河道筑島拉森鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

羅安邦 陳睿基 李曉敏

摘要：文章結(jié)合某高速公路項(xiàng)目橋梁下部結(jié)構(gòu)施工實(shí)例，對(duì)拉森鋼板樁圍堰施工中在極端荷載工況下的鋼板樁受力情況進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了圍堰方案的可靠性和穩(wěn)定性，并總結(jié)了河道筑島拉森鋼板樁圍堰施工的關(guān)鍵技術(shù)及操作要點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)鋼板樁因雜填土或巖層不均勻?qū)е聝A斜的問題，提出了多種有效的糾偏方法，為后續(xù)施工提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：拉森鋼板樁；筑島圍堰；深基坑；有限元模擬

中圖分類號(hào)：U445.55+6? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文意編號(hào)：1673-4874（2024）04-0112-04

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷深入，橋梁建設(shè)面臨的復(fù)雜工況逐漸增多，橋梁承臺(tái)時(shí)常需要鄰水而建，為了防止河道水流涌入基坑，通常采用河道筑島圍堰施工技術(shù)。拉森鋼板樁河道筑島圍堰施工技術(shù)作為一種新型施工技術(shù)，具有施工速度快、圍堰穩(wěn)定性好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程中逐漸得到了廣泛應(yīng)用［1］。本文依托廣西某高速公路跨義昌江大橋建設(shè)工程實(shí)例，對(duì)拉森鋼板樁河道筑島圍堰施工技術(shù)進(jìn)行研究，介紹和分析了拉森鋼板樁筑島圍堰施工的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)極端工況下拉森鋼板樁的受力情況進(jìn)行有限元分析驗(yàn)算。

1 工程概況

某高速公路懸臂澆筑梁橋跨越義昌江，全長(zhǎng)416 m，左、右線主橋橋跨布置均為（44+80+44）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主墩采用矩形實(shí)心墩，過渡墩采用矩形蓋梁實(shí)心墩，橋墩均采用樁基礎(chǔ)。主墩承臺(tái)位于河岸邊，河流河面標(biāo)高為36 m，主墩承臺(tái)頂標(biāo)高均為35.5 m，承臺(tái)底標(biāo)高為32.2 m。承臺(tái)原地面標(biāo)高為38 m，施工需要進(jìn)行深達(dá)6.8 m以上的深基坑挖掘，因此需要進(jìn)行筑島圍堰作為施工平臺(tái)。

2 地質(zhì)概況

義昌江兩側(cè)承臺(tái)場(chǎng)地巖（土）層自上而下分布為：粉質(zhì)黏土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。

3 圍護(hù)方式設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，基坑采用拉森Ⅳ型鋼板樁進(jìn)行防護(hù)，內(nèi)設(shè)2層圍檁，圍檁由腰梁及內(nèi)支撐、角撐組成，腰梁采用雙拼Ⅰ45a工字鋼，內(nèi)支撐及角撐采用337 mm×10 mm螺旋鋼管。為提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，保證基坑內(nèi)部無(wú)水環(huán)境，該工程采用C30混凝土封底，封底厚度1 m。

3.1 拉森鋼板樁插入深度計(jì)算

取最不利地質(zhì)情況計(jì)算，地層均設(shè)置為粉質(zhì)黏土層。當(dāng)開挖至基坑標(biāo)高而未安裝第二層圍檁時(shí)，為最不利受力情況，計(jì)算鋼板樁最小嵌固深度t：

