黃河流域砂卵石地質鋼圍堰設計優化及施工技術探討

中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南 長沙 410117

目前，寧夏回族自治區境內已有21座橫跨黃河的公路大橋，另有新華僑黃河特大橋和營盤灘黃河特大橋正在建設策劃中。寧夏屬于黃河上游，其主要水文特征為水位高、流量大且有凌汛。圍堰的選擇對承臺施工安全、質量、進度及成本均有顯著的影響[1]，因此在該區域建設跨黃河特大橋，水中承臺圍堰方案選擇極為重要。

1 工程概況

烏海—瑪沁公路（寧夏境）青銅峽至中衛段工程A7標鎮羅黃河特大橋全長1289m，為全線控制性重難點工程。全橋共分為5聯22跨，橋跨布置分別為第一聯北岸引橋為(3×40)m、第二聯北岸跨堤橋為(40+40+75+ 40)m、第三聯主橋為(55+6×90+55)m、第四聯南岸跨堤橋為(40+40+75+40)m、第五聯南岸引橋為(3×40)m。引橋、跨堤橋及主橋上部構造均為鋼-混組合連續梁，下部構造為鉆孔灌注樁基礎+承臺+花瓶墩。全橋共設23個墩臺，其中8#～13#墩位于黃河中，主墩承臺采用整體式結構，承臺平面尺寸如圖1所示。

圖1 主橋8#～13#墩承臺平面尺寸圖（單位：cm）

2 承臺圍堰原設計方案

（1）原設計方案。根據兩階段施工設計圖要求，陸上及河槽內1#～7#墩、14#～21#墩承臺采用鋼板樁圍堰施工，水中8#～13#墩承臺采用單壁無底鋼套箱圍堰施工，均為先樁后堰法。無底鋼套箱由15mm厚的鋼板壁板與I18工字鋼豎肋和[10槽鋼水平加強肋組成。套箱內空設計尺寸為橫橋向25.7m×順橋向7.7m×高7.2m，平面尺寸如圖2所示。套箱分為兩節，首節高4m，深入河床底1.5m，末節高3.2m，伸出水位線上1.2m。套箱內順橋向共設3層φ630mm×16mm螺旋鋼管水平支撐，每層布設5道水平支撐，水平間距4.5m。

圖2 單壁無底鋼套箱圍堰平面圖（單位：cm）

（2）原設計鋼圍堰力學特性。采用Midas Civil有限元軟件對單壁無底鋼套箱進行三維仿真模擬，使用極限狀態法計算[2-4]。鋼圍堰豎肋、水平肋、壁板、圍檁及內撐均為Q235鋼材，其抗拉、抗壓、抗彎強度設計值取215MPa，抗剪強度設計值取125MPa。仿真分析結合鋼圍堰整個施工過程，按首節鋼套箱下水就位、次節鋼套箱下水就位、水下封底混凝土澆筑及封底混凝土等強后將水抽干這四個工況計算。分析結果得出，封底混凝土等強后將水抽干時，鋼套箱圍堰受力最為不利。計算結果如圖3所示，由圖3可知在最不利工況下鋼圍堰壁板最大組合應力為44.8MPa，鋼套箱豎橫肋及圍檁內支撐最大組合應力為77.3MPa，均遠小于Q235鋼材的抗拉、抗壓、抗彎強度設計值215MPa；鋼套箱整體變形僅為16mm；由于鋼圍堰與樁基鋼護筒采用焊接形式連成整體，故鋼圍堰整體穩定性及抗浮可不予計算。

圖3 最不利工況下鋼套箱圍堰力學特性

從計算結果可判斷，在最不利工況下單壁無底鋼套箱圍堰各項力學特性均未得到有效利用，造成較大資源浪費，且從鋼圍堰加工周期、吊裝難度及制造成本等方面考慮[5]，無底鋼套箱圍堰均不是該工程的最佳選擇。

