龍門大橋鋼板樁圍堰結構設計分析

鄭健 蔣贛猷 楊茗欽 李莘哲 陳松松

鋼板樁圍堰水下施工風險較大，為確保鋼板樁圍堰施工的安全性，文章以龍門大橋東引橋84#承臺鋼板樁圍堰施工為工程背景，結合規范初步確定鋼板樁圍堰幾何尺寸、入巖深度、封底混凝土厚度等參數，并采用平面有限元法對鋼板樁圍堰施工過程中結構的最大應力、最大變形進行計算分析。計算結果表明，圍堰結構強度、剛度均滿足要求，可按照設計安全施工。

龍門大橋;鋼板樁;設計;平面有限元法

U445.55+6A240833

0 引言

鋼板樁圍堰具有結構簡單、施工便捷、防水效果好、經濟性好等諸多優點，自1957年首次應用在跨海跨江大橋工程以來，在工程中應用的越來越廣泛[1]。然而，隨著鋼板樁圍堰應用環境越來越復雜、施工規模越來越大以及計算理論的相對滯后，鋼板樁圍堰施工仍面臨著較大的施工風險。

現有的鋼板樁圍堰計算方法主要有空間有限元、平面有限元和等值梁法[2]。空間有限元法根據結構的幾何參數和材料參數進行結構整體建模，分析不同荷載工況下結構的變形和應力等情況，該方法具有較好的計算精度，然而計算過程繁雜、耗時久。等值梁法以極限平衡法為理論基礎，無法考慮鋼板樁變形的影響，也較難得出施工過程中周邊環境的影響，因此，僅用于鋼板樁圍堰內力校核情況[3]。平面有限元法取單根鋼板樁作為分析對象，鋼板樁采用梁單元模擬，內支撐和封底混凝土對鋼板樁的約束采用鉸支座模擬，以此計算結構的受力變形情況，具有計算簡潔、高效的優點。基于此，本文以龍門大橋84#承臺為工程背景，將鋼板樁和圍檁分開計算，先對圍檁施加單位均布荷載，確定圍檁的剛度，然后取一根鋼板樁作為研究分析對象，以梁單元建模，并根據計算得到的圍檁剛度以彈簧單元反向施加在鋼板樁上，土體對鋼板樁圍堰的約束采用“m值法”土彈簧模擬，再根據實際施工過程中的工況施加相應荷載，以此開展結構的計算分析，最后再根據鋼板樁與圍檁的連接處彈簧荷載反向施加在圍檁上的情況計算分析圍檁的安全性。

1 工程概況

龍門大橋工程路線起點位于欽州市龍門港鎮西村淡水龍水庫附近，接濱海公路龍門大

橋西引道工程，跨越茅尾海，終點接益民街與揚帆大道交匯處，是國道G228丹東至東興廣西濱海公路建設的控制性工程。

項目由東西岸引橋、主橋和揚帆立交組成，主橋為雙塔單跨懸索橋，主纜布置為251 m+1 098 m+251 m。引橋承臺尺寸包括8.2 m×8.2 m×3.5 m和8.2 m×8.2 m×3.0 m兩種類型，東引橋84#承臺尺寸為8.2 m×8.2 m×3.5 m。

根據地質勘察報告并結合現場樁基鉆孔取樣的數據，東引橋84#墩承臺地質情況如表1所示。

2 結構設計

2.1 總體尺寸設計

根據《鋼圍堰工程技術標準》（GBT 51295-2018）第4.2.5條規定：“鋼圍堰頂部設計高程比設計最高水位應高出0.5～1.0 m，海域施工的圍堰頂部高程尚應計入相應等級波浪重現期最大波浪高度一半的影響。”這里取鋼板樁圍堰頂面標高4.98 m。

龍門大橋東引橋84#承臺尺寸為8.2 m×8.2 m×8 m，根據《鋼圍堰工程技術標準》（GBT 51295-2018）第4.7中第7.9條規定“鋼板樁圍堰內壁宜比基礎承臺寬1.0～1.5 m”，結合實際施工情況以及拉森鋼板樁型號模數要求，對于8.2 m×8.2 m承臺，其圍堰采用11.22 m×11.218 m尺寸。

