跨航道水中墩深基坑圍堰施工技術(shù)研究

李洪偉

（中鐵建生態(tài)環(huán)境有限公司）

1 工程概況

東苕溪大橋?yàn)镚25 德清至G60 桐鄉(xiāng)高速段聯(lián)絡(luò)線湖州段工程中的一座大型橋梁，主橋中心163.630，路線與航跡線右交角85°。主橋跨越東苕溪Ⅳ級航道，采用(84m+140m+84m)矮塔斜拉橋上跨東苕溪，通航凈空尺度為55×7m，設(shè)計(jì)最高通航水位2.66m。其中17 號墩位于東苕溪Ⅳ級航道內(nèi)，在17 號墩基樁號為LK2+礎(chǔ)施工過程中，存在深水、航道沖擊、圍堰底部與河床接觸面密封性差等不良因素[1]，且開挖入土深度4.92m，工程量大，約936m3，施工水深3.78m，圍堰支護(hù)、防水處理難度大，工序、工況階段控制要求極其嚴(yán)格[2-3]。結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境和地質(zhì)、水文情況，采用拉森鋼板樁圍堰施工技術(shù)，有效地解決了圍堰施工難題[4]。

2 圍堰設(shè)計(jì)及受力計(jì)算

2.1 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)構(gòu)造

東苕溪大橋17 號墩位于東苕溪Ⅳ級航道內(nèi)，航道百年一遇洪水位+3.98m，河床標(biāo)高+0.2m，水深3.78m。承臺尺寸為9.5m×21.9m×4.5m，承臺底面標(biāo)高-4.8m，采用拉森SP-IV 型鋼板樁圍堰施工，長度為15m，圍堰平面尺寸24.8×12.8m，圍堰頂高程為+4.48m，基坑封底采用80cmC25 混凝土，考慮混凝土封底基坑深9.58m，鋼板樁入土深度4.92m。共設(shè)置三道內(nèi)支撐（第三道支撐等封底混凝土等強(qiáng)后拆除，利用封底混凝土作為第三道支撐體系），圍堰內(nèi)采用鋼管支撐。圍堰設(shè)計(jì)平面圖如圖1 所示。

圖1 圍堰設(shè)計(jì)平面圖

2.2 模型建立

如圖2 所示，圍堰采用有限元軟件對其整體進(jìn)行建模，根據(jù)施工流程按不同的施工階段進(jìn)行分析。圍堰結(jié)構(gòu)采用整體建模，圍堰、內(nèi)支撐系統(tǒng)采用梁單元模擬，對桿件賦予自有的材料和相應(yīng)截面特性，鋼管樁入土部分根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范要求以土體彈簧約束加以模擬，圍檁和鋼管樁、鋼板樁采用彈性連接，圍檁與內(nèi)支撐間采用共節(jié)點(diǎn)連接。

圖2 墩圍堰有限元模型

計(jì)算模型共分：9 個(gè)結(jié)構(gòu)組（鋼板樁、第1 層圍檁、第1 層內(nèi)支撐、第2 層圍檁、第2 層內(nèi)支撐、第3 層圍檁、第3 層內(nèi)支撐、臨時(shí)層圍檁、臨時(shí)層內(nèi)支撐）；11 個(gè)邊界組（鋼板樁底部約束、圍堰入土部分土彈簧根據(jù)抽水開挖4 個(gè)變化步驟、第1 層圍檁與圍堰之間的聯(lián)系、第2 層圍檁與圍堰之間的聯(lián)系、第3 層圍檁與圍堰之間的聯(lián)系、臨時(shí)圍檁與圍堰之間的聯(lián)系、封底層支撐、墩身對臨時(shí)層的支撐）和4 個(gè)荷載組（外側(cè)土水壓力、內(nèi)側(cè)▽+2.98 水壓、水流力、自重）。

