鋼板樁圍堰在天津新建海河大橋中的應用

趙蘭濤

(鐵道戰備舟橋處，山東齊河 251100)

1 工程概況

天津海河大橋位于天津東部，新建橋梁位于現海河大橋的東側，是一座主跨310 m+190 m獨塔雙索面、鋼混凝土混合型主梁斜拉橋。主橋長500 m，主孔跨越規劃中的復線閘及現用一線閘，其中21號墩獨塔地處海河船閘北岸，為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5 m，共100 根，梅花形布置，承臺尺寸為 46.5 m ×34.5 m ×5 m，地面高程約+3.4 m，承臺底高程為－3.163 m，承臺底距原地面6.563 m，地下水位標高 －1.6 m。

2 方案確定

天津海河大橋21號墩為獨塔基礎，承臺位于河床以下，且地下水位較高，承臺施工需要水下開挖基坑，開挖深度達6.8 m，考慮到鋼板樁圍堰防水性好、整體剛度性大、占用空間小、施工速度快、可多次使用等特點，故主墩基礎施工采用鋼板樁圍堰支護。

3 結構設計

根據河床地質情況，鋼板樁采用拉森Ⅳ型鋼板樁，長度為12 m，圍堰平面尺寸37.6 m ×49.6 m。圍堰頂高程為 +3.4 m，圍堰底高程為－8.6 m(鋼板樁圍堰設計方案如圖1所示)。

由于鋼圍堰平面長、短邊均較長，故鋼板樁圍堰內支撐中部采用傳力框架結構，圍堰四角采用斜角撐，鋼板樁圍堰內設兩道內支撐。施工時，第一道內支撐圍檁先起導向框架作用，待圍堰合龍后，焊接牛腿，使框架起支撐作用;第一道內支撐圍檁為2Ⅰ55a工字鋼臥放，斜撐為2Ⅰ45b工字鋼臥放，斜撐與邊梁要焊接牢固，直撐為φ630×10鋼管。第二道內支撐圍檁為3Ⅰ55a工字鋼臥放，斜撐為3Ⅰ45b工字鋼臥放，直撐為φ630×10鋼管。

4 鋼板樁圍堰結構驗算

4.1 地質資料

基礎開挖處土層為粉質粘土，內摩擦角為23°，容重為20 kN/m3，土層粘聚力C=8 kPa，施工荷載為40 kN/m2。地下水位標高－1.6 m，土壓力和水壓力按水土分算原則計算。

4.2 封底混凝土厚度驗算

圍堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水頭差引起的上浮力，封底混凝土標號為C25，其容重γ=24 kN/m3，封底混凝土厚度為0.8 m，取混凝土有效厚度0.5 m計算。

封底底面標高為－4.0 m，地下水位標高－1.6 m，封底混凝土所受荷載:q=γ水h水－γ混凝土h混凝土=10×(－1.6+4.0)－24×0.8=4.8 kN/m2。

4.2.1 抽水完成時，封底混凝土抗剪檢算

封底投影面積:A=49.6 ×37.6=1 864.96 m2;

樁基面積:0.785 ×1.52 ×100=176.63 m2(樁徑 1.5 m，樁數100，成樁后，護筒已拔出);

圍堰內實際投影面積為:1 864.96 －176.63=1 688.3 m2;

上浮力:F浮=4.8 ×1 688.3=8 103.8 kN;

每根樁基所承受的粘結力為:

