不對稱側壓力鋼板樁圍堰施工關鍵技術

馬朋朋 李玉坤

摘 要：在涉水水域進行承臺施工時，大多會采用圍堰結構來進行基坑防護，鋼板樁圍堰因其結構簡單、施工方便的優點被廣泛推廣，在鄰水區域施工時，會存在基坑兩側存在較大不平衡土側壓力的情況。為了對不平衡側壓力樁體下鋼板樁圍堰的施工技術進行研究，以萬福路京杭運河橋為依托對其方案設計、受力分析及關鍵施工技術進行了研究。研究表明在采用合適的支撐設計條件下鋼板樁圍堰可以承受不對稱水平力的作用，當兩側不平衡力過大時可在壓力大一側設置雙排鋼板樁，提高圍堰的整體承載能力，相關研究成果可為后期類似工程施工提供參考。

關鍵詞：深基坑;鋼板樁圍堰;不平衡土壓力;受力分析;施工工藝

中圖分類號：U445.556 文獻標識碼：A

0 引言

圍堰是橋梁工程涉水施工必不可少的臨時性結構形式，圍堰的施工可為橋梁承臺及墩柱施工提供安全可靠的無水作業環境。根據橋梁不同的結構形式和施工環境特點可選擇不同的圍堰形式進行施工。目前，常見的圍堰形式包括鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、沉井圍堰、單壁鋼套箱圍堰、雙壁鋼套型圍堰等結構形式[1-3]。其中，鋼板樁圍堰是中小跨徑橋梁承臺施工常用的圍堰形式，尤其是土質基礎的地質條件更為合適。這種鋼板樁圍堰具有施工簡單，施工成本低、施工周期快的特點，且鋼板樁可以周轉利用，組合效益好[4]。

但常用的鋼板樁圍堰四周的水壓力、土壓力引起的水平力基本處于對稱狀態，鋼板樁圍堰總體處于自平衡狀態。當圍堰外側的水平力處于不對稱狀態時，圍堰整體會受到不平衡力的影響，對圍堰的承載能力提出了更高的要求。為了對非對稱側向壓力鋼板樁圍堰的施工技術進行研究，本文以揚州市萬福路京杭運河大橋為依托對這種圍堰結構的關鍵技術進行研究。

1 工程概況

1.1 項目概況

揚州市萬福路跨京杭運河大橋是萬福路跨越京杭運河的重要通道。大橋設計為（42+140+42）m連續下承式鋼桁架拱橋，橫向由三榀拱肋組成，拱肋橫向間距為22.45 m。大橋的主墩位于京杭大運河中，單個主墩采用三座分離式鋼筋混凝土墩柱，墩間設系梁連接，單個墩柱下方設置一承臺，承臺在頂面設置橫向聯系梁，基礎為鉆孔灌注樁群樁。其中兩側立柱對應的基礎承臺尺寸為10.1 m×7.0 m（縱橋向×橫橋向），下接6Φ1 500 mm鉆孔灌注樁，中間立柱對應的基礎承臺尺寸為10.1 m×10.1 m（縱橋向×橫橋向），下接9Φ1 500 mm鉆孔灌注樁，承臺厚度4 m。

1.2 水文地質特點

圍堰位于京杭大運河河道內，靠堤岸側圍堰基本與堤岸線重合，另一側位于京杭運河橋中。在承臺施工過程中當承臺圍堰開挖后，靠近堤岸側的側向水土壓力明顯大于靠近運河側圍堰承受的側壓力，在施工過程中圍堰沿著縱橋向兩側側壓力處于不對稱狀態，這對承臺圍堰的設計提出了新的要求。

擬建場地勘察深度范圍內，揭露的地層主要為第四系土層，土層自上而下依次為雜填土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉質黏土、黏土、粉質黏土、粉砂夾粉土等。土地的主要力學參數如表1所示。

1.3 鋼板樁圍堰設計

本橋圍堰開挖深度為10.5 m，屬于鋼板樁圍堰的適用范圍，故本橋承臺施工圍堰采用鋼板樁圍堰結構形式。以尺寸較大的中間墩承臺為例，圍堰的平面尺寸設計為13.94 m

×7.0 m的正方向圍堰，距離承臺外邊間距為1.5 m。圍堰采用拉森-Ⅳw型鋼板樁，長度21 m，為了優化鋼板樁受力，控制圍堰變形，在鋼板樁圍堰內側設置三層水平支撐體系，見圖1。第一層圍檁及斜撐為2HM588×300型鋼，設置在距離鋼板樁頂部3 m處，第二、三層圍檁及斜撐為2HN700×300型鋼，第二、三層圍檁距離鋼板樁頂面的距離分別為7 m、9.9 m。斜撐設置在矩形的四個角點位置，距離角點尺寸為3.9 m，斜撐長度為4.68 m。

為降低堤岸側土壓力、機械荷載和土堆荷載對圍堰的影響，采用在圍堰外側1.5 m位置插打一排長度12 m的鋼板樁，并通過在兩排鋼板樁之間焊接連接鋼筋，澆筑一層厚度1 m的壓頂混凝土作為樁帽板來增大鋼板樁的剛度，形成雙板鋼板樁結構，減小圍堰因兩側產生的不平衡側壓力而產生的變形。

2 圍堰受力特性分析

2.1 計算模型與計算工況

萬福路跨京杭運河大橋的圍堰承受了兩側不平衡水平力作用，為了應對這種受力特點，在一側采用了單排鋼板樁圍堰，另外一側采用雙排鋼板樁結構，是一種較為新穎的鋼板樁圍堰結構，為了分析這種圍堰的安全性，對鋼板樁圍堰進行有限元分析。