t=x+y（1）

x=6Paγ（KKp-Ka）（2）

y=6Pyγ（KKp-Ka）（3）

式中：Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)，取值為tan2（45-/2）；

Kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)，取值為tan2（45+/2）；

K——被動(dòng)土壓力的修正系數(shù)，取1.6；

PxPy——分別作用于嵌入土體鋼板樁前后的靜止土壓力。

計(jì)算得t=4.92 m。

3.2 拉森鋼板樁圍堰穩(wěn)定性分析

為驗(yàn)證拉森鋼板樁圍堰穩(wěn)定，需對(duì)拉森鋼板樁圍堰施工過程進(jìn)行力學(xué)分析。

3.2.1 工況選擇

河道筑島并整平場(chǎng)地后，進(jìn)行拉森鋼板樁圍堰施工。按設(shè)計(jì)基坑樁位進(jìn)行拉森鋼板樁插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，排水開挖至腰梁以下1 m，完成第一道腰梁及內(nèi)支撐安裝；安裝腰梁及內(nèi)支撐后，基坑繼續(xù)排水開挖6.8 m后停止開挖，此時(shí)安裝第二道腰梁；基坑內(nèi)抽水，灌注封底混凝土，拉森鋼板樁圍堰施工完成。

當(dāng)基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，抽水并灌注封底混凝土?xí)r，基坑側(cè)壁所受水平荷載最大，因此，選取封底混凝土澆筑前后兩個(gè)工況進(jìn)行分析。

3.2.2 邊界及荷載計(jì)算

取最不利地質(zhì)情況計(jì)算，地層均設(shè)置為粉質(zhì)黏土層，黏土不是完全理想的不透水層，為確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，采用水土壓力較大的水土分算計(jì)算模式［2］。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）第3.1.6條，該基坑屬三級(jí)基坑，荷載基本組合取1.25倍主動(dòng)土壓力及水壓力+0.9倍自重。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，荷載施加情況如下頁(yè)圖1所示。

3.2.3 有限元結(jié)果分析

采用Midas Civil軟件對(duì)拉森鋼板樁圍堰進(jìn)行有限元分析，模型如圖2所示。鋼板樁圍堰中的腰梁、內(nèi)支撐、角撐采用梁?jiǎn)卧M；鋼板樁及封底混凝土采用板單元模擬。腰梁與內(nèi)支撐、角撐，腰梁與鋼板樁均采用一般彈性連接；鋼板樁底部采用僅約束豎向位移的一般支承邊界條件進(jìn)行約束。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，拉森鋼板樁圍堰在工作期間主要受到的荷載有水土壓力、施工人群、機(jī)械荷載及其動(dòng)力荷載、材料的自重等。各工況下的應(yīng)力云圖見圖3。

3.2.3.1 工況一：開挖至封底混凝土底面

此時(shí)，完成腰梁及內(nèi)支撐安裝，基坑繼續(xù)排水，開挖至設(shè)計(jì)封底混凝土底面后后停止開挖。

圍檁最大組合應(yīng)力σ=213 MPa。

鋼板樁最大組合應(yīng)力σ=216.3 MPa。

3.2.3.2 工況二：澆筑完成封底混凝土

封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第二道圍檁內(nèi)支撐。

圍檁最大組合應(yīng)力σ=89.8 MPa。

鋼板樁最大組合應(yīng)力σ=243.9 MPa。

3.2.4 結(jié)果匯總

由表1可知，在最不利地質(zhì)情況下，設(shè)計(jì)的圍堰方案均滿足要求。

3.3 封底混凝土強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)《簡(jiǎn)明施工計(jì)算手冊(cè)》［3］，封底混凝土厚度按式（4）計(jì)算：

h=3.5KMbft+D（4）

式中：K——安全系數(shù)，按抗拉強(qiáng)度計(jì)算的受壓、受彎構(gòu)件為2.65；

M——板的最大彎矩；

b——板寬，一般取1 000 mm；

ft——混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)規(guī)范，C30為1.43 MPa；

D——考慮水下混凝土可能與井底泥土摻混增加厚度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處于卵石層或風(fēng)化巖層，地質(zhì)情況較好，D取0。

