水中超長鋼板樁圍堰施工技術分析

■翁秀燕

（莆田市交通投資集團有限公司，莆田 351200）

深基坑的開挖與支護作為橋梁承臺施工的一個重要環(huán)節(jié)，考慮到海上潮汐變化較大、基底承載力較差、基坑較深的項目特點，基坑開挖的支護結構安全是一個重點問題。鋼板樁圍堰施工前需對施工方案進行反復的驗證和比選，充分考慮工期、汛期、成本等因素，確保施工方案的結構安全性、施工可行性、經濟性。

1 工程概況

1.1 主橋結構概況

三江口特大橋位于興化灣木蘭溪入?？冢鳂驑蛐蜑殡p塔雙索面槽形雙箱組合梁斜拉橋，跨徑組合布置（95+220+95）m=410 m，主梁寬45.9 m，是目前國內同類型最寬的組合梁斜拉橋；主橋索塔采用H 型鋼筋混凝土橋塔，塔高110 m，索塔頂寬40.7 m；索塔基礎為啞鈴型承臺+群樁基礎。三江口特大橋橋型布置如圖1 所示。

圖1 三江口特大橋主橋結構布置圖（單位：cm）

三江口特大橋主墩位于木蘭溪航道內，主墩承臺設計有浮式柔性鋼套箱作為防船撞設施，其內套箱在施工期間可兼做擋水結構和承臺模板。主橋通過31#、34# 過渡墩與引橋相接，邊墩承臺尺寸均為(35.6×8.0×3.5)m，承臺施工期間采用鋼板樁圍堰作為擋水結構。34#過渡墩設計樁長45 m，34#過渡墩一般構造如圖2 所示。

圖2 34# 過渡墩一般構造圖（單位：cm）

1.2 水文地質情況

34#過渡墩位于木蘭溪岸邊，河床標高約+2.000～+3.500 m，水位受潮水漲落潮影響，最高水位+4.040 m。根據(jù)勘察鉆孔顯示，地質分布自上而下分別是沖海積淤泥、淤泥質粘土、卵石、花崗巖。各巖土層特征分述如表1 所示。

表1 橋墩處河床巖土層特征

2 技術方案比選

以鋼套箱圍堰與鋼板樁圍堰進行比選，方案比選結果如下。（1）方案一：采用無底鋼套箱圍堰結構方式。搭設工作平臺拼裝鋼套箱，整體下放，鋼套箱壁體嵌入淤泥質土層，并設置2 道內撐支護，清理基底，水下封底后抽水完成，如圖3 所示。（2）方案二：采用長鋼板樁圍堰結構方式。在鋼護筒設置導向定位架及第1 道圈梁，搭設鋼板樁并嵌入卵石層，在第1 道內撐完成后開挖基底并拋石處理，水下封底完成后抽水，設置第2 道圈梁及內撐，完成抽水，如圖4 所示。經過結構安全性、施工可行性、施工工期、施工成本等比較，方案二采用鋼板樁圍堰方案更具有優(yōu)勢，作為最終施工推薦方案。圍堰方案比選內容如表2 所示。

表2 圍堰方案比選

圖3 鋼套箱圍堰示意圖

圖4 鋼板樁圍堰示意圖

3 鋼板樁圍堰施工工藝

3.1 圍堰整體設計

承臺基坑采用拉森Ⅳ型鋼板樁進行開挖與支護，單根長度為24 m，鋼板樁頂標高為＋6.0 m，樁底坐落于卵石層；兩層圈梁均采用雙拼I45a 型鋼，內支撐采用Ф500×10 mm 鋼管，其中第1 道內撐標高為＋5.0 m，第2 道內撐標高為＋2.5 m，采用分節(jié)預制、節(jié)段安裝方式；圍堰封底采用C30 水下混凝土結構，封底厚度為1.5 m。

3.2 圍堰施工工序

主要施工過程如下。工序1：清理河床雜物并修整河床標高為＋0.654 m，在鋼護筒上焊接支撐架，在支撐架上安裝第1 層內支撐和圈梁（兼做導向），標高＋5.0 m。以圈梁為導向裝置，打設鋼板樁，打設完成后基坑內開挖至－4.397 m，開挖過程中保持內外水頭差為0。托撐示意圖如圖5 所示。工序2：進行水下拋填片石，填筑厚度為1 m，確?；踊壮休d力滿足要求，同時減少封底混凝土與淤泥的摻混厚度。工序3：進行水下封底混凝土施工。封底達到強度后，基坑內抽水至標高＋2.0 m。工序4：在標高＋2.5 m 處安裝第2 層內支撐和圈梁，圍堰內抽完水，開始承臺實體施工?；涌傮w設計立面圖如圖6 所示，基坑內撐結構平面圖如圖7 所示。

圖5 托撐示意圖（單位：mm）

圖6 基坑總體設計立面圖（單位：cm）

圖7 基坑內撐結構平面圖（單位：cm）

4 圍堰結構驗算

4.1 基坑結構受力計算方法

基坑結構受力計算方法如下：依據(jù)《鋼圍堰工程技術標準》（GB/T51295-2018）[1]，基坑內側土壓力采用m 法，外側主動土壓力采用庫侖法，以彈簧支座簡化圍堰內支撐、彈簧模擬基坑開挖面以下土體，通過Midas 有限單元進行計算基坑支護結構的內力和變形。

