帶拱形效應的板樁圍堰設計及施工工藝

楊志剛，劉寧波，胡義新，曹勤濤

（中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

帶拱形效應的板樁圍堰設計及施工工藝

楊志剛，劉寧波，胡義新，曹勤濤

（中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

九龍江特大橋主2號墩承臺為八邊形，位于潮漲快、潮差大水域，施工存在很大風險。為解決承臺施工難題，通過方案比選，設計了一種帶拱形效應的圓端形鋼板樁圍堰，總結了該板樁圍堰的結構優點和施工要點，驗證了該板樁圍堰設計方法的經濟合理性和結構安全性，滿足異形承臺快速施工的要求。

拱形效應；圓端形；鋼板樁圍堰

在橋梁鋼板樁圍堰施工領域，圍堰形狀最常見的為圓形和多邊形，一般情況下根據施工條件和要求來選擇具體的形狀。在鋼板樁圓形圍堰中，其內部需要設置很強的圍檁系統，施工存在較大難度，若施工承臺的結構為方形或者多邊形，則需要多根內支撐，會造成內部承臺及墩柱施工困難；此外，圍檁的增多也會造成施工成本的大幅度上升。針對這種情況，研究設計出一種帶拱形效應的內支撐較少的圓端形鋼板樁圍堰。

1 工程背景

1.1 工程概況

九龍江特大橋西溪側主橋為獨塔扭背索斜拉橋，跨徑組成為88 m+200 m。邊跨為預應力混凝土箱梁，主跨為鋼箱梁。邊跨側為雙索面空間扭面索，主跨為準單索面。橋塔為獨柱式斜塔，橋面以上塔柱軸線向邊跨側傾斜8°，橋面以上塔高117 m，斜拉橋結構體系見圖1。

主2號墩基礎為整體式高樁承臺基礎，承臺尺寸30.5 m×24 m×6 m，承臺底標高為-2.841 m（國家85高程），頂標高為+3.159 m。主2號墩承臺位于水中，最高施工水位為+4.77 m。承臺結構見圖2。

1.2 水文地質條件

1）流向：九龍江特大橋橋位與河道水流方向呈正交，橋梁軸線法線方向與水流夾角接近0°。

2）流速：西溪10～300 a一遇洪水水流平均流速達2.13～3.35 m/s，圍堰按10 a一遇流速設計。

3）最高潮位4.77 m，最低潮位-2.373 m，平均潮差4.5 m，最大潮差6.7 m。

4）該項目所在區域，地質含有淤泥、細砂和中砂等地層，地質情況見表1。

圖1 主橋結構布置Fig.1 Structure arrangement for the main bridge

圖2 主墩承臺結構示意圖Fig.2 Structure diagram of main pier p ile caps

表1 主2號墩地質情況表Table 1 Geologicalsituation table for No.2 main pier

2 方案比選及施工方法

2.1 方案比選

根據項目水文地質情況，結合橋梁的結構特點，初步擬定雙壁鋼圍堰、圓形鋼板樁圍堰和圓端形鋼板樁圍堰3種圍堰施工方案，見圖3，并進行方案比選，見表2。

圖3 圍堰施工方案Fig.3 Schemes of cofferdam construction

表2 方案對比表Table 2 Com parison of alternatives

分析認為：采用圓端形鋼板樁圍堰，可降低施工成本，提高施工效率。利用圓弧圍檁的拱形效應，在圓弧方向可不設內支撐，與方形圍堰相比，減少內支撐數量；與圓形圍堰相比，減少鋼材及封底混凝土的用量。結合現場實際條件和工期要求，選用方案三。

2.2 施工工序確定

根據現場施工條件，確定施工工序。

1）在低水位條件下，將影響圍檁安裝的8根鋼護筒割至+0.8 m標高的位置處，便于下層內支撐安裝。

2）采用浮吊吊裝下層支撐系統，再安裝上下兩層支撐系統間的豎向支撐桿件，以此安裝上層支撐系統。

3）以支撐圍檁作為導向，插打鋼板樁，注意沉樁精度，確保板樁通過鎖扣合龍。鋼板樁插打順序為：起始點為直線段鋼板樁和弧形段鋼板樁的連接點，然后從兩個方向插打鋼板樁，直至圍繞合龍成環形圍堰，利于合龍。

4）圍堰內帶水開挖，挖泥應遵循分層、對稱、適時卸荷原則。

5）帶水開挖至基坑底，吸泥，均勻投放砂袋。到指定標高，澆筑水下封底混凝土。

6）封底混凝土達到強度要求后，圍堰內抽水，并注意實時監測監控。

7）水抽完后，割護筒，鑿除樁頭，澆筑墊層，進行第1層承臺施工。

8）第1層澆筑完成，在承臺與圍堰之間回填砂或砂袋，拆除底層水平支撐管，保留圍檁不拆除，進行第二層承臺施工。

9）拆除圍堰時，先平衡內外水頭，逐一拔除鋼板樁。

3 圍堰設計

3.1 總體結構布置

選用18mSP-IVw型鋼板樁進行主2號墩承臺圍堰設計[1-3]，圍堰距承臺邊1.5～2.5 m，圍堰尺寸為35.5 m×27 m，見圖4鋼板樁圍堰布置圖。鋼板樁材質Q295bz，其余構件均采用Q235B。