其中，M值可依據(jù)封底混凝土按簡(jiǎn)支雙向板計(jì)算，公式如下：

M1=a1·p·l21（5）

M2=a2·p·l22（6）

p=γ水·h水-γ混凝土·h混凝土（7）

式中：a1、a2——[JP5]彎矩系數(shù)，根據(jù)計(jì)算跨度l1與l2的[JP6]比值，按表取用，分別為0.051 6、0.043 4；

γ水——水的重度，近似計(jì)算取10；

γ混凝土——混凝土重度，近似計(jì)算取24；

h水——水深度，取值為5 m；

h混凝土——封底混凝土厚度，取值1 m。

綜上，計(jì)算得h=1 m，表明封底混凝土采用C30時(shí)，厚度至少為1 m。

3.4 基坑滲水與排水驗(yàn)算

根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》［4］，采用式（8）計(jì)算基坑滲水量：

Q=F1q1+F2q2（8）

式中：Q——基坑滲水量（m3/d）；

F1、F2——基坑底面積、側(cè)面積；

q1、q2——基坑底面積側(cè)面積平均滲流量，地層選取滲透率較高的巖層粗砂及大礫石漂石層，則q1取2 m3/h，q2取0.1 m3/h。

根據(jù)式（8）計(jì)算，Q=F1q1+F2q2=12.1×11.1×2+（12.1+11.1）×2×4.8×0.1=290.892 m3/h。

則水泵排水量V=1.5Q=290.892×1.5=436.338 m3/h。

依據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》中的水泵進(jìn)口直徑與流量對(duì)照表，選擇2臺(tái)進(jìn)口直徑20 cm以上離心泵即可滿足工程需求。

4 主要工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 筑島圍堰施工

4.1.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→清理河床→筑島填筑壓實(shí)→堆放土袋→筑島加固。施工完成后清除筑島，清理河道。

4.1.2 操作要點(diǎn)

（1）測(cè)量放樣：完成實(shí)施橋梁樁基主體的測(cè)量放樣工作并確定筑島范圍。

（2）清理河床：使用挖掘機(jī)清理河床，除去透水性強(qiáng)的砂礫石，并填充不透水土。

（3）筑島填筑壓實(shí)：采用拋填法進(jìn)行水下填筑，分層夯實(shí)，并逐步推進(jìn)到河中間，完成后堆碼土袋。

（4）堆碼土袋：在島外邊坡堆碼土袋應(yīng)錯(cuò)縫、密實(shí)平整，迎水面和過水面堆雙層土袋，背水面堆單層土袋。

（5）筑島加固：填筑完成后，進(jìn)行碾壓，鋪墊50 cm碎石，即可進(jìn)行島內(nèi)橋體施工。

（6）監(jiān)測(cè)與維護(hù)：填筑完成后，用水準(zhǔn)儀對(duì)標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止沉降過大。設(shè)置水尺和觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水位和位移監(jiān)測(cè)，特別是暴雨期間，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控工作。

（7）施工完成后清除筑島，清理河道：橋梁完工后，按計(jì)劃拆除施工島體，以挖掘機(jī)裝自卸車方式進(jìn)行水上土方的拆除，水下土方使用抓斗式挖泥機(jī)進(jìn)行開挖并清理河道。

4.2 深基坑施工

4.2.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→鋼板樁打設(shè)→支撐安裝→鋼板樁合龍→基坑開挖及內(nèi)支撐安裝→橋梁主體施工→拆除內(nèi)支撐、拔除鋼板樁→回填場(chǎng)地。

4.2.2 操作要點(diǎn)

4.2.2.1 施工準(zhǔn)備

（1）測(cè)量放樣：在進(jìn)行建筑施工之前，必須對(duì)作業(yè)區(qū)域?qū)嵤┚_的測(cè)量和定位，以保證各個(gè)施工點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

（2）鋼板樁的吊裝、堆放：使用兩點(diǎn)吊裝法進(jìn)行裝卸，起吊時(shí)避免裝載過多鋼板樁，確保鎖口以免受損傷。堆放場(chǎng)地需選擇平坦堅(jiān)固、不易因壓力而沉陷變形的地方，并方便運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，堆放高度≤2 m。

4.2.2.2 拉森鋼板樁施工要點(diǎn)