模型建立中土彈簧采用m 法計(jì)算，計(jì)算寬度取為0.4m。長度按1m 劃分。

m——水平地基反力系數(shù)隨深度線性增加的比例系數(shù)（kN/m4）；

Δ——基坑底面位移量（取10mm）；

φik——為第i 層內(nèi)摩擦角；

Cik——為第i 層內(nèi)內(nèi)聚力。

某深度處側(cè)水平地基反力系數(shù)K=mz（kN/m3）。

Z——計(jì)算點(diǎn)的深度m。

2.3 圍堰強(qiáng)度驗(yàn)算

通過模擬不同工況下圍堰受力情況，施工中圍堰受到的組合應(yīng)力最大值為155MPa，小于鋼板樁允許最大應(yīng)力值200MPa，因此設(shè)計(jì)滿足要求。

2.4 對撐穩(wěn)定性計(jì)算

圍堰內(nèi)支撐系統(tǒng)除受軸向力外，尚在自重的作用下產(chǎn)生豎向彎矩。圍堰對撐長度較長，長細(xì)比較大，故除應(yīng)力外尚需計(jì)算對撐穩(wěn)定性。對撐型鋼壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

N——鋼管軸力；

φ——彎矩作用平面內(nèi)軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017－2003)5.1 節(jié)中公式（5.1.2-2）可知，構(gòu)件長細(xì)比計(jì)算公式為：

式中：

μ——壓桿的計(jì)算長度系數(shù)，一端鉸接一端固定，取0.7；

i——構(gòu)件截面對主軸的回轉(zhuǎn)半徑；

l0——壓桿計(jì)算長度；

βmx——等效彎矩系數(shù)取1.0；

γx——取1.0。

⑴一層對撐φ325×10mm 最大內(nèi)力

如圖3 所示。最大內(nèi)力：

圖3 第1 層對撐最大內(nèi)力圖

⑵二層對撐φ351×10mm 最大內(nèi)力

如圖4 所示。最大內(nèi)力：

圖4 第2 層對撐最大內(nèi)力圖

⑶三層對撐φ450×16mm最大內(nèi)力

如圖5 所示。最大內(nèi)力：

圖5 第3 層對撐最大內(nèi)力圖

2.5 封底混凝土強(qiáng)度計(jì)算

封底混凝土標(biāo)號選用C25，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為11.9MPa。經(jīng)計(jì)算封底混凝土最大支撐反力為41.7/0.4=104.25kN/m，混凝土厚度0.8m，混凝土壓應(yīng)力，封底混凝土強(qiáng)度滿足要求。

3 水中深基坑鋼板樁圍堰施工

3.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→導(dǎo)向柱打入→導(dǎo)向架安裝→打角樁→鋼板樁逐塊打入、合攏→抽水、安裝第一層內(nèi)支撐→抽水、吸泥，安裝第二層內(nèi)支撐→挖土、吸泥，安裝第三層內(nèi)支撐→挖土、吸泥至封底混凝土底部→防滲堵漏→清基封底→等強(qiáng)、拆除底層鋼圍檁→檢查驗(yàn)收→承臺施工→等強(qiáng)回填，拆除第二道鋼支撐→第一節(jié)墩身施工（3m）→將拆除第二道鋼支撐移至+2.48，拆除第一層鋼支撐→施工上部墩身及0#塊→鋼板樁拔除。

3.2 施工要點(diǎn)

鋼板樁合攏后，邊抽水開挖、邊安裝分層鋼支撐體系，并對鋼板樁縫隙實(shí)施堵漏形成鋼圍堰體系；然后對基底進(jìn)行挖土吸泥機(jī)清底，在鋼圍堰內(nèi)實(shí)施低樁承臺干法施工。

⑴第一層鋼圍檁安裝

首先利用4 臺水泵抽水，使堰內(nèi)水位降至+2.98m，安裝第一道支撐體系，支撐中心線標(biāo)高+3.48m。第一道腰梁與拉森鋼板樁加強(qiáng)焊接面，確保圍堰的整體穩(wěn)定性。

