施工順序對鋼板樁圍堰安全性的影響

李 亮

(中鐵十五局集團第一工程有限公司 西安 710016)

隨著大跨徑橋梁的發展，鋼板樁圍堰施工技術因其結構強度高、施工便捷、防水密實性良好等優點，已成為水上施工的首要選擇[1-2]。目前，鋼板樁圍堰工程多采用先抽水再支撐的施工方法，逐層支護，在施工過程中鋼板樁圍堰因支護未能及時到位，且支護前抽水時已經產生了變形。隨著施工逐步積累，在鋼板樁圍堰工程中將會發生較大的變形，施工風險較高，容易引發安全事故[3-4]。

基于傳統施工方法，為了改善鋼板樁圍堰自身變形，采用在抽水前先設置支撐系統，再一次性抽水到底的改進施工方法。該方法將預先焊接好的圈梁、支撐下放至設計標高，與鋼板樁連接好，再一次性抽水到底。就鋼板樁圍堰的變形而言，改進的施工順序使支撐系統在抽水前已安裝到位，鋼板樁結構具有較大的剛度，能較好地控制變形，減小位移，同時避免了常規施工中未支撐先抽水發生的變形累積問題。

1 工程概況

湖北岳口漢江特大橋橋長473 m，橋跨布置為32 m+50 m+93.7 m+260 m+38 m混合梁獨塔斜拉橋，橋型布置見圖1。

圖1 岳口漢江特大橋橋型布置圖(單位：cm)

其中P4墩是岳口漢江特大橋主墩。該墩承臺平面尺寸為23.7 m×26.9 m、高6 m，位于漢江水面以下，埋置在河床之中，屬低樁承臺，底部高程16.78 m。P4主墩位于河流中心，采用鋼板樁輔助施工主墩承臺，鋼板矩形樁圍堰尺寸為28.02 m×32.0 m，樁長24 m，采用2根SX-27型鋼板樁焊接而成，設3層內撐，施工水下封底混凝土，入土深度16.5 m，樁頂標高31 m，最大水位標高30 m，河底高程23.5 m，水下采用2.5 m厚C25混凝土封底。相關圍堰及系統參數為：①鋼板樁采用SX-27鋼板樁，每米鋼板樁抗彎截面系數W為2 700 cm3；②圈梁第一道采用2HN588×300，第二道采用2HN700×300的焊接雙工字型截面，第三道采用2HN900×300的焊接雙工字型截面；③第一道支撐采用直徑630 mm×壁厚6 mm的圓管撐、第二、三道支撐采用直徑820 mm×壁厚12 mm的圓管撐。圍堰平面及立面布置見圖2～3。

圖2 P4主墩圍堰平面布置圖(單位：mm)

圖3 P4主墩圍堰立面示意圖(單位：高程，m;尺寸，mm)

2 鋼板樁圍堰工程施工方案對比

漢江特大橋梁P4主墩鋼板樁圍堰工程采用改進的鋼板樁施工方案，對鋼板樁圍堰支撐體系進行水下支護。施工流程如下。

1) 施工準備，同時將掛籃等吊裝系統安裝到位。

2) 將第一層圈梁提升至+29.5 m臨時放置，第二、三層圈梁提升至+28.5 m、+25.0 m。

3) 安裝第一、二層圈梁內支撐，對第二層圈梁臨時抄墊完成后抽水至+24.5 m。

4) 安裝第三層圈梁內支撐，完成后回灌水。

5) 水下清淤，去除多余土體，并整體下放第一、二、三層圈梁至設計位置。

6) 水上抄墊第一層圈梁，水下抄墊第二、三層圈梁。

7) 最后吸泥、封底、抽水、承臺施工。

8) 第一次承臺澆筑完成后，承臺與鋼板樁之間填砂并澆筑混凝土，等強后拆除第三層內支撐，施工第二次承臺。

上述為改進的施工工藝，傳統鋼板樁圍堰工程施工流程為：施工準備(同時樁基檢測)→測量定位→導向樁制作(鋼板樁內支撐1)→打鋼板樁→挖土→鋼板樁內支撐2→挖土→封底混凝土→破除樁頭→施工第一級承臺→填砂、拆除內支撐2→施工第二級承臺。

