深水鋼板樁圍堰施工承臺技術研究

文｜岳陽市公路橋梁基建總公司 曾霄

無水環境對建筑施工十分重要，基坑支護、導流圍堰等均可以營造無水環境，從而方便施工。大型橋梁的施工中，承臺、橋墩施工也需要無水環境。鋼板樁可以釘入河底地基，利用片層結構擋水，形成密閉的圍堰，是橋梁下部支撐結構施工的重要保障。鋼板樁圍堰施工前，需要確定樁長等參數，從而保證圍堰的穩定性和安全性。

1 案例工程概況

芭蕉湖大橋西起芭蕉湖西岸，向東跨越芭蕉湖南部港灣，東至芭蕉湖東岸規劃雷公咀路，全橋長925m，橋梁采用（20×40m+4×30m）裝配式預制小箱梁，下部基礎主要為鉆孔樁加板式橋墩。芭蕉湖大橋是岳陽市北環線洛家山建設工程的一部分，北環線洛家山是湖南岳陽城陵磯臨港產業新區一條東西向城市快速路，位于芭蕉湖及城陵磯區。修建跨湖大橋既有利于美化當地環境，又可改善市內交通壓力，受到市民歡迎。芭蕉湖大橋設計全橋24跨，橋墩按左右幅獨立布置，均采用蓋梁接花瓶板式墩身。其中4-19跨為水中樁，樁基為技術成熟的鉆孔樁，樁徑為2米，樁長為20、23、25、27m不等。根據已有資料，芭蕉湖內常水位為26-27m(黃海高程)，最高防汛水位+27.56m，實際水深在4m左右。鉆孔樁施工期搭建有鋼管樁平臺，鉆孔樁施工完畢后，插打鋼板莊圍堰，開始承臺和橋墩施工。

2 芭蕉湖大橋鋼板樁圍堰及其主要參數

芭蕉湖大橋的下部支撐結構以獨立承臺和板式墩身為主。其中4-20#橋墩采用獨立承臺結構，承臺尺寸為8.2m×3.2m×2.5m。由于4-20#橋墩受水環境影響嚴重，擬采用鋼板樁圍堰技術，隔絕湖水和地下水，方便承臺和橋墩施工。鋼板樁圍堰技術在國內橋梁施工工程中較為常見。如銀川市黃河機場特大橋基礎施工中就采用了鋼板樁圍堰的技術，梅汕客專揭陽市段楓江特大橋承臺施工中也采用了鋼板樁圍堰技術。鋼板樁圍堰主要是在水環境中營造無水的微環境，需要考慮水壓等引發的安全問題。首先，鋼板樁打入水下地基需要有一定的深度，深度過淺不僅基礎不牢固而且容易發生管涌。其次，圍堰封底混凝土需要有一定厚度，一方面是為了防止河底的地下水上涌，另一方面是增加圍堰平臺的自重，防止上浮。最后，圍堰內必須設置鋼支撐，以避免水位上升后水壓使得圍堰變形或壓垮。因此，鋼板樁圍堰施工前，必須先確定鋼板樁長度、封底混凝土厚度和鋼支撐的材料學性質等重要參數，從而保證鋼板樁圍堰的穩固和安全。

根據《公路橋涵施工技術規范》(JTJ/TF50-2011)、《國家標準建筑基坑圍護技術規程》( JGJ 120-2012)等文件，可以根據理論公式計算出鋼板樁圍堰各類指標的參數值，同樣，根據已有工程案例，也可以獲得設計經驗。如根據赫宏偉（2019）在黃河機場特大橋基礎施工中的分析，該橋梁鋼板樁圍堰的鋼板樁采用15m拉森Ⅳ型鋼板，封底混凝土厚度為1.8m，內支撐鋼管直徑為1200mm。

李克智（2019）在分析梅汕客專楓江特大橋承臺施工鋼板樁圍堰技術后，指出該橋梁4-5號墩的鋼板樁圍堰封底厚1.5m、樁長 21m，共設有3道內支撐。這些已有的設計經驗，為本案例工程鋼板樁圍堰設計提供了很好的參考。