8 103.8/(3.14 ×1.5 ×0.5 ×1 000 ×100)=0.04 MPa＜[0.20 MPa]。

圖1 鋼板樁圍堰設計圖

4.2.2 抽水完成時，封底混凝土抗彎檢算

按雙向四邊簡支板計算，Lx=4 000 mm，Ly=8 000 mm，Lx/Ly=0.5。

Mx=0.096 5×36 ×42=55.58 kN·m，My=0.017 4×36 ×42=10.02 kN·m。

取1 m單寬進行驗算:Wx=bh2/6=0.375 m3，采用C25封底混凝土，根據《鐵路混凝土與砌體設計規范》其允許彎曲拉應力為:[σ]=650 kPa。

4.3 鋼板樁強度及入土深度驗算

鋼板樁入土深度、鋼板樁長度采用等值梁法。等值梁法是當前工程界中應用最廣泛的一種用以計算圍護結構內力的方法，受力分析圖見圖2。

4.4 驗算工況及結果

4.4.1 驗算工況

鋼板樁計算長度按等值梁法確定。鋼板樁圍堰施工過程分五個工況進行分析(其中，工況一和工況二為水封工況;工況三和工況四、工況五為干封工況)。

圖2 受力分析圖

工況一:第一道支撐裝好后，干挖至－0.9 m標高。

工況二:第二道支撐裝好后，抽水吸泥至－4.0 m標高。

4.4.2 驗算結果

驗算結果見表1。

表1 驗算結果

4.5 內支撐受力驗算

鋼板樁圍堰內支撐受力采用midas進行受力分析。利用midas有限分析軟件對鋼板樁圍堰進行平面分析。計算模型中，鋼板樁圍檁、直撐、斜撐桿按梁單元進行模擬，鋼板樁圍堰模型如圖3所示。

圖3 受力分析圖（單位：MPa）

結論:直撐最大正應力 21.3 MPa＜0.81 ×[170 MPa]=137.7 MPa(Lx=1 280 cm，λx=Lx/ix=58.5，查表可得φx=0.81)，斜角撐最大正應力 20.7 ＜0.73 ×[170 MPa]=100.5 MPa(Lx=1 276 cm，λx=Lx/ix=72.9，查表可得 φx=0.73)。

圈梁 σmax=51.3 MPa ＜0.92 ×[170 MPa]=156.4 MPa，τmax=16.4 MPa＜[80 MPa](Lx=600 cm，λx=Lx/ix=34.3，查表可得 φx=0.92，滿足要求)。

以上為第一道內支撐受力驗算，原設計桿件截面滿足受力要求。參照以上計算，對第二道內支撐進行受力檢算。驗算結果見表2。

表2 內支撐受力驗算結果

5 鋼板樁圍堰結構施工

5.1 鋼板樁圍堰施工工藝及工序

插打定位樁→布設圍堰導向框架→逐件插打鋼板樁→基坑開挖，安裝內支撐→抽水、堵漏→承臺施工→拆除鋼板樁圍堰。

5.2 鋼板樁圍堰施工作業

1)施工準備:鋼板樁運至工地后，均應詳加檢查、丈量、分類、編號，特別要檢查鎖口，并在鎖口處涂以黃油，以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。

2)經測量定位后，插打定位樁、布置導向框架(第一道內支撐圍檁作導向框架)，在導向框架上放樣處每片鋼板樁的位置。

3)鋼板樁插打:插打鋼板樁是利用50 t履帶吊配合DZ90振動打樁錘進行的。打設過程中必須確保鋼板樁的垂直度，鋼板樁吊起后，需以人力扶持插入前一塊鋼板樁的鎖口內，動作要緩慢，防止損壞鎖口，插入以后稍松吊繩，使樁憑自重滑入或用錘重下壓。插打困難時，也可用滑車組強迫插樁，但拉力不宜過大，待插入一定深度穩定后，方可加以錘擊。

在插打過程中，每打4根～5根鋼板樁就要用靠尺測量垂直度，將鋼板樁的傾斜度控制在1%以內，否則就用倒鏈糾偏，當鋼板樁偏移太多時，只能采用多次糾偏的方法逐步減小偏移量。

4)鋼板樁圍堰合龍:為了便于鋼板樁圍堰合龍，合龍處的兩片樁應一高一低，合龍時往往出現“上小下大”(下端有土擠壓，上端是自由的)的情況，此時可用兩個走四滑車組向兩邊拉開，直至合龍樁兩邊樁頂的距離等于鋼板樁寬度為止，在接近平行時，再將合龍樁插入，打至設計標高。

5)抽水、安裝支撐、水下吸泥、封底:鋼板樁插打完畢后，即可利用挖掘機進行開挖并進行抽水，安裝內支撐。邊抽水邊堵漏，水抽干后即可挖機開挖至基坑底，然后灌注封底混凝土，將基底硬化，進行破樁頭、承臺作業等。

6)鋼板樁圍堰的拆除:待墩身施工完成后，向圍堰內注水，使內部水面位于最底層支撐以下，然后割除該層內支撐，以此循環，依次拆除完所有內支撐，然后用浮吊配合振動錘將鋼板樁逐片拔出，運離現場。

6 結語

新建天津海河大橋主墩鋼板樁圍堰施工中，采用midas軟件建立力學模型，通過受力分析計算，合理選擇了鋼板長度、內支撐結構形式，不但有效節約了材料，確保了圍堰受力合理，也為圍堰的施工提供了可靠的理論依據。