深水鋼板樁圍堰施工承臺(tái)技術(shù)研究

文｜岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司 曾霄

無(wú)水環(huán)境對(duì)建筑施工十分重要，基坑支護(hù)、導(dǎo)流圍堰等均可以營(yíng)造無(wú)水環(huán)境，從而方便施工。大型橋梁的施工中，承臺(tái)、橋墩施工也需要無(wú)水環(huán)境。鋼板樁可以釘入河底地基，利用片層結(jié)構(gòu)擋水，形成密閉的圍堰，是橋梁下部支撐結(jié)構(gòu)施工的重要保障。鋼板樁圍堰施工前，需要確定樁長(zhǎng)等參數(shù)，從而保證圍堰的穩(wěn)定性和安全性。

1 案例工程概況

芭蕉湖大橋西起芭蕉湖西岸，向東跨越芭蕉湖南部港灣，東至芭蕉湖東岸規(guī)劃雷公咀路，全橋長(zhǎng)925m，橋梁采用（20×40m+4×30m）裝配式預(yù)制小箱梁，下部基礎(chǔ)主要為鉆孔樁加板式橋墩。芭蕉湖大橋是岳陽(yáng)市北環(huán)線洛家山建設(shè)工程的一部分，北環(huán)線洛家山是湖南岳陽(yáng)城陵磯臨港產(chǎn)業(yè)新區(qū)一條東西向城市快速路，位于芭蕉湖及城陵磯區(qū)。修建跨湖大橋既有利于美化當(dāng)?shù)丨h(huán)境，又可改善市內(nèi)交通壓力，受到市民歡迎。芭蕉湖大橋設(shè)計(jì)全橋24跨，橋墩按左右幅獨(dú)立布置，均采用蓋梁接花瓶板式墩身。其中4-19跨為水中樁，樁基為技術(shù)成熟的鉆孔樁，樁徑為2米，樁長(zhǎng)為20、23、25、27m不等。根據(jù)已有資料，芭蕉湖內(nèi)常水位為26-27m(黃海高程)，最高防汛水位+27.56m，實(shí)際水深在4m左右。鉆孔樁施工期搭建有鋼管樁平臺(tái)，鉆孔樁施工完畢后，插打鋼板莊圍堰，開始承臺(tái)和橋墩施工。

2 芭蕉湖大橋鋼板樁圍堰及其主要參數(shù)

芭蕉湖大橋的下部支撐結(jié)構(gòu)以獨(dú)立承臺(tái)和板式墩身為主。其中4-20#橋墩采用獨(dú)立承臺(tái)結(jié)構(gòu)，承臺(tái)尺寸為8.2m×3.2m×2.5m。由于4-20#橋墩受水環(huán)境影響嚴(yán)重，擬采用鋼板樁圍堰技術(shù)，隔絕湖水和地下水，方便承臺(tái)和橋墩施工。鋼板樁圍堰技術(shù)在國(guó)內(nèi)橋梁施工工程中較為常見。如銀川市黃河機(jī)場(chǎng)特大橋基礎(chǔ)施工中就采用了鋼板樁圍堰的技術(shù)，梅汕客專揭陽(yáng)市段楓江特大橋承臺(tái)施工中也采用了鋼板樁圍堰技術(shù)。鋼板樁圍堰主要是在水環(huán)境中營(yíng)造無(wú)水的微環(huán)境，需要考慮水壓等引發(fā)的安全問題。首先，鋼板樁打入水下地基需要有一定的深度，深度過(guò)淺不僅基礎(chǔ)不牢固而且容易發(fā)生管涌。其次，圍堰封底混凝土需要有一定厚度，一方面是為了防止河底的地下水上涌，另一方面是增加圍堰平臺(tái)的自重，防止上浮。最后，圍堰內(nèi)必須設(shè)置鋼支撐，以避免水位上升后水壓使得圍堰變形或壓垮。因此，鋼板樁圍堰施工前，必須先確定鋼板樁長(zhǎng)度、封底混凝土厚度和鋼支撐的材料學(xué)性質(zhì)等重要參數(shù)，從而保證鋼板樁圍堰的穩(wěn)固和安全。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ/TF50-2011)、《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑基坑圍護(hù)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 120-2012)等文件，可以根據(jù)理論公式計(jì)算出鋼板樁圍堰各類指標(biāo)的參數(shù)值，同樣，根據(jù)已有工程案例，也可以獲得設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。如根據(jù)赫宏偉（2019）在黃河機(jī)場(chǎng)特大橋基礎(chǔ)施工中的分析，該橋梁鋼板樁圍堰的鋼板樁采用15m拉森Ⅳ型鋼板，封底混凝土厚度為1.8m，內(nèi)支撐鋼管直徑為1200mm。

