鋼板樁圍堰計算

2.2.1 鋼板樁

鋼板樁圍堰內設置了6道內支撐，每道支撐均為鋼板樁的支撐點，封底混凝土也是其支承，按簡支端考慮，把鋼板樁按6跨連續(xù)梁計算，取1 m寬鋼板樁進行計算，其計算簡圖見圖2。

這里應該特別注意:圍堰內基坑的開挖應當在水下進行，即采用濕挖法進行，可以用吸泥機能設備將基坑內土抽出，封底混凝土應當采用水下灌注混凝土的辦法進行封底。

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL進行鋼板樁的內力計算，采用梁單元進行模擬，計算模型如圖3所示。

經有限元軟件MIDAS/CIVIL進行拉森Ⅳ型鋼板樁的內力計算得最大彎矩值79.4 kN·m，拉森Ⅳ型鋼板樁的截面模量為W=2 037 000 mm3，應力 σ =39.0 MPa＜［σ］=180 MPa，支座反力作為荷載作用在內支撐周側。

2.2.2 圍囹

選取受力最大的一道圍囹進行計算，由鋼板樁各支座的反力可知第6道圍囹受力最大，周側作用在圍囹上的荷載為383.5 kN/m，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL進行圍囹的受力分析，采用梁單元進行模擬，計算簡圖如圖4所示。

經有限元軟件MIDAS/CIVIL進行圍囹的內力計算得正應力最大值 σ =138.48 MPa＜［σ］=145 MPa，剪應力最大值為50.07 MPa，小于允許剪應力85 MPa，圍囹的變形最大值為7.06 mm，小于允許變形 11.5 mm。

2.3 封底混凝土厚度計算

以承臺底標高最低的圍堰計算封底混凝土厚度，假設封底混凝土標號為C20，取其抗拉設計值 f=1.10 MPa?？紤]施工階段混凝土的允許彎拉應力取1.5倍安全系數(shù)，則［σ］=0.73 MPa。鋼護筒與封底混凝土間粘結強度也取1.5倍安全系數(shù)［τ］=0.473 MPa。混凝土封底厚度取為3.5 m，考慮到封底混凝土頂面浮漿的存在，則封底混凝土在計算時取有效厚度為3.0 m。

2.3.1 混凝土抗浮力計算

根據(jù)計算得封底混凝土自重與封底混凝土與鋼護筒粘聚力及封底混凝土與鋼板樁粘聚力之和為346 760.9 kN＞水的浮力106 624 kN，封底混凝土抗浮滿足要求。

2.3.2 封底混凝土抗裂計算

由于承臺封底混凝土與鋼護筒及鋼板樁形成握裹支撐，其力的傳遞較為復雜，根據(jù)本承臺樁基布置情況，將封底混凝土看成承受均布荷載的四邊簡支板，簡支板邊長為混凝土灌注樁間距5.3 m，考慮到封底混凝土頂面浮漿的存在，則封底混凝土在計算抗裂時取有效厚度為3.0 m。按照四邊簡支雙向板計算得混凝土拉應力為0.19 MPa ＜［σ］=0.73 MPa，滿足抗裂要求。

2.4 鋼板樁入土深度

封底混凝土下部為粉質黏土，因此需要根據(jù)地基的抗隆起穩(wěn)定性來確定鋼板樁的入土深度，根據(jù)計算可得鋼板樁長度為30 m。

2.5 整體穩(wěn)定性驗算

鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定性表現(xiàn)圍堰在動水壓力作用下的抗傾覆能力。該動水壓力與鋼板樁入土深度范圍內所受的土壓力相平衡。作用在鋼板樁上的動水壓力，簡化為作用在水深1/3高度處的集中力，由封底混凝土以下的被動土壓力來平衡，計算得穩(wěn)定系數(shù)為3.83＞2，整體穩(wěn)定滿足要求。

3 鋼板樁圍堰的施工及拆除

3.1 鋼板樁圍堰施工

3.1.1 施工工藝流程

鋼板樁圍堰施工工藝流程為:插打鋼板樁→鋼板樁合龍及封底→安裝圍囹支撐體系→澆筑底層承臺→體系轉換→墩臺身施工→拆除鋼圍堰。

3.1.2 主要施工方法

1)鋼板樁插打。

利用安放在初始作業(yè)平臺上的50 t履帶吊機配合振動錘插打。鋼板樁插打應從一角開始，先打入角樁，然后以第一根角樁為基準，再向兩邊對稱插打鋼板樁。鋼板樁插打要隨時以導梁為準，檢查所打的鋼板樁的位置是否準確，垂直度是否合格，及時實施糾偏。插打鋼板樁前對鋼板樁槽內塞黃油、摻鋸末，以增強止水效果。

2)鋼板樁的合龍施工。

鋼板樁合龍應選擇在角樁附近(一般離角樁4片～5片)，如果距離有差距，可調整合龍邊相鄰一邊離導向架的距離。為了便于合龍，與合龍口相鄰的10片～15片鋼板樁采取先插至樁的穩(wěn)定高度，主要有利于鋼板樁的調整。并且合龍?zhí)幍膬筛摪鍢稇３忠桓咭坏?，便于插樁，待合龍后，再將鋼板樁振設至設計標高。

3.2 鋼板樁圍堰拆除

水中墩施工結束，立即拔除鋼板樁。拔樁前向圍堰內填筑砂礫石，自下而上拆除內支撐，先拆除下部支撐，將砂礫石灌入一層，再拆除上部支撐。

拔樁時先用打拔樁機夾住鋼板樁頭部振動1 min～2 min，使鋼板樁周圍的土松動，產生“液化”，減少土對樁的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。

4 結語

潁河特大橋46號、47號主墩30 m長拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰支護系統(tǒng)于2010年1月完成設計并通過專家審查，2010年5月開始施工，2011年2月完成承臺澆筑。

該項拉森鋼板樁圍堰施工為目前全國最大，鋼板樁圍堰工法懸臂長度達18 m、平面尺寸達28 m×22.4 m，屬特大型基坑，施工技術屬國內先進水平。

潁河特大橋主墩拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰支護系統(tǒng)的順利實施，證明在水流較小的河道中大型承臺的施工采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰支護系統(tǒng)是可行的，具有較好的技術和經濟效益，可以為同類橋梁大型水中基礎施工提供借鑒。

［1］中國鐵建中鐵十五局集團有限公司阜六鐵路I標項目部.潁河特大橋主墩承臺施工方案［Z］.阜陽:中國鐵建中鐵十五局集團有限公司，2010.

［2］周永興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計算手冊［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］交通部第一公路工程局.橋涵［M］.北京:人民交通出版社，1985.

［4］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［5］干昌洪，何 偉.深水墩鋼板樁圍堰設計與施工技術［J］.山西建筑，2010，36(5):304-305.