4.2 計算參數(shù)

4.2.1 土層參數(shù)

鋼板樁范圍內土層主要為淤泥層，樁底伸入卵石層，根據(jù)地質勘察資料及現(xiàn)場補勘，卵石土的內摩擦角參數(shù)取30°，圍堰處土層參數(shù)如表3 所示。

表3 圍堰處土層參數(shù)

4.2.2 土彈簧剛度參數(shù)

擋土構件內側嵌固段上土的水平反力系數(shù)按下式進行計算：

式（1）和式（2）中：ks為土的水平反力系數(shù)（kN/m3）；mz為土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)/（kN/m4）；z 為計算點距地面的深度/m；h 為計算工沉下的基坑開挖深度/m：c、φ 為土的黏聚力/kPa、內摩擦角/（°）；νb為擋土構件在圍堰底處的水平位移值/mm，當此處的位移不大于10 mm 時，可取νb=10 mm。

根據(jù)《鋼圍堰工程技術標準》（GBT51295-2018）求得：淤泥土mz=（0.2×1.78×1.78-1.78+8.07）/10=692 kN/m4；卵石mz=（0.2×30×30-30+0）/10=15000 kN/m4。

4.3 鋼板樁結構計算

根據(jù)施工過程主要分成3 個工況。工況1：封底前開挖基坑；工況2：封底后進行第1 次抽水；工況3：安裝第2 道內撐后進行第2 次抽水完成。采用MidasCivil 計算軟件對鋼板樁圍堰進行單樁建模[2]。鋼板樁、圍堰采用梁單元建模，內支撐采用受拉/桿單元建模；封底混凝土處簡化處理為剛性連接，鋼管樁入土部分以土彈簧約束加以模擬，圍檁與鋼管樁連接處為剛性連接，圍檁與內支撐共用節(jié)點連接[3]。根據(jù)初步簡算，通過3 個不同工況進行對比，發(fā)現(xiàn)鋼板樁在工況2 時是最不利情況。其受力結構圖如圖8 所示。采用MidasCivil 自動計算生成計算結果，如圖9 所示。板樁位移及內力驗算結果如表4 所示。鋼板樁位移及內力驗算：鋼板樁最大水平位移滿足結構受力要求；鋼板樁最大彎矩為205.1 kN·m，最大應力為37.3 MPa，小于235 MPa，滿足結構受力要求。

表4 鋼板樁位移及內力

圖8 基坑結構荷載布置圖（單位：mm）

圖9 計算結果圖

4.4 內支撐及圈梁結構計算

兩層圈梁均采用雙拼I45a 型鋼，內支撐采用Ф500×10 mm 鋼管。通過對比分析，在工況3 時最為不利，第2 道內支撐圈梁受力較大，分布荷載：q=25.3 kN/m。圈梁組合應力計算結果如表5 所示，簡化受力模型圖和圈梁組合應力圖如圖10、11 所示。由表5 結果可知，圍檁及內支撐組合應力滿足要求。圈梁和內支撐位移計算結果如表6 所示，圈梁和內支撐位移示意圖如圖12 所示。由表6 結果可知，圈梁和內支撐位移最大值為1.7 mm＜（4300/400=10.75）mm，滿足結構要求。

表5 圍檁及內支撐組合應力

表6 圈梁及內支撐位移

圖10 簡化受力模型圖（單位：kN/m）

圖11 圈梁組合應力圖（單位：MPa）

圖12 圈梁和內支撐位移示意圖

4.5 圍堰封底驗算

封底厚度按1.5 m 考慮，根據(jù)《鋼圍堰工程技術標準》（GB/T51295-2018）封底混凝土與樁基鋼護筒間的容許粘結力取120 kPa，計算圍堰抗浮安全系數(shù)：

式（3）～（7）中：Kf為抗浮安全系數(shù)，宜取1.15；Fw為水的浮力標準值/kN，取30588.6 kN；Puc為波峰時的波浪浮托力，施工區(qū)域不涉及，取0；γw為水的容重/（kN/m3）；hw為鋼板樁圍堰內外水位差/m；An為扣除鋼護筒后基底凈面積/m2，取410.9 m2；Gc為封底混凝土自重/kN，封底厚度1.5 m，混凝土自重為14792.4 kN；Gz為所有樁基鋼護筒及樁基自重/kN；Gg為鋼圍堰自重/kN；γc為混凝土容重/（kN/m3）；Vc為基底凈體積，應扣除鋼護筒部分/m3；τ1、τ2、τ3分別表示封底混凝土與鋼護筒粘結力、封底混凝土與鋼板樁粘結力、鋼管樁及鋼板樁與土層間的摩阻力，應分別按《鋼圍堰工程技術標準》（GB/T51295-2018）表4.6.1-1、4.6.1-2 取值，鋼套箱圍堰不計側摩阻力；S1、S2、S3為封底混凝土與鋼護筒的接觸面積、封底混凝土與鋼板樁的接觸面積、鋼板樁及鋼管樁圍堰入土深度范圍外側接觸面積之和/m2；F1取Gz、樁基鋼護筒與封底混凝土粘結力τ1S1的最小值/kN，鋼護筒與封底混凝土之間的容許粘結力取12 kPa，則粘結力取16625.3 kN；F2取Gg+τ3S3、鋼圍堰與封底混凝土粘結力τ2S2的最小值/kN，取封底砼與鋼圍堰的粘結力18432 kN。將以上參數(shù)代入Kf=得到Kf=1.65＞1.15，滿足要求。