傳統的施工工藝流程中，鋼板樁圍堰在抽水時，由于內外水壓力之差，使得鋼板樁圍堰發生了變形，逐層積累，最終鋼板樁的變形較大，存在較大的安全隱患[5-7]。對比2種不同的施工流程可以發現，漢江特大橋P4主墩鋼板樁施工流程，采用2次抽水支護的工藝，首先對鋼板樁進行水下臨時支護第一、二層支撐系統，保證了抽水時鋼板樁圍堰體系的穩定，同時也限制了鋼板樁的變形。第一次抽水到24.5 m，抽水深度在3.5 m，水壓力不至于過大，同時也能進行第三層支撐系統的安裝，即保證了施工的進行，也能確保施工的安全性。對圍堰內進行再次灌水，保證了圍堰內外的水壓力一致，鋼板樁及支撐體系幾乎不受力，再次對鋼板樁進行水下支護時，鋼板樁圍堰無變形積累，鋼板樁圍堰工程最終變形較小。

3 主要工況受力分析

考慮到施工方法的改變，對主要施工過程進行鋼板樁圍堰受力分析，以確保結構的安全。分析施工步驟，選取整個施工過程中最重要的3個工況進行分析，分別為：①工況1，第二層圈梁提升至高程+28.5 m，安裝內支撐并抄墊，抽水至高程+24.5 m；②工況2，安裝第三層內支撐，回灌水，下放第二、三層內支撐下放到位并水下抄墊后，安裝第一層內支撐，最后吸泥，封底，抽水；③工況3，一級承臺施工完成后，填砂密實，拆除第三層內支撐，施工二級承臺。

采用midas Civil建立有限元模型，荷載考慮靜水壓力及土壓力，取1 m寬鋼板樁建模計算，在圈梁處建立彈性支座，第二、三層圈梁為只受壓、不受拉的彈性支座。根據工況不同，分別假定鋼板樁在開挖面以下2.65 m或承臺底以下0.5 m處鉸結。同時，在midas中采用施工階段模擬計算后一個工況考慮前一個工況變形對鋼板樁及內支撐的受力影響。圖4、圖5分別為最大彎矩、應力圖與圈梁壓力圖。

圖4 最大彎矩、應力圖

圖5 圈梁壓力圖

1) 對鋼板樁各施工階段的受力進行分析。由圖4可見，工況1鋼板樁圍堰的最大彎矩為315.1 kN·m，應力值為116.7 MPa，為整個施工階段過程中的最大值，鋼板樁的應力限值為180 MPa，因此，鋼板樁結構在施工中保有較大的安全儲備。工況2時，鋼板樁的最大彎矩值為289.8 kN·m，較工況1下降8%，應力為107.3 MPa。施工進行到工況3時，鋼板樁的最大應力為231.2 kN·m，應力值為85.6 MPa。與工況1對比，鋼板樁的應力值下降了26.6%(31.1 MPa)，由此可見，隨著施工的進行，鋼板樁所受應力降低，鋼板樁圍堰受力更加合理，結構更加安全。

2) 圈梁所受反力如圖5，在工況1中，第二層圈梁(暫且替代第一層內支撐)是唯一受力圈梁，圈梁所受反力為93.7 kN。圈梁承擔受力主要在工況2和工況3階段，第一層圈梁所受反力分別為93.2 kN和96.2 kN；第二層圈梁分別為231.4 kN和251.5 kN；第三層圈梁分別為335.2 kN和356.1 kN 。由上述數據可知，各層圈梁所受反力在不同工況中基本相同(相差小于8%)，圈梁受力均勻，可充分發揮材料的特性，減小截面，降低施工難度。

施工過程中圈梁應力如圖6所示，圈梁的最大剪應力限值為140 MPa，最大組合應力限值為240 MPa。

圖6 圈梁應力圖

由圖6可見，各層的剪應力值分別為30.5，64，54.9 MPa，均小遠于限值140 MPa(最大僅為規定限制的39%)，結構的安全系數較高。同時各層的最大組合應力為97.9，196.5，174.7 MPa，均小于規定限值，且存在一定的安全儲備，可降低施工過程中的風險，保證施工安全進行。

