單排鋼板樁加鋼支撐圍堰技術在沿河步道貫通工程中的應用

周奕琦

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

為了讓人民都能享受到河流帶來的美好生活，還河于民，許多城市在進行河流兩岸貫通工程的改造。然而在實際改造過程中，尤其是大都市里，不免會遇到河道岸邊有建筑物，岸邊道路無法貫通的情況，形成了整個河道貫通工程的斷點，嚴重影響市民的沿河通行感受。[1-3]解決此類問題，緊鄰岸邊設置人行棧橋，聯通斷點兩側人行步道，可避免破拆防汛墻以及影響岸后的建筑物。建造人行棧橋常需設置圍堰進行干施工，如何保證施工過程中圍堰自身的穩定以及避免危及現狀河道護岸，成了方案實施的關鍵問題。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

上海某骨干河道步道貫通工程，沿岸某處存在一座建筑物，貫通開放難度較大，形成一處斷點。為了辟通斷點，實現真正貫通，考慮在該座建筑物沿岸建設一座人行棧道，連接上下游已建成的濱河步道。

棧橋沿河道現狀防汛墻布置，全長約76.8m，寬1.8m；鋼格柵棧道，鋼結構龍骨。濱水步道標高3.8m，在東西兩端布置踏步至防汛墻頂標高5.2m處，設置轉向平臺；經轉向平臺跨越防汛墻后，設置梯道，與現狀濱河步道連通。棧橋下部結構采用樁接蓋梁式的橋墩，即鉆孔灌注樁一樁到頂，樁柱一體，立柱頂部設蓋梁。橋墩設置防撞設施即橋墩附著式安全防護裝置。基礎采用直徑800mm的鉆孔樁。

1.2 水文及工程地質條件

1.2.1水文條件

在河道河口設置水閘，相關研究成果表明，該河道設計高水位為4.79m，正常蓄水位為2.5～3.5m，設計低水位為1.5m。

1.2.2工程地質條件

擬建場地地基基礎影響深度范圍內的地層均屬第四紀全新世長江三角洲濱海平原型沉積土層，主要由粘性土組成。

擬建場地位于河流上，在河流防汛墻內存在老碼頭舊基礎，老碼頭舊基礎寬約2.30～4.50m，主要為石塊水泥板水下護坡及水下障礙物。為了棧橋下部結構的施工，需要將老碼頭舊基礎挖出，故需設置圍堰進行干施工。

2 圍堰設計與分析

擬建工程所處河道寬約43m，水深約2.0～6.4m。設計常水位為2.50～3.50m。圍堰需安排在非汛期施工，堰頂按照標高4.00m設計(施工期高水位3.50m+0.50m超高)。

考慮該項目的現場條件，擬采用單排鋼板樁圍堰型式，順河布置，圍堰距離防汛墻約5m。鋼板樁樁長15m，鋼板樁與防汛墻接頭部位，采用袋裝土封堵[4-6]。

2.1 單排鋼板樁圍堰不設支撐方案分析

單排鋼板樁型號采用400mm×170mm，圍堰內坑底高程為-1.25m，鋼板樁樁長15m，基坑深度為5.25m，嵌入深度為9.75m。需對圍堰穩定進行復核。

根據上海市《基坑工程技術標準》的相關規定進行計算，土的c、φ值均采用固結快剪指標，鋼板樁變形、內力計算和各項穩定驗算均依據水土分算原則[7]。

由于施工安排在非汛期，最高水位為3.50m，最低水位為1.50m，計算中地面超載原則上取為10kPa，地下水位取地面以下1.0m。采用同濟啟明星深基坑支擋結構設計計算軟件FRWS 8.2計算。計算結果如圖1—2所示。

圖1 水位1.50m單排鋼板樁無支撐時計算結果

圖2 水位3.50m單排鋼板樁無支撐時計算結果

由圖1—2可知，水位1.50m時，鋼板樁最大位移為43.4mm;水位3.50m時，鋼板樁最大位移為133.6mm，均大于允許值基坑深度的0.8%即42mm。故單排鋼板樁圍堰需要加強，可改為雙排鋼板樁圍堰中間填土的方案，但此方案會大幅增加工程投資，不經濟，故考慮給單排鋼板樁加一道鋼支撐，作用在現狀防汛墻上。[8-9]鋼支撐一方面可以使圍堰得到加強，另一方面，由于干施工時基坑內無水，對現狀防汛墻的安全不利，而鋼支撐可以將圍堰所受水壓力傳遞至現狀防汛墻上，減少了施工期對現狀防汛墻的影響。