2.2 荷載取值

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 5120-2012）第3.4條的計算方法進行計算，采用水土分算方法。朗肯主動土壓力公式為：

Pa=Kaγh-2cKa（1）

Pak=（σak-μa）Ka，i-2ciKa，i+μa（2）

2.3 鋼板長度的確定

根據龍門大橋跨海水域水位情況，龍門大橋歷史最高水位為+3.98 m，浪高為0.5 m，從經濟、安全的角度考慮，選擇樁頂標高比最高水位高0.5～1 m，所以取鋼板樁頂標高為+4.98 m。結合以往工程經驗，鋼板樁長度取12 m。內圍檁設置兩層，分別布置于+3.48 m和-1.7 m標高位置，當開挖至承臺底時，鋼板樁內外側荷載分布如圖1所示。

根據《鋼圍堰工程技術標準》（GBT 51295-2018）第4.5.7條“對單撐（單錨）圍堰，尚不宜小于圍堰深度的30%;對多撐（多錨）圍堰，尚不宜小于圍堰深度的20%”以及第4.5.3條第3點“支撐式或錨拉式鋼板（管）樁、鋼套箱結構局部抗傾覆應以最下道支撐（或錨拉點）為轉動軸按照下式進行驗算”，對鋼板樁圍堰進行設計，防止“踢腳”現象。

EpapE′aaa+F′wlawl+∑F′idaid≥K（3）

式中：K——抗傾覆穩定性系數，一、二、三級安全等級圍堰分布取1.35、1.3和1.25;

E′a——圍堰最下道支點以下的主動土壓力合力標準值（kN）;

Ep——被動土壓力合力標準值（kN）;

F′wl——圍堰最下道支點以下的靜水壓力合力標準值（kN）;

∑F′id——圍堰最下道支點以下的動水壓力等可變荷載合力標準值（kN）;

ap、aa——圍堰外側主動土壓力、內側被動土壓力合力作用點至支點的距離（m）。

經過式（3）局部抗傾覆計算表明，計算結果為7.55大于規范限值[K]=1.35，故結構安全。

2.4 封底混凝土厚度

根據《鋼圍堰工程技術標準》（GBT 51295-2018）第4.6.1條計算公式，封底混凝土厚度計算如下：

Kf=Gc+F1+F2Fw+Puc（4）

Fw=γw·hw·An（5）

Gc=γc·Vc（6）

F1=min（Gz，τ1S1）（7）

F2=min（τ2S2，Gg+τ3S3）（8）

式中：Kf——抗浮安全系數，宜取為1.15;

Fw——水的浮力標準值（kN）;

Puc——波峰時的波浪浮托力（kN）;

γw——海水的容重;

hw——圍堰內外水頭差;

An——扣除鋼護筒面積后基底凈面積;

Gc——封底混凝土自重;

Gz——所有樁基鋼護筒及樁基自重（kN）;

Gg——所有樁基鋼護筒及樁基自重（kN）;

Vc——基底凈體積，應扣除鋼護筒部分（m3）;

τ1、τ2、τ3——樁基鋼護筒與封底混凝土的粘結力、鋼圍堰與封底混凝土的粘結力、鋼板樁及鋼管樁與入土深度范圍內土層的摩阻力（kPa），應分別按表下表取值，鋼套箱圍堰不計側摩阻力;

S1、S2、S3——所有樁基鋼護筒與封底混凝土接觸面積、鋼圍堰與封底混凝土接觸面積、鋼板樁及鋼管樁圍堰入土深度范圍外側接觸面積之和（m2）;

F1——取G樁基鋼護筒與封底混凝土粘結力最小值（kN）;

F2——取Gg+τ3S3、鋼圍堰與封底混凝土粘結力τ2S2的最小值（kN）。

經過式（4）～（8）計算封底混凝土厚度應≥0.78 m，這里出于安全考慮，封底混凝土厚度取1.0 m。

進一步對結構的抗浮進行計算，根據《鋼圍堰工程技術標準》（GBT 51295-2018）第4.6.2條計算公式，計算封底混凝土厚度：

Fw+F1+F2Gc+Puc+Fs≥Kc（9）

式中：Kc——抗浮安全系數，宜取1.10;

