鋼板樁圍堰施工階段變形對(duì)比分析

李 攀，同偉軍，鄧富超

（1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京市 100027；2.中交路橋華東工程有限公司，上海市 200000）

0 引 言

泰東河大橋位于江蘇省鹽城市東臺(tái)市，橋梁設(shè)計(jì)為分離式雙向4車道，橋跨布置為11×30 m+51 m+85 m+51 m+11×30 m，主橋采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)梁，上跨泰東河Ⅲ級(jí)航道；引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁；下部結(jié)構(gòu)采用直立墩、柱式墩，橋臺(tái)采用肋板臺(tái)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)[1]。主橋主墩均位于河道內(nèi)，離岸邊凈距10 m，采用筑島鋼板樁圍堰法施工。筑島頂標(biāo)高+2.9 m，封底混凝土厚1 m，封底底標(biāo)高-4.286 m，基坑開挖深度7.186 m，屬于超過一定規(guī)模風(fēng)險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程[2]。承臺(tái)尺寸（長×寬×高）為6.6 m×10.6 m×3 m，左右幅承臺(tái)凈距2.5 m，考慮承臺(tái)邊外1 m的工作面，因此鋼板樁圍堰尺寸為26.2 m×8.6 m。

1 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)方案

1.1 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

鋼板樁采用拉森SP-IV型鋼板樁，上層圍檁采用雙拼I45b工字鋼，下層圍檁采用雙拼H60型鋼，內(nèi)支撐采用壁厚10 mmφ800 mm鋼管；內(nèi)支撐平聯(lián)和圍檁斜撐采用雙拼I32a工字鋼進(jìn)行焊接；牛腿及加勁板采用1 cm厚鋼板切割焊接而成以保證圍檁的整體穩(wěn)定性。

鋼板樁圍堰主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）筑島圍堰頂標(biāo)高+2.9 m，第一層圍檁標(biāo)高+2.4 m。

（2）第二層圍檁標(biāo)高+0.214 m，承臺(tái)頂設(shè)計(jì)標(biāo)高-0.286 m，第二層圍檁與承臺(tái)頂凈距0.348 m，滿足施工需求。

（3）承臺(tái)底標(biāo)高-3.286 m，基底采用1 m厚C30混凝土進(jìn)行封底，基坑底標(biāo)高-4.286 m。鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)見圖1、圖2。

圖1 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)平面圖（單位：mm）

圖2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)立面圖橫橋向（單位：mm）

1.2 鋼板樁入土深度計(jì)算

計(jì)算鋼板樁的入土深度時(shí)，考慮在保持內(nèi)外水頭（高潮位）高度情況下進(jìn)行水下開挖至標(biāo)高-4.286 m時(shí)鋼板樁圍堰穩(wěn)定所需的最小入土深度，根據(jù)《簡明施工計(jì)算手冊(cè)（第三版）》[3]盾恩近似法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)地勘圖，得出已知條件如下：

容重：γ均=16.72 kN/m3，內(nèi)摩擦角A均=15.6°鋼板樁采用國產(chǎn)拉森鋼板樁SP-IV型，參數(shù)：A=98.7 cm2，W=2 643 cm3，[σ]=200 MPa。

根據(jù)得到的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角計(jì)算主、被動(dòng)土壓力系數(shù)Ka和Kp[3]：

則根據(jù)多支撐鋼板樁入土深度盾恩近似法計(jì)算[3]，結(jié)果如下：

可得X=4.321 m；則鋼板樁計(jì)算長度為7.18+4.321=11.507 m，因此采用12 m鋼板樁，入土深度4.814 m，可滿足施工要求。

2 鋼板樁圍堰驗(yàn)算

2.1 模型建立

運(yùn)用MIDAS/CIVIL結(jié)構(gòu)分析軟件建立鋼板樁模型，對(duì)鋼板樁圍堰施工過程中各實(shí)際工況進(jìn)行分析驗(yàn)算。鋼板樁采用板單元模擬，每20 cm擴(kuò)展一個(gè)板單元，并對(duì)內(nèi)支撐賦予各自材料特性，根據(jù)施工工況施加土彈簧約束，土彈簧計(jì)算公式如下：