5 主要施工控制工藝

5.1 圈梁及內撐安裝

內撐系統(tǒng)的圈梁由2I45a 型工字鋼撐桿組成，結構為軸心受壓構件，其軸向尺寸應注意嚴格控制，預制精度要求為±1 cm。圈梁采用在加工場內加工成形，分段下放，并在托撐上焊接成整體。分段方式如圖13 所示。

圖13 鋼板樁圍堰圈梁分段示意圖

5.2 鋼板樁打設

鋼板樁圍堰樁長為24 m，采用9 m+15 m 兩種規(guī)格坡口對焊，對焊后打磨平整，加焊加勁板，接長的鋼板樁接縫數(shù)量單根不得超過1 道，焊接完成的加勁板不應對鎖扣產生干擾。

水中鋼板樁施打采用圈梁兼做導向，以控制鋼板樁的平面尺寸和垂直度，配合液壓打樁機逐片插打。鋼板樁質量關鍵點在于第1 片鋼板樁的插打，第1 片鋼板樁位于上游短邊中點，在插打前，在圈梁導向架上設置1 個自制限位框架，插打時背緊靠圈梁導向架，邊插打邊緩慢下放吊鉤。在互相垂直的2 個方向用全站儀觀測，以確保鋼板樁插正、插直。以第1 根鋼板樁為基準，以圈梁作為導向，控制鋼板樁的平面尺寸和垂直度，配合液壓打樁機逐片插打。鋼板樁先從上游的中心定位打設，向兩側延伸插打，上游1 個面打設完成后，一端打設角樁并按圖14 順序繼續(xù)打設，最后在下游角部合攏。

圖14 鋼板樁打設順序示意圖

5.3 基坑開挖

鋼板樁打設完成后，采用絞吸泵在鋼平臺上將圍堰內淤泥清除，清淤過程中采用4 臺15 kW 水泵從周邊向圍堰內注水，保證圍堰內外水頭平衡，圍堰內外水頭差不超過0.5 m，一次清淤至基底。

5.4 水下封底施工

封底采用水下C30 混凝土，采用垂直導管剪球法灌注，封底厚度為1.5 m。封底標高控制在承臺標高以下20 cm，承臺鋼筋綁扎前利用混凝土墊層調平。封底混凝土擴散半徑為2.5 m，導管底口距離基底15～30 cm，圍堰澆注區(qū)共布置3 根導管，一次性無死角完成水下封底混凝土澆筑?；炷翝仓R結束時，全面測量混凝土面標高，重點檢查導管作用半徑相交處、護筒周邊、圍堰內側周邊等部位。

5.5 基坑降水及堵漏

因鋼板樁鎖口聯(lián)接處存在不可避免的縫隙，在內外水頭壓差的壓力作用下，外側水流通過此縫隙進入鋼板樁圍堰而形成滲漏。在抽水過程中需進行堵漏，采用防漏橡膠條及高密度棉絮，填塞于鋼板樁接縫處，有效地防止?jié)B漏。河床底面土層透水性強，需在該處布設黃泥包，以便減緩水的滲透，同時圍堰里的滲漏通過設置4 個集水井，利用泥漿泵即可把滲漏的水抽干，保持干水作業(yè)。

6 基坑監(jiān)測

在基坑支護施工過程中，根據(jù)施工規(guī)范要求需進行支護監(jiān)測，收集其安全信息，主要包含鋼板樁及支護的結構變形、周圍河床面變化、基坑內側基底變化等，綜合分析各信息變化過程，并根據(jù)分析結果及時優(yōu)化原設計以達到安全且經濟之最終目的。結合本項目深基坑特點，主要監(jiān)測項目為鋼板樁支護結構傾斜及位移監(jiān)測、內支撐支護結構的軸力及應力監(jiān)測、周圍土體位移監(jiān)測、基坑內水位觀測等。通過圍堰結構設計優(yōu)化，施工過程中采取的有效措施，各項指標最大值統(tǒng)計如下：最大位移為1.1 mm；豎向沉降為15 mm；圍堰周邊土體累計沉降為25 mm；基坑內水位日變化量≤300 mm。各項監(jiān)測指標滿足施工技術規(guī)范要求。

7 結語

三江口特大橋邊墩承臺為海上深水基坑樁臺，基底承載力差。對于這種淤泥質河床較厚的地質條件，通過本文中的結構模型理論計算及關鍵技術控制措施，采用超長鋼板樁圍堰，可有效解決類似施工難題，降低施工成本，縮短施工工期，達到預期目標。