李克智（2019）在分析梅汕客專楓江特大橋承臺(tái)施工鋼板樁圍堰技術(shù)后，指出該橋梁4-5號(hào)墩的鋼板樁圍堰封底厚1.5m、樁長(zhǎng) 21m，共設(shè)有3道內(nèi)支撐。這些已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為本案例工程鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)提供了很好的參考。

2.1 鋼板樁樁長(zhǎng)的確定

鋼板樁樁長(zhǎng)既與插入水下地基的鋼板樁深度有關(guān)，也與水體的相對(duì)水位有關(guān)。水位越高，鋼板樁必須越長(zhǎng)。按最不利條件考慮，即按芭蕉湖最高防汛水位+27.56m計(jì)算，水面以上需要保留4.56m的長(zhǎng)度。而水面以下部分，則需要根據(jù)土層結(jié)構(gòu)、基坑支護(hù)安全等級(jí)、流土穩(wěn)定性安全系數(shù)等來(lái)確定。本案中，鋼板樁施工的土層參數(shù)分別為4.0m左右的水深，1.0m左右的淤泥深，8.0m左右的粘性土，2.0m左右的碎石，其下是6.0m左右的強(qiáng)風(fēng)化巖。抗管涌安全系數(shù)計(jì)算公式可以用來(lái)計(jì)算鋼板在基坑地面以下的長(zhǎng)度安全值。該公式表示為：

式中，K為抗管涌安全系數(shù)；ld為圍堰插入基坑基地以下的鋼板長(zhǎng)度(m)；D1為潛水水面或承壓含水層頂面至基坑底面的垂直距離(m)；γ'為基坑內(nèi)土層的重度(kN/m3)；Δh'為基坑內(nèi)外的水頭差(m)；γw為地下水重度(kN/m3)；

根據(jù)基坑施工規(guī)范要求，抗管涌安全系數(shù)需要大于基坑底部流土的穩(wěn)定性安全系數(shù)Kse，基坑支護(hù)可以分為一、二、三級(jí)，對(duì)應(yīng)的Kse分別不應(yīng)小于1.6、1.5、1.4。本案中基坑支護(hù)等級(jí)為二級(jí)，抗管涌安全系數(shù)的值應(yīng)大于1.5。且因?yàn)槭撬率┕?，潛水水面即湖底面。根?jù)計(jì)算，得出ld值大于4.24m即可。即鋼板樁圍堰只需要插入淤泥層以下4.24m,而鋼板樁水面以上長(zhǎng)度取最大防汛水位4.56m,兩者相加可知鋼板樁長(zhǎng)度大于8.8m即可。即同時(shí)滿足水下深度大于4.24m,水面高度超過(guò)汛期最大水位。根據(jù)施工方現(xiàn)有鋼板樁長(zhǎng)度的規(guī)格，可選擇9m和12m長(zhǎng)度的鋼板樁，打入地基深度可根據(jù)湖面水位高低來(lái)確定，保證深度大于4.24m。相應(yīng)的鋼板樁長(zhǎng)度也可以隨著水位調(diào)整，低水位區(qū)橋墩選擇9m長(zhǎng)度的鋼板樁，深水位橋墩選擇12m長(zhǎng)度鋼板樁。

2.2 封底混凝土厚度確定

封底混凝土是鋼板樁圍堰底層的封水層，也是圍堰內(nèi)施工的基礎(chǔ)支撐層。其與鉆孔樁的樁外護(hù)筒相連，同時(shí)對(duì)鋼板樁圍堰起一定支撐作用。將整個(gè)鋼板樁圍堰看做一個(gè)整體，其在水中主要受水的浮力作用，因此，鋼板樁圍堰的自重以及與鉆孔樁外護(hù)筒的粘結(jié)力必須大于圍堰所受到的水的浮力，這樣才能保證圍堰不上浮和在水中的穩(wěn)定性。圍堰所受到的浮力與其體積有關(guān)，可以表示為：，其中為水的容重，為圍堰的體積，其主要與承臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸有關(guān)。本案中承臺(tái)的尺寸為8.2m*3.2m*2.5m，相應(yīng)的鋼板樁圍堰截面尺寸經(jīng)驗(yàn)值為10.8m*5.8m。圍堰底部與鉆孔樁的握裹力可表示為N=Q*S，其中Q為粘結(jié)力，S為截面積。本案中鉆孔工程樁共2根，鋼護(hù)筒直徑為2.2m，混凝土與鋼護(hù)筒粘結(jié)力取150Kpa。根據(jù)規(guī)范要求，圍堰的封底需滿足抗浮力安全系數(shù)，其計(jì)算公式如下。