（1）在進(jìn)行鋼板樁的插入作業(yè)時(shí)，必須確保樁身的垂直度，若發(fā)現(xiàn)樁身偏斜，應(yīng)立即進(jìn)行矯正，確保每組鋼板樁的傾斜度≤5%。

（2）在打樁過程中，樁頂必須安裝樁帽，以防止樁頂受損。同時(shí)，應(yīng)避免過度猛烈的錘擊，防止樁尖彎曲，導(dǎo)致后續(xù)拔樁作業(yè)困難。

（3）在打樁前，應(yīng)在鋼板樁的鎖口內(nèi)涂抹潤(rùn)滑油脂，以便于樁的打入和拔出。此外，還應(yīng)將防水混合料填充至鎖口內(nèi)，該混合料由黃油、瀝青、干鋸末和干黏土按2∶2∶2∶1的比例配制而成。

（4）為了精確地打設(shè)鋼板樁，應(yīng)采用屏風(fēng)式打樁法。鋼板樁的施打順序應(yīng)從水流的上游向下游進(jìn)行［5］。每6 m設(shè)定位樁，兩側(cè)安裝型鋼導(dǎo)向橫梁。先用樁板機(jī)吊起鋼板樁至插樁點(diǎn)，確保鎖口對(duì)齊，輕捶樁帽。為防止移位，設(shè)置卡板固定板樁，并提前計(jì)算導(dǎo)梁上板塊位置以隨時(shí)校正。鋼板樁安裝示意如下頁(yè)圖4所示。

（5）在鋼板樁圍堰合龍作業(yè)進(jìn)行到后期時(shí)，必須先對(duì)最后5～7片鋼板樁的底部間距進(jìn)行測(cè)定，并據(jù)此計(jì)算出必需的樁片數(shù)量。合龍過程中，可能會(huì)遇到兩側(cè)鎖口不完全平行的情況，例如出現(xiàn)一側(cè)較寬而另一側(cè)較窄，或左右錯(cuò)位等現(xiàn)象。為了解決這些問題，可以采取以下調(diào)整方案：①面對(duì)較大的上下尺寸差異，可以在合龍口的兩側(cè)樁體上點(diǎn)焊一對(duì)平行掛耳，然后通過倒鏈滑車進(jìn)行拉伸，直至達(dá)到規(guī)定的平行度；②若尺寸差異表現(xiàn)為上寬下窄，則在閉合口兩側(cè)的樁體上部點(diǎn)焊掛耳，并利用倒鏈滑車進(jìn)行拉伸，使樁體平行受拉，這有助于確保連接的穩(wěn)定性；③對(duì)于上窄下寬的尺寸差異，應(yīng)在合龍口兩邊的樁體上部點(diǎn)焊吊耳，通過倒鏈滑車進(jìn)行上部反向外拉和下部相向?qū)牟僮?，持續(xù)調(diào)整直至滿足平行度要求；④尺寸上下都較小時(shí)，將合龍口設(shè)置在角樁附近，用千斤頂頂推并設(shè)置吊耳，通過活動(dòng)導(dǎo)向迫使鋼板樁調(diào)整位置。若以上方法無(wú)效，可采用特制異型樁進(jìn)行合龍。

4.2.2.3 基坑開挖及支撐安裝施工操作要點(diǎn)

（1）分層開挖，每層厚度≤1 m，清理土方高差以保持均勻深度，避免土方擠壓鋼板樁。

（2）在進(jìn)行基坑土方挖掘時(shí)，挖掘機(jī)械應(yīng)避免緊靠鋼板樁工作。應(yīng)人工挖掘鋼板樁附近的土方，防止機(jī)械與樁體發(fā)生碰撞而導(dǎo)致?lián)p壞。