有限元分析采用商業軟件midas進行計算，計算中鋼板樁、支護圍檁均采用梁單元進行模擬。圍檁和鋼板樁之間的連接采用僅受壓彈性連接進行模擬，鋼板樁入圖范圍內土體對鋼板樁的約束采用彈性約束進行模擬。計算中考慮的荷載作用主要包括結構自重、側向水壓力、側向土壓力及頂面堆土、機械設備產生的側向水平力。其中，粉土層、粉砂層采用水土分算的方法進行計算，粘性土層采用水土合算法進行計算。

在計算中分別考慮第一層圍檁施加前，第二層圍檁施工前、第三層圍檁施工前、承臺第一層混凝土施工后拆除第三層圍檁四種最不利狀態，考察在這四種狀態下鋼板樁圍堰的安全性。

2.2 鋼板樁圍堰受力分析

計算分析結果表明，在施工過程中鋼板樁圍堰的最大水平變形為34.2 mm，總體變形較小，在可控范圍內，最大水平位移出現在第墊層混凝土澆筑前，最大水平變形出現在第三道圍檁和基坑底部之間。在圍堰施工過程中拉森

鋼板樁出現的最大組合應力為154.7 MPa，出現在墊層混凝土施工工況。在該工況下鋼板樁的應力分布如圖2所示，此時最大應力出現在上下游側鋼板樁上，岸側鋼板樁在采用了雙層支護后應力得到有效的控制。

2.3 支護圍檁受力分析

在圍堰施工過程中為例結構的應力均在材料強度范圍內。在整個施工過程中第一道圍檁出現的最大組合應力為19 MPa，最大剪應力為11.6 MPa。在施工過程中第二層圍檁出現的最大組合應力為158.5 MPa，出現的最大剪應力為68.3 MPa。第三層圍檁出現的最大組合應力為143.2 MPa，最大剪應力為54.3 MPa。

在整個施工過程中圍檁出現的最大應力在第二層圍檁上，出現在第一層層臺澆筑后第三層圍檁拆除時，其組合應力分布情況見圖3。

3 施工工藝

根據現場施工條件，萬福路承臺圍堰采用干法施工，主要施工工藝可以總結為以下施工工序和施工步驟。

（1）按照圍堰施工方案對圍堰范圍的層第進行整平，將京杭大運河東岸場地按圖中要求進行削坡、整平，保持岸側場地平整。進行放樣測量，并安裝導向裝置，完成鋼板樁插打準備工作。

（2）通過導向裝置按照“迎通航面-上游面-迎岸面-下游面”的順序進行鋼板樁插打，內側鋼板樁插打完成，并在下游面進行合攏。在靠近堤岸側距離圍堰1.5 m位置插打一排長度12 m的鋼板樁，鋼板樁之間整平，安裝連接鋼筋，并澆筑一層厚度1 m的壓頂混凝土將兩排鋼板樁進行連接加固，形成兩排鋼板樁之間的樁頂帽梁。

（3）進行圍堰內降水并開挖至第一層內支撐以下1 m處（標高+2.500 m），并安裝第一層圍檁及內支撐。繼續進行圍堰內降水至河床，并進行開挖至第二層內支撐以下1 m處（標高-1.500 m），安裝第二層圍檁及內支撐。圍堰內繼續進行開完，開挖至第三層內支撐以下1 m處（標高-4.400 m），安裝第三層圍檁及內支撐。

（4）圍堰內繼續開挖至封底底部-6.000 m，避免出現超挖（坑內水位標高在封底底部以下，但不得低于-6.500 m），在封底底部鋪設間距2 m的Φ50UPVC排水管（管周包裹濾網布及一定厚度的級配礫石），清理封底范圍內的鋼板樁及樁頭，然后澆筑0.5 m厚C30封底混凝土。

（5）待封底砼達到設計強度后，處理樁頭，綁扎鋼筋，澆筑第一層1.5 m厚混凝土承臺。待第一層1.5 m厚承臺混凝土達到設計強度后，在承臺與圍堰夾壁內回填1.0 m細砂壓實，同時澆筑0.3 m厚夾壁砼，拆除最下一層支撐（-3.400 m）。

（6）利用第三層圍檁拆除后形成的空間進行承臺第二次混凝土內鋼筋綁扎和混凝土澆筑，完成第二層2.5 m厚承臺施工。并利用圍堰形成的圍護空間完成主墩墩身施工。

（7）土體回填，拆除剩余支撐體系，拔出鋼板樁，完成鋼板樁圍堰拆除施工。

4 結語

本文以揚州市萬福快速路跨京杭運河大橋為背景，對非對稱側壓力鋼板樁圍堰的施工技術進行了研究。結合橋位地形地貌提出了非對稱側壓力狀態下的鋼板樁圍堰的設計方案，并利用有限元軟件對這種鋼板樁圍堰在施工過程的受力特性進行了計算分析，分析表明采用本文提出的鋼板樁圍堰方案的受力安全可靠。在此基礎上對萬福路京杭運河大橋鋼板樁圍堰的施工工藝進行了總結，形成了非對稱側壓力鋼板樁圍堰的成套施工工藝。相關研究成果可為同類型橋梁承臺圍堰的施工提供參考。

參考文獻：

[1]汪洋，陳志明.橋梁圍堰施工要點控制[J].河南科技，2013（4）：150.

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

[3]路永龍.橋梁圍堰工程中鎖扣鋼管樁的施工技術[J].建設科技，2016（7）：148-149.

[4]邱訓兵.大型鋼板樁圍堰施工設計的思考[J].鐵道建筑，2005（9）：14-16.