2.1 鋼板樁樁長的確定

鋼板樁樁長既與插入水下地基的鋼板樁深度有關，也與水體的相對水位有關。水位越高，鋼板樁必須越長。按最不利條件考慮，即按芭蕉湖最高防汛水位+27.56m計算，水面以上需要保留4.56m的長度。而水面以下部分，則需要根據土層結構、基坑支護安全等級、流土穩定性安全系數等來確定。本案中，鋼板樁施工的土層參數分別為4.0m左右的水深，1.0m左右的淤泥深，8.0m左右的粘性土，2.0m左右的碎石，其下是6.0m左右的強風化巖。抗管涌安全系數計算公式可以用來計算鋼板在基坑地面以下的長度安全值。該公式表示為：

式中，K為抗管涌安全系數；ld為圍堰插入基坑基地以下的鋼板長度(m)；D1為潛水水面或承壓含水層頂面至基坑底面的垂直距離(m)；γ'為基坑內土層的重度(kN/m3)；Δh'為基坑內外的水頭差(m)；γw為地下水重度(kN/m3)；

根據基坑施工規范要求，抗管涌安全系數需要大于基坑底部流土的穩定性安全系數Kse，基坑支護可以分為一、二、三級，對應的Kse分別不應小于1.6、1.5、1.4。本案中基坑支護等級為二級，抗管涌安全系數的值應大于1.5。且因為是水下施工，潛水水面即湖底面。根據計算，得出ld值大于4.24m即可。即鋼板樁圍堰只需要插入淤泥層以下4.24m,而鋼板樁水面以上長度取最大防汛水位4.56m,兩者相加可知鋼板樁長度大于8.8m即可。即同時滿足水下深度大于4.24m,水面高度超過汛期最大水位。根據施工方現有鋼板樁長度的規格，可選擇9m和12m長度的鋼板樁，打入地基深度可根據湖面水位高低來確定，保證深度大于4.24m。相應的鋼板樁長度也可以隨著水位調整，低水位區橋墩選擇9m長度的鋼板樁，深水位橋墩選擇12m長度鋼板樁。

2.2 封底混凝土厚度確定

封底混凝土是鋼板樁圍堰底層的封水層，也是圍堰內施工的基礎支撐層。其與鉆孔樁的樁外護筒相連，同時對鋼板樁圍堰起一定支撐作用。將整個鋼板樁圍堰看做一個整體，其在水中主要受水的浮力作用，因此，鋼板樁圍堰的自重以及與鉆孔樁外護筒的粘結力必須大于圍堰所受到的水的浮力，這樣才能保證圍堰不上浮和在水中的穩定性。圍堰所受到的浮力與其體積有關，可以表示為：，其中為水的容重，為圍堰的體積，其主要與承臺的設計尺寸有關。本案中承臺的尺寸為8.2m*3.2m*2.5m，相應的鋼板樁圍堰截面尺寸經驗值為10.8m*5.8m。圍堰底部與鉆孔樁的握裹力可表示為N=Q*S，其中Q為粘結力，S為截面積。本案中鉆孔工程樁共2根，鋼護筒直徑為2.2m，混凝土與鋼護筒粘結力取150Kpa。根據規范要求，圍堰的封底需滿足抗浮力安全系數，其計算公式如下。

其中K為抗浮力安全系數，大于1.05即可滿足要求，G為封底混凝土的自重，，為混凝土的容重，為混凝土的體積，根據以上公式可以計算出封底混凝土的最小厚度為1.02 m。為確保安全，本案取封底混凝土厚度1.2m。

2.3 鋼支撐的基本參數

鋼支撐的基本參數可以通過軟件模擬計算得出，現有的軟件工具如理正機構工具包、TSSD模塊均可以開展鋼板樁支撐及鋼圍檁的構件驗算。本案中采用理正軟件工具包驗證。驗證以鋼支撐強度計算為例，其最不利位置的強度在長邊中心點與斜支撐之間。通過鋼支撐的最大位移圖可以看出（見圖1）。

最不利位置強度應力按《鋼結構規范》公式(5.2.1)計算。

驗證用的支撐型號為609×16鋼管。其相應的參數為設計強度為215.00(N/mm2)，屈服強度:235.00(N/mm2)，通過將參數代入公式，設定強度安全系數5.29，可以得出設計材料是夠符合安全要求。通過計算，設計所選用的609×16鋼管構件在最大載荷下狀態安全，穩定滿足要求，強度滿足要求。