2.2 單排鋼板樁圍堰設支撐方案分析

單排鋼板樁圍堰設圍檁，通過一道鋼支撐，作用在現狀防汛墻墻身上，支撐與墻身之間設土工布+橡膠墊+支墊鋼板，以減少對墻身局部砼的損壞。圍檁采用雙道H型鋼，型號為GB_H350mm×175mm×7mm×11mm，鋼支撐采用H型鋼HM350mm×250mm，每隔6m布置一道。圍堰斷面如圖3所示。

圖3 圍堰斷面

經過計算，加設支撐后圍堰的計算結果如圖4—5所示。

由圖4—5可知，加了支撐之后，水位1.50m時，鋼板樁最大位移為6.9mm;水位3.50m時，鋼板樁最大位移為20.0mm，均小于允許值基坑深度的0.8%即42mm，滿足要求。可見加設鋼支撐對減少鋼板樁圍堰的位移效果明顯。同時，計算得到圍堰及基坑的其它技術參數也滿足規范要求。

圖4 水位1.50m單排鋼板樁加支撐時計算結果

3 圍堰鋼支撐對現狀防汛墻的影響數值分析

本次工程涉及的防汛墻所在河道為上海市骨干河道，施工過程中現狀防汛墻的安全必須得到保證。由于墻前棧橋采用鋼板樁圍堰進行干施工，施工內容主要為鉆孔灌注樁和棧橋上部結構，鉆孔灌注樁無擠土效應，棧橋上部結構施工對防汛墻基本無影響，故項目施工對現狀防汛墻的影響主要為單排鋼板樁圍堰支撐作用下、墻前無水時的防汛墻穩定。為保證防汛安全，需要對鋼板樁圍堰作用下的防汛墻穩定狀況進行復核。為了更好地模擬實際施工的情況，采用有限元分析軟件PLAXIS，建立施工過程對防汛墻影響的二維有限元模型，進行彈塑性有限元計算，預測棧橋施工引起的防汛墻的變形。

3.1 數值模型

有限元計算中采用硬化土小應變模型(HS-Small model)。該模型共包含11個HSS模型參數和2個小應變參數，可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型的土體行為[10-11]，適用于該地區的土質情況。計算模型采用的各土層的HSS模型參數見表1。

表1 土層HSS參數

鋼板樁等結構采用線彈性模型，同時采用Goodman接觸單元考慮了土體和結構之間的相互作用。

圖5 水位3.50m單排鋼板樁加支撐時計算結果

計算模型必須足夠大，才能減小模型邊界對模擬結果的影響。本次計算模型的深度取28m，水平向取60m，滿足尺寸的要求。同時模型邊界設定約束，模型左右邊界設定X向約束，模型下邊界設定Y向約束。建立的有限元模型及網格劃分如圖6所示。

圖6 有限元模型及網格劃分

3.2 分析結果

通過計算可知：加了支撐之后，水位1.50m時，棧橋施工引起防汛墻的最大水平位移約為5.97mm，最大沉降量約為0.94mm；水位3.50m時，棧橋施工引起防汛墻的最大水平位移約為3.29mm，最大沉降量約為0.51mm；變形在規范允許的范圍內，不會影響現狀防汛墻結構正常運行。同時可以看出，圍堰外水位較高時，擋墻位移更小，這與一般防汛墻的變形規律是相吻合的[13-14]。

4 結論

本文以上海某骨干河道步道貫通工程為例，探討了利用現狀防汛墻為鋼板樁圍堰提供支撐，來創造復雜現場情況下干地施工條件的設計方案的可行性。通過計算表明，這種設計方案既能保證單排鋼板樁圍堰的安全，減少投資，也不會影響現狀防汛墻的安全運行。

因此，在類似岸邊條件受限、只能于墻前設置人行棧橋的步道貫通工程中，可考慮采用該設計方案。但考慮到理論計算與實際施工情況的差別，需要施工單位在施工過程中盡量避免對防汛墻下部土體的擾動，加強對防汛墻的變形監測，確保安全。