其中K為抗浮力安全系數(shù)，大于1.05即可滿足要求，G為封底混凝土的自重，，為混凝土的容重，為混凝土的體積，根據(jù)以上公式可以計(jì)算出封底混凝土的最小厚度為1.02 m。為確保安全，本案取封底混凝土厚度1.2m。

2.3 鋼支撐的基本參數(shù)

鋼支撐的基本參數(shù)可以通過(guò)軟件模擬計(jì)算得出，現(xiàn)有的軟件工具如理正機(jī)構(gòu)工具包、TSSD模塊均可以開展鋼板樁支撐及鋼圍檁的構(gòu)件驗(yàn)算。本案中采用理正軟件工具包驗(yàn)證。驗(yàn)證以鋼支撐強(qiáng)度計(jì)算為例，其最不利位置的強(qiáng)度在長(zhǎng)邊中心點(diǎn)與斜支撐之間。通過(guò)鋼支撐的最大位移圖可以看出（見圖1）。

最不利位置強(qiáng)度應(yīng)力按《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》公式(5.2.1)計(jì)算。

驗(yàn)證用的支撐型號(hào)為609×16鋼管。其相應(yīng)的參數(shù)為設(shè)計(jì)強(qiáng)度為215.00(N/mm2)，屈服強(qiáng)度:235.00(N/mm2)，通過(guò)將參數(shù)代入公式，設(shè)定強(qiáng)度安全系數(shù)5.29，可以得出設(shè)計(jì)材料是夠符合安全要求。通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)所選用的609×16鋼管構(gòu)件在最大載荷下狀態(tài)安全，穩(wěn)定滿足要求，強(qiáng)度滿足要求。

3 施工方案

3.1 鋼板樁圍堰施工方案

根據(jù)上文確定的參數(shù)，結(jié)合具體橋墩，可以開展鋼板樁圍堰的施工。鋼板樁圍堰施工前，清理鉆孔樁施工現(xiàn)場(chǎng)，并搭建鋼板樁圍堰的施工平臺(tái)。本案中，采用5米寬鋼便橋及30×15m長(zhǎng)鋼平臺(tái)施工。需要支護(hù)鋼板樁圍堰的橋墩為4-20#。按照芭蕉湖大橋設(shè)計(jì)要求，4-20號(hào)橋墩中，每個(gè)橋墩由兩個(gè)獨(dú)立的承臺(tái)基礎(chǔ)組成，中間無(wú)連接。承臺(tái)基礎(chǔ)面標(biāo)高為+24.00m，承臺(tái)高2.5m。橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)下采用1.2m厚C30水下砼封底，封底底標(biāo)高為+20.3m，鋼板樁圍堰采用小止口拉森FSP-IV鋼板樁，內(nèi)設(shè)兩道鋼支撐。鋼板樁樁頂標(biāo)高為+28.06m，樁長(zhǎng)12.0m；鋼支撐采用HW400×400型鋼支撐，鋼圍檁采用2HW400×400型鋼雙拼圍檁（見圖2）。

整個(gè)鋼板樁圍堰的施工流程如下：

拆除平臺(tái)、河床清理→設(shè)置圍堰導(dǎo)向→插打鋼板樁→安裝第一道圍、支撐→抽水、吸泥→封底→安裝第二道圍、支撐→清理基礎(chǔ)、抽水→下道工序。

3.1.1 鋼板樁材料檢驗(yàn)