3 鋼圍堰優化設計

（1）優化思路。為降低安全風險、加快施工進度、節約施工成本，針對該工程實際地質狀況并結合無底鋼套箱圍堰仿真計算結果，決定嘗試采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰方案[6]。考慮到砂卵石地質沉樁困難，對鋼板樁輔進行適當改進，在鋼板樁內安裝可抽拔的高壓射水管作沖散砂卵石引孔用。

（2）優化后圍堰構造。水中承臺采用優化后的拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰施工方案，鋼板樁材質為Q345鋼材，單根長為15m（試打時鋼板樁可深入河床底5～7m）。圍堰平面尺寸定為橫橋向28.5m×順橋向10.5m，圍堰內共設3層水平內支撐，為最大限度發揮圍檁力學性能，第一層圍檁采用雙拼HN500mm×200mm×10mm×16mm型鋼，第二、三層圍檁采用雙拼HN700mm×300mm×13mm×24mm型鋼，所有內支撐均采用φ630mm×10mm螺旋鋼管，圍檁及內支撐材質均為Q235鋼材。拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰平面圖如圖4所示。

圖4 拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰平面圖（單位：cm）

（3）優化后鋼板樁圍堰力學特性。仿真分析同樣結合鋼板樁圍堰施工整個過程，按鋼板樁合龍、圍堰內水位降至第一道內支撐下50cm處、圍堰內水位降至第二道內支撐下50cm處、圍堰內水位降低第三道內支撐下50cm處及水位降至承臺底等五個工況計算。分析結果得出水位降至承臺底時，鋼板樁圍堰受力最為不利，計算結果如圖5所示。由圖5可知，在最不利工況下鋼板樁最大組合應力為60.6MPa、最大剪應力23.5MPa，圍檁及內支撐最大組合應力為94.1MPa、最大剪應力60.3MPa，鋼圍堰整體最大變形為28mm。

圖5 最不利工況下鋼板樁圍堰力學特性

通過計算結果可判斷，最不利工況下鋼板樁圍堰的各項力學特性均良好，并且單個鋼板樁圍堰總鋼材用量僅為113t，而上述單個無底鋼套箱圍堰總鋼材用量達185t，鋼板樁可就近租賃，鋼套箱必須從鋼結構廠家定制，殘值率亦不高[7-8]。綜合考慮工程進度、圍堰造價、施工安全及可操作性，拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰在此工程中具有很明顯的優勢，故決定采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰施工方案。

4 鋼板樁施工技術

（1）施工準備。鋼板樁圍堰施工準備主要分為圍堰材料準備、機械設備準備及現場準備。為保證鋼板樁順利插打，鋼板樁備料時，在內壁每隔3～4m焊接一個用于固定高壓射水管的環扣，環扣直徑比射水管直徑大2cm。

（2）導向架安裝。采用DZ120A振動錘打入4根引導樁，并在每根引導樁內側分別焊接4個牛腿，作為導向架水平撐。在水平支撐上安裝雙拼HN700mm×300mm×13mm×24mm型鋼導向架，導向架與牛腿支撐采用臨時焊接固定。

（3）鋼板樁插打。為了確保鋼板樁能精準合龍，第一片鋼板樁的插打很關鍵，由于此工程位于大流速黃河流域，因此首片鋼板樁插打位置選擇在鋼圍堰側面。插打前，先在鋼板樁內壁安裝高壓水管并通水檢測是否堵塞。檢測無誤后開始插打鋼板樁，鋼板樁背面緊貼導向架，邊插邊下放夾板吊鉤。首片鋼板樁插打完成后，再向兩邊對稱插打其他鋼板樁，插打過程嚴格遵守“插樁正直、偏斜即糾、調整合攏”的鋼板樁圍堰施工十二字方針。每根鋼板樁插打完成后，應通過履帶吊立即將高壓射水管拔出。鋼板樁合龍位置選擇在圍堰下游處，合龍分四角合龍和中間合攏兩種方式，四角合龍對打設精度要求較低，該工程選在下游小里程側角落合龍[4]。

