水下嵌巖鋼板樁圍堰設計施工研究

（中鐵五局集團貴州工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

1 工程概況

新建興泉鐵路梅江特大橋位于江西省贛州市寧都縣竹笮鄉，中心里程為DK80＋182，全長1900.06m，全橋樁基均采用機械成孔，主橋梁22～26#墩于梅江河內，設計樁徑為1.6 米樁長22 米。根據當地河道管理及環保要求設計將承臺厚3.5 米其中2 米全部埋入中風化巖層中，由于施工河域范圍內無碼頭設施及中型船舶通行，無條件采用單雙壁鋼圍堰。根據用拉森鋼板樁現場試驗情況，用液壓打樁機只能將鋼板樁打入強風化0.3 米時鋼板樁開始嚴重變形及卷口。因此鋼板樁需嵌入強風化及中風化巖層2 米中風化層是不可能。為了解決上述難題及施工需要，迫切需要一種全新的嵌巖鋼板樁圍堰設計施工技術。

圖1 主橋立面圖

2 工程地質和水文地質

根據設計勘察資料及現場調查，梅江河寬度為280 米，施工水位175.78m，枯水期水位為171.18m，水中墩承臺底標高23#-26#依次為167.27m、166.27m、165.77m、166.27m。河床常水位深4.5 米，地質情況為中粗砂、強風化、中風化砂巖。以25#墩為例地質情況為：河床1 米中粗砂層，下部為1 米強風化砂巖，承臺嵌入中風化砂巖1 米。中粗砂;浮容重γ=19kN/m3；摩擦角φ=5°；黏聚力C=20kPa；強風化砂巖浮容重γ=20kN/m3；摩擦角φ=20°；黏聚力C=15kPa；中風化砂巖浮容重γ=23kN/m3；摩擦角φ=40°；黏聚力C=35kPa。25#墩地質情況見圖2。

圖2 25#墩地質情況立面圖

3 水下嵌巖鋼板樁圍堰設計

3.1 結構設計方案

鋼板樁采用拉森Ⅳ型長度為12 米，采用4 道圍囹為雙拼Ⅰ45a,內支撐采用Φ609×10 鋼管。鋼板樁圍堰平面尺寸為17.8×13.8 米。鋼板樁根據承臺設計標高，需嵌入中風化砂巖6.5 米。考慮以最不利工況50年一遇最高洪水位標高25#墩為例設計。見圖3圍堰結構立面圖及平面圖。

圖3 圍堰結構立面圖及平面圖

3.2 有限元結構模型的建立

根據橋墩承臺設計平面尺寸、標高、地質水文情況結合拉森鋼板樁、型鋼、鋼管等材料，應用路橋有限元軟件建立模型。

3.3 拉森Ⅳ型鋼板樁受力分析云圖如下：

圖4 鋼板樁彎矩剪力分析圖

根據圍囹受力，第三層圍囹受力最大，根據圍堰圍囹支撐分縱向和橫向二個方向進行受力計算，按照連續簡支梁進行計算。根據軟件分析云圖計算結果，鋼板受力最大Mmax=38.13KN.m，Q=120.80KN。鋼板樁強度檢算:

鋼板樁采用拉深SP－IV 型，W = 2270 cm3，強度[σ]=215MPa，[τ]=110MPa，樁長12m。根據計算公式:

3.4 鋼板樁圍堰圍囹計算分析

圍囹經有限元分析結果為：第一道41.7 KN/m,第一道127.28 KN/m,第一道221.4 KN/m,第一道209.72 KN/m,所以以最不利情況第三道圍囹221.4 KN/m對圍囹進行分析驗算如下：

圖5 圍囹彎矩圖及剪力圖

根據第三層圍囹圍囹彎矩圖及剪力圖分析云圖，根據圍堰圍囹支撐分縱向和橫向二個方向進行受力計算，按照連續簡支梁進行計算。根據計算結果，圍囹受力最大Mmax=313.03KN.m，Q=409.07KN。圍囹采用雙Ⅰ45a 型鋼材料力學性能參數及指標。雙Ⅰ45a 型鋼 Wx= 2845240.56mm3A= 20400mm2圍囹強度檢算:

3.5 鋼板樁圍堰內支撐計算分析

鋼圍堰內支撐采用的是φ609 園鋼管材料，驗算時考慮到支撐預壓力和溫度的影響，驗算時軸力宜乘以1.2 倍的增大系數。內支撐最長度為12.9 米，支撐彎矩圖及軸力圖如下：Nmax=806.3KN，Φ609mm 鋼管的穩定性驗算 圓管壁厚 t=10 mm，A=37950.44 mm2 回轉半徑 i =427.107 mm ly=6922938104.18 mm4 軸力云圖見圖6。

圖6 內支撐不利內支撐軸力圖

采用的內支撐鋼管足穩定性要求。

3.6 鋼板樁圍堰穩定性計算

圖7 穩定性計算圖示

結論：鋼板樁及圍囹強度、穩定性等主要參數均符合要求，從計算看出嵌巖鋼板柱圍堰結構穩定性非常好。

4 關鍵施工工藝技術

4.1 施工工藝框圖

主要施工工藝是利用施工的棧橋、施工平臺為為輔助設施為基礎，。施工工藝流程圖見圖8。

圖8 關鍵工藝流程框圖

4.2 關鍵技術蜂巢定位板的使用

水下巖層槽的形成工藝：在平臺開槽處的首次利用定位板鉆孔，形成兩排緊挨著的孔洞群，拆除蜂巢定位板，首次逐次孔鉆進，再調整蜂巢定位板錯位D/2 鋼護筒直徑進行重新安裝并固定，錯位安裝定位板（詳細見圖9中的圖片），與原來已成孔位錯位D/2 進行固定（見圖9）。

圖9 關鍵工藝定位板結構圖

4.3 關鍵技術水下巖層槽的形成及鋼板樁安裝封底

水下嵌巖鋼板樁圍堰關鍵工藝：在橋梁樁基完成后，在平臺上開出與承臺對應的矩形槽，安裝多孔蜂巢雙層精確定位板裝置，引導鉆機逐孔鉆進、掃孔，最后在水下巖層中形成鋼板圍堰嵌巖所需要形狀槽。安裝鋼板樁圍堰并臨時固定，在水下巖層槽中鋼板樁與周邊存在一定的空間，利用研發的巖鋼板樁圍堰水下巖層部分的雙面同步混凝土封閉施工技術達到完全的封閉。實施效果如圖10。

圖10 實施效果

5 結束語

通過上述工程實例，可以看出適用于砂類土、粘土層等的鋼樁圍堰通過上述技術創新后解決了鋼板樁用難以用振動錘打入中風化、微風化的地層施工難題。鋼板樁嵌入巖層施工工藝是一種全新的技術創新及工藝技術。其關鍵技術為利用先在水下巖層成槽、安裝鋼板樁、水下巖層槽內封閉等主要工藝，有效降低了安全風險，對擬建承臺周邊的水環境和地質環境影響小，同時減小了對地基巖層的擾動和破壞。最大限度的擴展了鋼板柱圍堰的適用范圍。相比一次性使用的單雙壁鋼圍堰可反復使用、適應性臺、節約大量鋼材、節能環保、成本低、經濟效益顯著，推廣應用前景廣闊。