Fs——施工期作用在封底混凝土上的承臺自重及施工期最大活荷載（kN）;

Put——波谷時方向向下的波浪力（kN）。

在不考慮波浪力作用下，Fs取承臺自重，計算得到抗浮安全系數為4.14，大于限值1.1，且有較大安全富余，能確保施工過程中結構的安全性。

采用分層設計圍檁，第一層圍檁采用雙拼HN500×200×10/16，其余圍檁采用三拼HN500×200×10/16。圍堰四個角均與對應的圍檁型號相同，牛腿采用Ⅰ32b。

3 鋼圍堰結構計算分析

采用Midas Civil 建立鋼板樁圍堰有限元計算模型，選取單根鋼板樁作為分析對象，鋼板樁采用梁單元模擬，內支撐采用結點彈性連接，剛度通過在內圍檁施加1 kN/m均布荷載單位荷載，計算結果為：在1 kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.06 mm，外圍檁與鋼板樁連接點結點剛度為（1 kN/m×0.6 m）/0.06 mm=1.0×104 kN/m。

同理，對雙拼HN500和三拼HN500內圍檁剛度開展結構計算與分析。結果為：在1 kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.006 8 mm，因此，第一層內圍檁（頂上一層內圍檁，雙拼HN500）與鋼板樁連接點結點剛度為8.8 kN/0.006 8 mm=1.294×106 kN/m。

在1 kN/m均布荷載作用下，最大變形為0.004 8 mm，因此，外圍檁與鋼板樁連接點結點剛度為8.8 kN/0.004 8 mm=1.833×106 kN/m。

由于各層圍檁與鋼板樁之間連接剛度很大，可近似鉸接模擬。封底混凝土對板樁的約束作用均采用活動鉸支座模擬，鋼板樁底部約束豎向位移，河床面至封底混凝土間的周邊土對板樁的約束作用以及封底混凝土至樁底間周邊土對板樁的約束作用采用土彈簧模擬。基于此，對安裝第二道內圍檁前的結構進行安全性分析。

3.1 最高水位施工

由表2計算結果可知，結構變形較大，且超出1/400=15 000/400=37.5 mm，施工風險較大，故向下開挖土體不應在高水位時進行施工。

3.2 落潮時施工

進一步對落潮期進行施工計算，經過現場數據總結，在落潮情況下，最高水位是低于標高+1 m，基于此，為安全考慮，取水位為標高+1 m時，開展結構計算分析。

由表3可知，計算結果滿足規范要求，且具有較大的安全富余。

計算的反力為9.3 kN，由于拉森鋼板樁板寬0.6 m，所以反作用于內圍檁上均布荷載為9.3 kN/0.6 m=15.5 kN/m，計算結果如表4所示。

由表4可知，計算結果滿足規范要求，且具有較大的安全富余。同理，對鋼板樁在施工封底混凝土前等施工階段的安全性進行分析，計算結果表明結構均

為安全，且具有較大安全富余。

4 結語

本文首先結合規范初步設計結構的幾何參數，然后采用平面有限元法的基本理論，并結合Midas Civil建立有限元模型，同時將鋼板樁承受的最大荷載反作用于內圍檁上，計算結構的安全性。計算結果表明，該鋼板樁圍堰設計選用的鋼板樁類型及長度、內圍檁結構形式（內圍檁布置位置、數量及尺寸）、封底混凝土厚度等均滿足鋼板樁圍堰施工和適用要求，對海洋環境下的鋼板樁圍堰設計與施工有一定的參考價值。

[1]洪 梟.深水基礎鋼板樁圍堰施工及過程監測研究[D].廣州：廣州大學，2020.

[2]張 駿.橋梁深水基礎鋼板樁圍堰受力分析與應用[J].橋梁建設，2012，42（5）：74-81.

[3]魏慧潔.鋼板樁圍堰施工的有限元模擬與優化設計[D].天津：河北工業大學，2018.