圖1 鋼板樁圍堰的支撐位移圖

圖2 鋼板樁圍堰示意圖

拉森鋼板樁具有U型面和兩端鎖扣結(jié)構(gòu)，每?jī)筛摪鍢锻ㄟ^(guò)鎖口無(wú)縫對(duì)接，從而緊密連成連續(xù)墻，具備擋水功能。拉森鋼板樁通過(guò)物理鎖連以保證防水效果，每塊鋼板樁的形狀的規(guī)則性需要保證。一旦有鋼板樁上下截面不對(duì)稱，鎖口發(fā)生變形和缺漏，則難以形成防水結(jié)構(gòu)或?qū)ψ罱K的合龍?jiān)斐捎绊憽Ｒ虼?，開展鋼板樁圍堰施工前首先需要對(duì)進(jìn)場(chǎng)鋼板樁進(jìn)行檢查、測(cè)量、編號(hào)和檢驗(yàn)等，以確保后續(xù)工作順利開展。檢測(cè)中，要測(cè)量每片鋼板樁分上中下三部分的寬度和厚度，上下截面的寬度差值需要在1cm以內(nèi)。鎖口需要結(jié)構(gòu)完整，無(wú)變形和缺口。為保證每塊鋼板樁的鎖口正常，應(yīng)開展鎖口檢驗(yàn)。以長(zhǎng)度2-3m的短樁為試驗(yàn)插拔樁，檢驗(yàn)每塊鋼板樁兩端鎖扣的連鎖性能，不能通過(guò)的鋼板樁盡量不要選用。如果鋼板樁出現(xiàn)小的質(zhì)量問題，也可以通過(guò)焊補(bǔ)、鉚補(bǔ)等方式修理，保證每塊鋼板樁的質(zhì)量。

3.1.2 鋼板樁接長(zhǎng)

本案中鋼板樁的長(zhǎng)度分為9m和12m兩類，根據(jù)湖面水深狀態(tài)選擇采用哪種長(zhǎng)度的鋼板樁。如果鋼板樁長(zhǎng)度不符合要求，則需要接長(zhǎng)。將兩截短鋼板樁焊接一起，即為接長(zhǎng)。焊接時(shí)，先“U”形內(nèi)側(cè)，然后焊接外側(cè)。鋼板樁接長(zhǎng)是必須保證兩鋼板樁對(duì)接順直，必須保證焊接面平整且焊縫有足夠的厚度，焊工水平需要保證，不允許無(wú)焊接鋼板樁經(jīng)驗(yàn)者焊接，焊接接長(zhǎng)允許誤差需要在規(guī)定范圍內(nèi)。焊接完成后，還需要重復(fù)開展短樁插拔試驗(yàn)，插拔需要通過(guò)焊接點(diǎn)，以保證焊接不影響連鎖。

3.1.3 鋼板樁定位及插打流程

鋼板樁插打之前需要先固定導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的具體位置?？梢杂萌緝x等輔助施工。在插打鋼板樁前先利用鋼護(hù)筒和棧橋臨時(shí)準(zhǔn)確放樣、安裝第一層圍檁及支撐，并采用第一層圍檁作為定位橫梁作導(dǎo)向，以保證鋼板樁插打的垂直度和平面位置。圍檁和支撐臨時(shí)固定在鋼護(hù)筒和棧橋上應(yīng)焊接牢固，并在鋼板樁插打后及時(shí)焊接支撐牛腿，加固支撐和圍檁，確保圍檁位置準(zhǔn)確不變形。

鋼板樁插打

鋼板樁從圍檁導(dǎo)向中心開始插打。插打可選用合適的插打機(jī)械，插打深度根據(jù)計(jì)算值確定。第一塊鋼板樁要絕對(duì)避免傾斜，彎曲等，深度在設(shè)計(jì)深度時(shí)，還要根據(jù)土層狀況，插打進(jìn)較硬基底部。防止第二塊鋼板影響第一塊板的定位。

圖 3 鋼板樁打入現(xiàn)場(chǎng)圖

圖 4 鋼支撐結(jié)構(gòu)示意圖

（1）首根鋼板樁打入

用合適的振動(dòng)錘插打首根鋼板樁，第一根拔樁沉放后又兼作其它板樁的豎向?qū)?，故第一根板樁的沉放精度要求較高。履帶吊在棧橋上就位，先將鋼板樁起吊豎向，在棧橋邊臨時(shí)固定，再吊起振動(dòng)錘夾住板樁頂部，吊到擬沉放位置，沿導(dǎo)梁自然下降，檢查其平面偏位和垂直度，滿足要求后開啟振動(dòng)錘，將鋼板樁緩慢下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，邊插邊持續(xù)測(cè)量其垂直度，出現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)整。