⑵第二層鋼圍檁安裝

首先利用4 臺水泵抽水將堰內(nèi)水位降至河床頂面+0.2m，然后利用吸泥機(jī)將河床頂面淤泥吸至17#鉆孔樁泥漿池。若此時(shí)堰內(nèi)標(biāo)高達(dá)到-0.02m，則停止吸泥安裝第二道支撐體系，支撐中心線標(biāo)高+0.48m；若堰內(nèi)標(biāo)高未達(dá)到-0.02m，則利用長臂挖機(jī)進(jìn)行挖土作業(yè)。圍堰靠近東苕溪大橋鋼棧橋支棧橋一側(cè)開挖作業(yè)時(shí)，長臂挖機(jī)停靠在支棧橋上，圍堰背離支棧橋一側(cè)利用船載長臂挖機(jī)進(jìn)行開挖，開挖泥土利用渣土車或船只運(yùn)至項(xiàng)目部租用的臨時(shí)棄土場內(nèi)。受第一層鋼支撐影響，長臂挖機(jī)開挖不到的部位利用高壓水槍沖擊土體泥漿，然后利用吸泥機(jī)將泥漿吸至泥漿池。

⑶第三層鋼圍檁安裝

利用同安裝第二層鋼支撐的開挖辦法，長臂挖機(jī)配合吸泥機(jī)開挖，堰內(nèi)標(biāo)高達(dá)到-3.02m 時(shí)停止開挖，安裝第三道支撐體系，支撐中心線標(biāo)高-2.52m。

第三道鋼圍檁安裝完成后，利用同樣的開挖方法繼續(xù)開挖，預(yù)留20cm 人工清理，直至達(dá)到封底混凝土底標(biāo)高-5.6m，嚴(yán)禁超挖和欠挖。

迎水面（大里程方向）鋼板樁圍堰內(nèi)挖土，采用船載式長臂挖機(jī)開挖鋼板樁圍堰內(nèi)土方，鋼圍檁妨礙長臂挖機(jī)開挖土方的部位，采用高壓射水及泥砂泵抽排的方法。高壓射水將泥砂沖松形成泥砂水后，用泥砂泵抽排至鋼板樁圍堰以外，沉淀后運(yùn)到指定地點(diǎn)。背水面（小里程方向）鋼板樁圍堰內(nèi)挖土，長臂挖機(jī)置于東苕溪大橋鋼棧橋支棧橋（鉆孔平臺）一側(cè)開挖作業(yè)。

在長臂挖機(jī)開挖鋼板樁圍堰內(nèi)土方時(shí)，為避免鋼板樁圍堰的受力不均，采用長臂挖機(jī)分層對稱開挖。開挖至第一道鋼圍檁深度以下0.5m 左右時(shí)，暫停開挖鋼板樁圍堰內(nèi)土方，安裝第一道鋼圍檁；開挖至第二道鋼圍檁深度以下0.5m 左右時(shí)，暫停開挖鋼板樁圍堰內(nèi)土方，安裝第二道鋼圍檁；開挖至第三道鋼圍檁深度以下0.5m 左右時(shí)，暫停開挖鋼板樁圍堰內(nèi)土方，安裝第三道鋼圍檁，直至開挖鋼板樁圍堰內(nèi)土方至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4 結(jié)論

東苕溪大橋17#水中墩承臺采用鋼板樁圍堰進(jìn)行施工，施工前對圍堰進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)算，采用有限元軟件對其整體進(jìn)行建模，驗(yàn)算各桿件受力滿足要求后，開始圍堰施工，確保了圍堰施工安全。同時(shí)施工中采用高壓水、吸泥機(jī)配合長臂挖掘機(jī)進(jìn)行承臺開挖，利用高壓水將基坑內(nèi)的砂土沖為泥漿，泥漿泵配合將泥漿抽入泥漿運(yùn)輸車，解決了基坑內(nèi)支撐對機(jī)械開挖的限制問題，減少了對航道的污染，加快了施工進(jìn)度。