3 施工方案

3.1 鋼板樁圍堰施工方案

根據上文確定的參數，結合具體橋墩，可以開展鋼板樁圍堰的施工。鋼板樁圍堰施工前，清理鉆孔樁施工現場，并搭建鋼板樁圍堰的施工平臺。本案中，采用5米寬鋼便橋及30×15m長鋼平臺施工。需要支護鋼板樁圍堰的橋墩為4-20#。按照芭蕉湖大橋設計要求，4-20號橋墩中，每個橋墩由兩個獨立的承臺基礎組成，中間無連接。承臺基礎面標高為+24.00m，承臺高2.5m。橋墩承臺基礎下采用1.2m厚C30水下砼封底，封底底標高為+20.3m，鋼板樁圍堰采用小止口拉森FSP-IV鋼板樁，內設兩道鋼支撐。鋼板樁樁頂標高為+28.06m，樁長12.0m；鋼支撐采用HW400×400型鋼支撐，鋼圍檁采用2HW400×400型鋼雙拼圍檁（見圖2）。

整個鋼板樁圍堰的施工流程如下：

拆除平臺、河床清理→設置圍堰導向→插打鋼板樁→安裝第一道圍、支撐→抽水、吸泥→封底→安裝第二道圍、支撐→清理基礎、抽水→下道工序。

3.1.1 鋼板樁材料檢驗

圖1 鋼板樁圍堰的支撐位移圖

圖2 鋼板樁圍堰示意圖

拉森鋼板樁具有U型面和兩端鎖扣結構，每兩根鋼板樁通過鎖口無縫對接，從而緊密連成連續墻，具備擋水功能。拉森鋼板樁通過物理鎖連以保證防水效果，每塊鋼板樁的形狀的規則性需要保證。一旦有鋼板樁上下截面不對稱，鎖口發生變形和缺漏，則難以形成防水結構或對最終的合龍造成影響。因此，開展鋼板樁圍堰施工前首先需要對進場鋼板樁進行檢查、測量、編號和檢驗等，以確保后續工作順利開展。檢測中，要測量每片鋼板樁分上中下三部分的寬度和厚度，上下截面的寬度差值需要在1cm以內。鎖口需要結構完整，無變形和缺口。為保證每塊鋼板樁的鎖口正常，應開展鎖口檢驗。以長度2-3m的短樁為試驗插拔樁，檢驗每塊鋼板樁兩端鎖扣的連鎖性能，不能通過的鋼板樁盡量不要選用。如果鋼板樁出現小的質量問題，也可以通過焊補、鉚補等方式修理，保證每塊鋼板樁的質量。

3.1.2 鋼板樁接長

本案中鋼板樁的長度分為9m和12m兩類，根據湖面水深狀態選擇采用哪種長度的鋼板樁。如果鋼板樁長度不符合要求，則需要接長。將兩截短鋼板樁焊接一起，即為接長。焊接時，先“U”形內側，然后焊接外側。鋼板樁接長是必須保證兩鋼板樁對接順直，必須保證焊接面平整且焊縫有足夠的厚度，焊工水平需要保證，不允許無焊接鋼板樁經驗者焊接，焊接接長允許誤差需要在規定范圍內。焊接完成后，還需要重復開展短樁插拔試驗，插拔需要通過焊接點，以保證焊接不影響連鎖。

3.1.3 鋼板樁定位及插打流程

鋼板樁插打之前需要先固定導向結構的具體位置。可以用全站儀等輔助施工。在插打鋼板樁前先利用鋼護筒和棧橋臨時準確放樣、安裝第一層圍檁及支撐，并采用第一層圍檁作為定位橫梁作導向，以保證鋼板樁插打的垂直度和平面位置。圍檁和支撐臨時固定在鋼護筒和棧橋上應焊接牢固，并在鋼板樁插打后及時焊接支撐牛腿，加固支撐和圍檁，確保圍檁位置準確不變形。

鋼板樁插打

鋼板樁從圍檁導向中心開始插打。插打可選用合適的插打機械，插打深度根據計算值確定。第一塊鋼板樁要絕對避免傾斜，彎曲等，深度在設計深度時，還要根據土層狀況，插打進較硬基底部。防止第二塊鋼板影響第一塊板的定位。