（2）其余鋼板樁打入

第一根鋼板樁定位完畢后，后續(xù)鋼板樁可依據(jù)同樣操作插打。后一根鋼板樁必須沿著前一根鋼板樁鎖口并緊靠導(dǎo)梁，然后利用振動(dòng)錘下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。為穩(wěn)固插打深度，可以將已經(jīng)插入的鋼板樁點(diǎn)焊到導(dǎo)梁上。如果樁的豎直狀態(tài)有偏差，可以用千斤頂、木楔、導(dǎo)鏈等進(jìn)行位置調(diào)整，調(diào)整中需要精細(xì)化操作，一次性糾偏不能太多，以免鎖口卡住，影響下一根鋼板樁的插打。插打過(guò)程中，須遵守“插樁正直，分散即糾，調(diào)整合龍”的施工要點(diǎn)。插打中需要多人協(xié)調(diào)作業(yè)，以避免出現(xiàn)偏差。（見圖3）。

（3）合龍段鋼板樁打入

鋼板樁圍堰拐角處采用現(xiàn)場(chǎng)加工制作的異型鋼板樁。鋼板樁圍堰合龍位置選擇在下游拐角處，鋼板樁插打剩下10根左右時(shí)，采取先插打合龍，合龍后再施打到設(shè)計(jì)標(biāo)高。合龍是關(guān)鍵操作，即影響到圍堰的穩(wěn)定性，也影響到防水性，因此需指定特別反感，本案中合龍采用異型鋼板樁合龍法，即根據(jù)最終合龍?zhí)幒淆堥g隔的大笑，樁型的形狀，配置異型鋼板樁，通過(guò)割補(bǔ)異性合龍樁來(lái)保證合龍的嚴(yán)密性。合龍前，計(jì)算好異性樁的尺寸，若合龍有誤，用倒鏈或滑車組對(duì)位，使之合龍。為保證合龍順利進(jìn)行，一般需要采用導(dǎo)鏈、滑車等工具，因此操作人員必須謹(jǐn)慎操作。合龍完成后即可開始清理基坑，開展封底混凝土施工。但如果圍堰漏水則會(huì)影響施工進(jìn)度，因此，在合龍后抽水施工時(shí)，要密切注意各鎖口滲漏狀況。如發(fā)生輕微漏水，可以采用棉絮、軟布等在內(nèi)側(cè)嵌塞。如果漏水嚴(yán)重，采取初期堵漏措施后，還應(yīng)采用將粗砂、鋸沫粉、水泥等永久封閉材料進(jìn)一步將鋼板樁鎖口密封，直到整個(gè)圍堰不漏水為止。

3.2 鋼支撐施工方案

本案中共設(shè)置2層鋼支撐，鋼支撐安裝前先進(jìn)行預(yù)拼，按實(shí)際丈量長(zhǎng)度并根據(jù)鋼支撐的結(jié)構(gòu)件模數(shù)進(jìn)行鋼支撐的拼接，預(yù)拼后兩端支點(diǎn)中心線偏心不大于20mm。鋼支撐配置時(shí)考慮每根總長(zhǎng)度比支護(hù)結(jié)構(gòu)凈距小10～30cm。安裝采用兩點(diǎn)吊裝，吊點(diǎn)一般在離端部0.2L左右為宜，本案中鋼支撐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

支撐吊裝采用吊車一次性架設(shè)到位，所有的支撐均在地表完成接裝，整體吊裝到位，支撐架設(shè)質(zhì)量控制（水平位移、高差、軸線）參照有關(guān)施工規(guī)范。各支撐的長(zhǎng)度尺寸要首先計(jì)算好，如果支撐過(guò)程中，鋼架不能與鋼圍檁相支撐，則應(yīng)在圍檁面與支撐端頭之間加設(shè)鋼板墊塊，并通過(guò)千斤頂?shù)裙ぞ咴黾宇A(yù)應(yīng)力，保證鋼架結(jié)構(gòu)與鋼圍堰之間的軸向支撐受力。在支撐的節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)角位置，型鋼構(gòu)件的翼緣和腹板均應(yīng)加焊加勁板，加勁板的厚度不應(yīng)小于10mm，焊接高度不應(yīng)小于6mm。

總結(jié)

采用鉆孔樁技術(shù)，結(jié)合鋼板樁圍堰，可以有效地縮短橋梁下部支撐結(jié)構(gòu)的施工時(shí)間。圍堰在水中的主要威脅是水的壓力或浮力，因此，需要選擇合適的樁長(zhǎng)，并確定鋼板樁打入水下地基的深度.此外,封底混凝土層的厚度、鋼支撐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，均會(huì)影響鋼板樁圍堰的安全性，設(shè)計(jì)時(shí)需要首先確定好此類參數(shù)。施工中，鋼板樁的打入、接長(zhǎng)、合龍等均需要豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，確保圍堰不漏水，不變形是施工的關(guān)鍵。