（4）內支撐安裝。拉森鋼板樁合龍后，圍堰內進行試抽水，降水高度控制在1m以下，觀察鋼板樁之間是否有滲漏水現象，如有則進行塞縫堵漏。內支撐與降水嚴格按照“分層支撐分層降水”的原則實施。降水至第一層內支撐下50cm處，施作第一層圍檁及內支撐；首層內支撐施作完畢，繼續降水至第二層內支撐下50cm，施作第二層圍檁及內支撐，直至第三層圍檁至內支撐施作完成。

（5）圍堰內淤泥及卵石開挖。該工程圍堰內砂卵石含量占比最大，淤泥次之。采用水下吸泥機吸泥沙和卵石效率低且易發生設備故障，故采用長臂挖掘機進行淤泥及卵石開挖，如圖6所示，直至封底混凝土底標高處。靠近鋼板樁和灌注樁附近的淤泥卵石較難挖除，通過潛水員持高壓水槍沖刷后再挖除。

圖6 長臂挖掘機清除圍堰內淤泥和砂卵石

（6）水下封底混凝土灌注。為防止抽水清淤后基底隆起或鋼板樁圍堰向內側變形，開挖完成后立即采用汽車泵澆筑封底混凝土。封底混凝土厚度通過圍堰整體穩定性、抗浮能力以及混凝土自身應力確定。經計算，該圍堰工程封底混凝土厚度定為1.5m。

（7）支撐系統監控。支撐系統監控是鋼板樁圍堰施工必不可少的工作，它對圍堰施工安全及質量控制有重要的意義。在圍堰內支撐施工、抽水作業及承臺施工過程中，對支撐系統進行密切監控，主要監測支撐系統的變形、鋼板樁變形、圍堰滲漏水情況、圍堰位移等。

（8）鋼板樁拔除。承臺澆筑完畢后，要拔除鋼板樁。鋼板樁的拔除時間、順序及方法必須恰當合適，否則會由于拔樁的振動或拔樁帶出部分土體，引起地面沉降，給承臺結構帶來危害。綜合以往施工經驗及類似工程案例，該項目圍堰拔除起點選擇在下游角樁位置處，從兩側對稱向上游拔除。拔樁時，先用打拔樁機夾住鋼板樁頂部，用液壓鉗配合振動錘先振動幾分鐘，使鋼板樁周圍填充物松動，減少填充物對鋼板樁的摩阻力，然后再緩慢向上拔起。

5 建議

（1）插打鋼板樁時，若垂直度控制不理想，應分兩次進行施打，即先將所有鋼板樁打入約一半深度后，再進行第二次插打，直至設計深度，以保證能順利合龍。

（2）當河水流速超過3.5m/s時，應選擇在鋼圍堰側面或者下游位置施打第一根鋼板樁，必要時應在上游位置施打導流鋼管樁，以確保首根鋼板樁插打順利。

（3）砂卵石地層插打鋼板樁較為困難，應在鋼板樁內壁安裝高壓射水管以備引孔用。

（4）拔除鋼板樁時，應先按次序將所有鋼板樁均拔起2m左右，使其松動后，再依次逐根拔除。遇到樁間打卷及鎖扣變形的樁，宜采用大型設備將相鄰樁一起拔出。

6 結束語

截至2020年6月17日，烏瑪高速公路A7標鎮羅黃河特大橋所有水下施工任務已順利完成，比預定工期提前了2個多月。該項目針對大流速砂卵石地層鋼板樁插打困難問題，采用鋼板樁內壁安裝高壓射水管引孔技術，有效保證了插打速度及精度。用長臂挖掘機代替吸泥機挖除淤泥及砂卵石，確保了圍堰清底質量，降低了承臺不均勻沉降的風險。通過在鎮羅黃河特大橋工程實踐，證明在水深4～8m的大流速黃河流域砂卵石地質條件下，使用鋼板樁圍堰代替鋼套箱圍堰是可行的，鋼板樁圍堰方案能大幅度降低施工成本、加快工程進度，社會及經濟效益顯著，可為今后類似工程提供參考。