（3）基坑開挖施工中，應(yīng)定期復(fù)測(cè)平面控制樁和水準(zhǔn)點(diǎn)。

（4）腰梁及內(nèi)支撐安裝。在圍堰合龍結(jié)束后，為確?；邮┕ぐ踩仨毎惭b內(nèi)部支撐。當(dāng)挖掘至首層設(shè)計(jì)高程時(shí)，應(yīng)立即安裝第一道圍檁以加固基坑。后續(xù)開挖第二層設(shè)計(jì)標(biāo)高后，施作第二道圍檁，形式與第一道圍檁一致，中間鋼管連接部分需額外施作鋼板進(jìn)行加強(qiáng)，開挖至基坑底標(biāo)高后，進(jìn)行下一步封底混凝土施作，混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后即可拆除第二道圍檁。

4.2.2.4 土方開挖期間排水

（1）基坑內(nèi)，采用集水坑方式，由水泵抽排水。

（2）基坑外，水溝自然來(lái)水采用排水溝排到流水點(diǎn)，流入溝河中。

（3）若鋼板樁出現(xiàn)裂縫發(fā)生漏水：①封堵漏水部位，涂刷防水膠、覆蓋水泥砂漿、再涂一層防水膠；②嚴(yán)重漏水可考慮焊接修補(bǔ)，打磨裂縫、焊接、涂刷防水涂料。

4.2.2.5 基底處理

基坑開挖至設(shè)計(jì)封底混凝土底面標(biāo)高時(shí)，開挖集水坑，利用抽水泵抽水并清理整平底面。清底整平完成后，即可安排澆筑封底混凝土。

5 鋼板樁施工精度保障與糾偏

（1）在雜填土或卵石層段，鋼板樁在推進(jìn)過程中極易因石塊等側(cè)向壓力的不均勻作用而產(chǎn)生傾斜。為矯正這種偏斜，可在鋼板樁偏斜的位置，將其向上提升1～2 m，隨后再錘擊使其下沉。通過這種反復(fù)的上下振拔，可以震碎較大的石塊或改變其位置，從而修正鋼板樁的位置，降低其傾斜程度。

（2）鋼板樁打入深度按基底標(biāo)高控制，遇到堅(jiān)硬巖層無(wú)法打入時(shí)，若打入標(biāo)高低于基坑底，可切掉多余樁體，不再繼續(xù)打入，或可采用螺旋鉆鉆孔，方便鋼板樁打入，還可通過高壓水流（水刀）作為輔助工具，減少貫入抵抗力。

（3）當(dāng)鋼板樁在軸線方向上出現(xiàn)顯著傾斜時(shí)，可使用異形樁體來(lái)進(jìn)行矯正。這類非標(biāo)準(zhǔn)樁體通常設(shè)計(jì)為頂部寬、底部窄，或者其寬度超出或低于標(biāo)準(zhǔn)尺寸。根據(jù)實(shí)際的傾斜程度，可對(duì)異形樁進(jìn)行焊接加工以適配。在傾斜度較輕微的情況下，也可以利用卷?yè)P(yáng)機(jī)或葫蘆配合鋼索，通過逆向拉緊樁體后進(jìn)行錘擊，以實(shí)現(xiàn)矯正的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合廣西某高速公路跨義昌江大橋建設(shè)工程實(shí)例，從圍堰的設(shè)計(jì)、驗(yàn)算、施工角度開展拉森鋼板樁在河道筑島圍堰施工中的關(guān)鍵技術(shù)研究，主要結(jié)論如下：

（1）開展拉森鋼板樁圍堰穩(wěn)定性分析、封底混凝土強(qiáng)度計(jì)算、基坑滲水與排水驗(yàn)算，確保了施工期基坑安全，并驗(yàn)證了圍堰方案的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）總結(jié)了從筑島圍堰施工到深基坑施工各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)用操作要點(diǎn)，涵蓋鋼板樁施工、基坑開挖及支撐安裝、基底處理等方面，為實(shí)際施工提供了重要參考。

（3）針對(duì)鋼板樁因雜填土或巖層不均勻?qū)е聝A斜的問題，提出了多種有效的糾偏方法，為后續(xù)施工提供了實(shí)用指導(dǎo)，減少了潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：羅安邦（1997—），助理工程師，主要從事公路橋梁施工管理工作。