圍檁與鋼板樁連接采用彈性連接中的僅受壓，與內(nèi)支撐、斜撐采用共節(jié)點(diǎn)連接；各牛腿位置簡化為彈性連接中的一般連接，模型見圖3。

圖3 鋼板樁圍堰模型示意圖

2.2 施工基本流程

（1）在泰東河岸邊填筑土圍堰平臺(tái)，平臺(tái)頂標(biāo)高+2.9 m。

（2）為減少樁基施工過程中鉆機(jī)的不均勻沉降，樁基施工前在筑島平臺(tái)上插打鋼板樁。樁基施工完成且經(jīng)樁檢合格后，開挖至第一層圍檁支撐以下50 cm的工作高度，在標(biāo)高+2.4 m處安裝焊接內(nèi)支撐，頂緊鋼板樁和圍檁支撐，安裝斜撐。

（3）第一層圍檁支撐安裝完成后，開挖至第二層圍檁支撐以下50 cm的工作高度，在標(biāo)高+0.214 m處安裝焊接內(nèi)支撐，頂緊鋼板樁和圍檁支撐，安裝斜撐。

（4）繼續(xù)開挖基坑至標(biāo)高-4.286 m（100 cm混封底混凝土），基坑抽水，澆筑C30混凝土封底施工。

（5）待封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后,進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水，施工承臺(tái)。

（6）承臺(tái)施工完畢，向圍堰內(nèi)承臺(tái)四周填土，填土高度與圍檁齊平，逐層拆除圍檁。

（7）拔出鋼板樁，基坑回填，完成圍堰施工。

2.3 施工工況分析

根據(jù)基坑開挖施工，鋼板樁圍堰受力分為以下六個(gè)工況：

（1）工況1：開挖第一層厚度為一層圍檁以下50 cm，基坑深度0.9 m。

（2）工況2：第一層圍檁安裝完畢后。

（3）工況3：開挖第二層至圍檁以下50 cm，基坑深度3.186 m。

（4）工況4：第二層圍檁安裝完成后。

（5）工況5：開挖至基底封底混凝土底，基坑深度7.186 m。

（6）工況6：封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.4 荷載分析

由于施工采用筑島圍堰，因此荷載采用水土合算進(jìn)行施加，根據(jù)不同施工工況，在鋼板樁外側(cè)施加流體壓力荷載。

3 設(shè)定施工階段與結(jié)構(gòu)受力分析

在設(shè)定施工階段過程中，對(duì)工況的邊界條件進(jìn)行分析，選擇合理的變形前、后變形邊界條件。以工況四施工（安裝第二層圍檁支撐）為例，當(dāng)基坑開挖到第二層圍檁下50 cm設(shè)計(jì)位置后，安裝第二層圍檁及內(nèi)支撐；在基坑開挖完成后、圍檁及內(nèi)支撐安裝前，鋼板樁變形已趨向于穩(wěn)定，變形的S型曲線（縱軸為變形值，橫軸為時(shí)間軸）已趨向于平穩(wěn)，在模型設(shè)定施工階段時(shí)，如設(shè)定圍檁與鋼板樁之間的邊界條件為“變形前”，則模型默認(rèn)圍檁及內(nèi)支撐在安裝時(shí)將鋼板樁頂回變形前的位置，如采用此種邊界條件，將加大鋼板樁、圍檁和內(nèi)支撐的撓度和應(yīng)力值，且不符合現(xiàn)場實(shí)際施工工況和鋼板樁、圍檁和內(nèi)支撐的實(shí)際變形值，兩種邊界條件在MIDAS/CIVIL結(jié)構(gòu)分析軟件的設(shè)定見圖4~圖11。

從圖4～圖11計(jì)算結(jié)果，匯總數(shù)據(jù)見表1。

圖4 設(shè)定變形前工況分析

圖11 設(shè)定變形后下層圍檁工況分析（單位：mm）

根據(jù)表1可知：

表1 計(jì)算工況選擇變形前、后數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)表

（1）通過對(duì)相同的外部邊界條件下，采用邊界條件在變形前和變形后工況計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圍檁及支撐撓度計(jì)算結(jié)果基本相同，但是鋼板樁變形結(jié)果相差2倍；應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果也相差2倍左右。