圖 3 鋼板樁打入現場圖

圖 4 鋼支撐結構示意圖

（1）首根鋼板樁打入

用合適的振動錘插打首根鋼板樁，第一根拔樁沉放后又兼作其它板樁的豎向導向，故第一根板樁的沉放精度要求較高。履帶吊在棧橋上就位，先將鋼板樁起吊豎向，在棧橋邊臨時固定，再吊起振動錘夾住板樁頂部，吊到擬沉放位置，沿導梁自然下降，檢查其平面偏位和垂直度，滿足要求后開啟振動錘，將鋼板樁緩慢下沉至設計標高，邊插邊持續測量其垂直度，出現偏差及時調整。

（2）其余鋼板樁打入

第一根鋼板樁定位完畢后，后續鋼板樁可依據同樣操作插打。后一根鋼板樁必須沿著前一根鋼板樁鎖口并緊靠導梁，然后利用振動錘下沉到設計標高。為穩固插打深度，可以將已經插入的鋼板樁點焊到導梁上。如果樁的豎直狀態有偏差，可以用千斤頂、木楔、導鏈等進行位置調整，調整中需要精細化操作，一次性糾偏不能太多，以免鎖口卡住，影響下一根鋼板樁的插打。插打過程中，須遵守“插樁正直，分散即糾，調整合龍”的施工要點。插打中需要多人協調作業，以避免出現偏差。（見圖3）。

（3）合龍段鋼板樁打入

鋼板樁圍堰拐角處采用現場加工制作的異型鋼板樁。鋼板樁圍堰合龍位置選擇在下游拐角處，鋼板樁插打剩下10根左右時，采取先插打合龍，合龍后再施打到設計標高。合龍是關鍵操作，即影響到圍堰的穩定性，也影響到防水性，因此需指定特別反感，本案中合龍采用異型鋼板樁合龍法，即根據最終合龍處合龍間隔的大笑，樁型的形狀，配置異型鋼板樁，通過割補異性合龍樁來保證合龍的嚴密性。合龍前，計算好異性樁的尺寸，若合龍有誤，用倒鏈或滑車組對位，使之合龍。為保證合龍順利進行，一般需要采用導鏈、滑車等工具，因此操作人員必須謹慎操作。合龍完成后即可開始清理基坑，開展封底混凝土施工。但如果圍堰漏水則會影響施工進度，因此，在合龍后抽水施工時，要密切注意各鎖口滲漏狀況。如發生輕微漏水，可以采用棉絮、軟布等在內側嵌塞。如果漏水嚴重，采取初期堵漏措施后，還應采用將粗砂、鋸沫粉、水泥等永久封閉材料進一步將鋼板樁鎖口密封，直到整個圍堰不漏水為止。

3.2 鋼支撐施工方案

本案中共設置2層鋼支撐，鋼支撐安裝前先進行預拼，按實際丈量長度并根據鋼支撐的結構件模數進行鋼支撐的拼接，預拼后兩端支點中心線偏心不大于20mm。鋼支撐配置時考慮每根總長度比支護結構凈距小10～30cm。安裝采用兩點吊裝，吊點一般在離端部0.2L左右為宜，本案中鋼支撐的結構示意圖如圖4所示。

支撐吊裝采用吊車一次性架設到位，所有的支撐均在地表完成接裝，整體吊裝到位，支撐架設質量控制（水平位移、高差、軸線）參照有關施工規范。各支撐的長度尺寸要首先計算好，如果支撐過程中，鋼架不能與鋼圍檁相支撐，則應在圍檁面與支撐端頭之間加設鋼板墊塊，并通過千斤頂等工具增加預應力，保證鋼架結構與鋼圍堰之間的軸向支撐受力。在支撐的節點或轉角位置，型鋼構件的翼緣和腹板均應加焊加勁板，加勁板的厚度不應小于10mm，焊接高度不應小于6mm。

總結

采用鉆孔樁技術，結合鋼板樁圍堰，可以有效地縮短橋梁下部支撐結構的施工時間。圍堰在水中的主要威脅是水的壓力或浮力，因此，需要選擇合適的樁長，并確定鋼板樁打入水下地基的深度.此外,封底混凝土層的厚度、鋼支撐的結構強度等，均會影響鋼板樁圍堰的安全性，設計時需要首先確定好此類參數。施工中，鋼板樁的打入、接長、合龍等均需要豐富的施工經驗，確保圍堰不漏水，不變形是施工的關鍵。