鋼板樁圍堰結構中的直徑630 mm×壁厚6 mm內支撐最大拉應力為75.8 MPa，僅為材料受力限值的31.6%(材料允許限值為240 MPa)，最大組合應力為75.8 MPa，也低于限值162 MPa，直徑820 mm×壁厚12 mm的內支撐最大拉應力為104.9 MPa，僅為材料限值的43.7%，最大組合應力為104.9 MPa，而組合應力限值為192 MPa，因此，改進的施工方法中鋼板樁圍堰結構的內支撐能為結構提供較多的安全儲備，有效地提高施工安全。

綜上所述，結合施工步驟，對鋼板樁圍堰進行施工仿真模擬，從鋼板樁圍堰各部件的應力及彎矩角度分析，結構是屬于安全的，整個施工過程能夠滿足工程需求，不存在結構受力上的安全隱患。改進的施工方法能有效地利用材料的性能，降低了施工成本，同時也能較好地保證施工的安全進行。

4 鋼板樁圍堰施工實時監測

根據工程進度，對鋼板樁圍堰施工階段進行樁頂位移沉降監測，結果統計見圖7。從監測結果可知，P4墩鋼板樁圍堰采用的改進施工工藝最大樁頂位移為118 mm，發生在橫橋向最大長邊跨中處；有限元模擬分析結果表明，改進施工方法，鋼板樁的最大樁頂位移為124.6 mm，與實際工程監測結果較為相近，因此可知模擬較為貼合實際，可作為施工參考。

圖7 樁頂位移最大值

采用常規施工工藝對實際工程建立模擬仿真研究，分析結果表明：本工程若采用常規施工工藝進行施工，3層支撐不能保證施工的安全性，需要對鋼板樁圍堰進行5道支撐加固，才能保證工程安全可靠進行。常規施工工藝下，鋼板樁圍堰的最大位移為300 mm左右。對比可知，改進的施工工藝能有效地控制鋼板樁的變形，提高鋼板樁圍堰施工的安全性。

5 結論

1) 利用改進的施工方法，鋼板樁支撐體系基本在水下抄墊完成，鋼板樁內外側水壓差可以控制幾乎為0，這使得鋼板樁和圍檁施工完成之前均可以不受力，降低了安全風險。

2) 由于所有構件均可以在施工完成之前不受力，故可將原設計為5層圍檁改變為3層圍檁，提高了各層圍檁之間的豎向間距，減少支撐數量，減少安裝次數，節約材料，同時將一、二層圍檁固定成整體施工有利于給鋼板樁做導向。

3) 所有工序施工完成后可以一次性抽水，一次性成型，能夠提高施工效率。

4) 對比常規的施工順序，改進的施工方法通過預先對鋼板樁進行水下支撐，能有效地控制鋼板樁圍堰及土體的變形，同時改進的施工方法對結構的變形有益，極大地限制了結構的變形，對變形要求較高的工程有很大的意義，且改進的工序能有效地保障施工的安全性，推動鋼板樁向更深的應用方向發展。

[1] 李迎九.鋼板樁圍堰施工技術[J].橋梁建設,2011(2):76-79.

[2] 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,2014,36(增刊2):159-164.

[3] 彭旭東.大跨度懸索橋鋼圍堰基礎施工風險分析研究[D].武漢：武漢理工大學,2014.

[4] 王加利,潘泓,曹洪,等.基于監測數據的鋼板樁圍堰改進施工技術分析[J].施工技術,2011,40(24):81-84.

[5] 王青蕊.游蕩性河床橋梁深水低樁承臺拉森鋼板樁圍堰設計施工技術[J].鐵道建筑技術,2015(3):54-58.

[6] 劉春陽，張淑華，陳光明，等.加勁拱肋對改善冷彎鋼板樁局部屈曲性能的探究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2016，40(1)：164-167,173.

[7] 安關峰,劉添俊, 張洪彬.深水逆作法鋼板樁圍堰設計與施工[J].施工技術,2014(19):57-60.