圖5 設(shè)定變形后工況分析

圖6 設(shè)定變形前鋼板樁工況分析（單位：mm）

圖7 設(shè)定變形后鋼板樁工況分析（單位：mm）

圖8 設(shè)定變形前上層圍檁工況分析（單位：mm）

圖9 設(shè)定變形后上層圍檁工況分析（單位：mm）

圖10 設(shè)定變形前下層圍檁工況分析（單位：mm）

（2）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況，當(dāng)基坑開挖至設(shè)計(jì)位置后，圍檁及鋼支撐安裝之前，鋼板樁已經(jīng)處于一個(gè)變形階段；待圍檁及鋼支撐安裝完成后參與受力時(shí)，鋼板樁變形已趨于穩(wěn)定，此時(shí)的圍檁及鋼支撐是為了減小在一下開挖階段鋼板樁的撓度和應(yīng)力值，因此在設(shè)立在模型建立過程中，激活結(jié)構(gòu)時(shí)的邊界條件應(yīng)選擇變形后更符合現(xiàn)場實(shí)際施工工況。

4 分析結(jié)論

通過建立泰東河大橋承臺(tái)鋼板樁圍堰模型，計(jì)算鋼板樁圍堰在相同工況下，選擇圍檁支撐變形前、后的邊界條件進(jìn)行分析，計(jì)算其最大變形值；并按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT 3650—2020）中第5.2.8章節(jié)中最大允許變形l/400[5]進(jìn)行復(fù)核，得到如下結(jié)論：

（1）表1的結(jié)果分析表明，鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求，整體不會(huì)發(fā)生較大偏移，但是在相同外部邊界條件下，圍檁支撐使用不同支撐條件，對(duì)計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差；

（2）通過對(duì)模型進(jìn)一步分析，在圍檁支撐使用不同支撐條件下，鋼板樁的最大應(yīng)力也不盡相同，相差52.5 MPa，但均在鋼板樁圍堰可承受范圍內(nèi)，安全富余系數(shù)較為充足，整體穩(wěn)定性較好，不存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)，表明鋼板樁圍堰的變形和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，鋼板樁圍堰的施工過程是安全的。

5 結(jié)語

以東臺(tái)市泰東河大橋51 m+85 m+51 m連續(xù)梁承臺(tái)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工為研究背景，對(duì)鋼板樁圍堰施工階段進(jìn)行了分析，取其中代表性工況進(jìn)行分析、驗(yàn)算，綜合鋼板樁圍堰施工特點(diǎn)，從模型建立階段對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行受力分析，制定科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的施工方案至關(guān)重要，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓r分析計(jì)算，確保鋼板樁圍堰從設(shè)計(jì)到施工合現(xiàn)場實(shí)際情況，從而保證鋼板樁圍堰每個(gè)施工階段的穩(wěn)定，不發(fā)生傾覆現(xiàn)象，為鋼板樁圍堰施工任務(wù)提供了快速、優(yōu)質(zhì)、準(zhǔn)確的技術(shù)支撐和安全保證，也為類似的鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的參考依據(jù)，可供施工技術(shù)人員借鑒。

同時(shí)，在鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)鋼板樁圍堰工況進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)各構(gòu)件之間連接進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，在模型建立初期對(duì)各構(gòu)件之間邊界條件進(jìn)行施加，并進(jìn)行驗(yàn)算，提高鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)性和可操作性。

（2）充分了解工程所在地的地質(zhì)情況，結(jié)合設(shè)計(jì)地質(zhì)柱狀圖對(duì)鋼板樁埋深，各工況的土彈簧、土壓力等情況進(jìn)行詳細(xì)而準(zhǔn)確分析，通過驗(yàn)算，在確保結(jié)構(gòu)受力安全的同時(shí)對(duì)鋼板樁圍堰進(jìn)行優(yōu)化，以得到最優(yōu)方案。