圖4 鋼板樁圍堰布置圖Fig.4 Layout of steelsheet-pile cofferdam

3.2 不利工況分析

工況一：高水位帶水開挖至-7.17 m，尚未澆筑封底混凝土時的工況（即施工順序第4步）。

工況二：封底澆筑完畢，在施工高水位條件下的抽水工況（即施工順序第6步）。

工況三：第1層承臺混凝土達到強度后，基坑回填砂至承臺頂，割除下層鋼管撐桿，準備進行第2層承臺施工（即施工順序第8步）。

3.3 整體模型計算

運用ANSYS中Beam188和Combin14單元對各工況進行建模計算[4]，提取不利工況二的應力云圖（見圖5）。

圖5 工況二計算結果Fig.5 Results of working condition 2

圍堰最大組合應力126 MPa<205 MPa，滿足要求。

3.4 局部模型驗算

3.4.1 圍檁強度驗算

運用ANSYS中Shell63單元對圍檁建模進行局部應力分析（見圖6），圍檁局部應力151 MPa< 205 MPa，滿足要求。

圖6 圍檁節點綜合應力云圖（單位：MPa）Fig.6 Node stress nephogram ofpurlin（MPa）

3.4.2 封底混凝土強度驗算

運用ANSYS中Solid42單元對封底混凝土建模進行高水位抽水和低水位澆筑承臺工況計算，最大拉應力為0.53 MPa<1.27 MPa（C25混凝土抗拉設計值），滿足要求。

4 施工要點

該圓端形板樁圍堰結構新穎，利用圓弧的拱形效應，圓弧段圍檁不設置內支撐，降低施工成本，提高了施工效率。其加工制造及現場施工需注意以下幾點[5-6]：

4.1 結構加工制造

1）弧線段圍檁與直線段圍檁相交處焊縫嚴格按照設計要求，對接焊縫質量達到二級焊縫標準，不允許有氣孔、夾渣、焊瘤、飛濺等缺陷。

2）內支撐鋼管與直線段圍檁連接焊縫按設計要求焊接。

4.2 現場施工操作

1）對進場鋼板樁進行驗收，鋼板樁規格、長度、質量必須滿足要求。

2）圍檁加工尺寸及定位準確，圍檁節點必須按圖施工，特別是圓弧拱角節點和支撐與圍檁焊接節點。

3）焊接質量及形式達到圖紙要求。

4）采用雙面導向進行鋼板樁插打，同時控制好鋼板樁垂直度。

5）鋼板樁必須合龍，轉角處采用異形樁，合龍口處有必要也可以采用異形樁。

6）鋼板樁合龍前須在適當標高處開連通孔。

7）在圍檁支撐上不能堆放材料或搭設施工平臺。

8）按先圍檁后板樁的工藝施工。

5 結語

依托九龍江特大橋主墩工程實例，通過對異形承臺圍堰方案的比選及有限元建模分析，得出一種新型的圍堰形式，驗證了帶拱形效應的圓端形鋼板樁圍堰的設計方法的經濟合理性及結構安全性，滿足了異形承臺快速施工的要求。本文對圓端形鋼板樁圍堰的設計進行了較為詳細的介紹，對施工工藝方法及注意事項進行了概述，可為類似水中異形承臺圍堰施工工程提供參考。

[1]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S]. GB 50017—2003,Code for design ofsteelstructures[S]

[2]JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術規程[S]. JGJ 120—2012,Technicalspecification for retaining and protection ofbuilding foundation excavations[S].

[3]GB 50205—2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S]. GB 50205—2001,Code for acceptance of construction quality of steelstructures[S].

[4] 杜闖，丁紅巖，張浦陽，等.鋼板樁圍堰有限元分析[J].巖土工程學報，2014（S2）：159-164. DU Chuang,DING Hong-yan,ZHANG Pu-yang,et al.Analysis of steelsheetpile cofferdam using finite element method[J].Chinese Journalof Geotechnical Engineering,2014(S2):159-164.

[5] 李仁民，劉偉，陳曉鳳.大直徑圓形鋼板樁圍堰施工技術[J].施工技術，2013，42（13）：33-37. LI Ren-min,LIU Wei,CHEN Xiao-feng.Construction technology of large-diameter circularsteelsheet pile cofferdam[J].Construction Technology,2013,42(13):33-37.

[6] 邱訓兵.大型鋼板樁圍堰施工設計的思考[J].鐵道建筑，2005（9）：12-14. QIU Xun-bing.Thinking on design of cofferdam construction by using hulky steelsheetpiles[J].Railway Engineering,2005(9):12-14.

Design and construction of the sheet pile cofferdam with arch effect

YANG Zhi-gang,LIU Ning-bo,HU Yi-xin,CAO Qin-tao
（No.6 Engineering Branch Company ofCCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei430014,China）

As for the No.2 main pier bearing platform of Jiulong River Bridge,it is in the form of octagon and located at the area with fast rising tide and large tide scope,thus producing large potential risks in the construction.To solve the construction problems of the bearing platform,we compared some schemes,then designed round end type steel sheet pile cofferdam with arch,summarized the structure advantages and construction points for sheetpile cofferdam structure,and verified the economic rationality of the design method,which can meet the requirements of rapid construction for special-shaped bearing platforms. Key words：arch effect;rounded shape;steel sheet-pile cofferdam

U655.541

A

2095-7874（2016）11-0025-05

10.7640/zggw js201611006

2016-05-23

2016-07-14

楊志剛（1974— ），男，湖北浠水人，碩士，高級工程師，中交二航局副經理，路橋專業。E-mail：154674197@qq.com