鋼板樁圍堰在典型深水高樁承臺中的應用

朱勝軍， 孟金強， 劉 靜， 張 鵬

(鐵道戰備舟橋處，山東 齊河 251100)

1 工程概況

1.1 工程簡介

濟萊高鐵大冶水庫特大橋，全長1 482.8 m，孔跨布置為45×32 m。橋梁位于直線上，跨越大冶水庫處采用32 m的預制簡支T梁，大橋的8～26號墩位于水中，共19個(實體墩7個，墩高18～25 m；空心墩12個，墩高25.5～29.5 m)。

水庫正中的15～17號承臺平面尺寸為11.8 m×8.5 m，基礎為10根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，墩位處水深為15.8～16.3 m，實際覆蓋層厚度5.5 m左右，覆蓋層為淤泥質土、粉質粘土、中砂、粗砂等，下伏為白云巖。15～17號墩具有的工程條件如表1所示。

表1 15～17號墩工程條件 m

1.2 水文條件

本橋跨越的大冶水庫，始建于 1958 年，位于濟南市萊蕪區大冶村北，大汶河支流方下河上，是一座防洪、灌溉、供水、養殖等綜合利用的中型水庫。水庫面積 3.32 km2，控制流域為 163 km2，運行蓄水位 236.96 m，死水位 221.69 m，近 5 年平均最高水位為 233.03 m，施工圖設計水位 233.00 m，實測水位 225.7 m。

1.3 工程地質條件

橋梁位于魯中隆起帶地區，橋區不良地質為地震液化、巖溶，特殊巖土為人工填土、軟土、松軟土、季節性凍土。

庫區水底上覆蓋層主要有淤泥質土(軟塑，承載力f0=80 kPa)、松軟土(軟塑，f0=80 kPa)、粉質黏土(硬塑，夾層，f0=150 kPa)、粉細砂(稍密，f0=120 kPa)、中砂(稍密，f0=180 kPa)、粗砂(中密，f0=200 kPa)、細圓礫土(密實，f0=250 kPa)、粗圓礫土(密實，f0=250 kPa)等，覆蓋層厚薄不均，最厚處有12 m左右，最薄處只有1～2 m。下伏層主要有灰巖(弱風化W2，f0=800 kPa，抗壓強度Rc=30 MPa)、泥質灰巖(W2，f0=500 kPa，Rc=10 MPa)、含燧白云巖(W2，f0=800 kPa，Rc=32 MPa)、白云巖(W2，f0=800 kPa，Rc=20 MPa)。庫底地形呈“V”字形，水底高程最低處在 15～17號墩處。

1.4 現場情況

施工現場沿平行主橋的位置已施工完連通水庫南北岸的鋼棧橋，每個水中墩的位置都設置有支線棧橋和鉆孔平臺，現場情況如圖1所示。

圖1 現場施工環境

2 圍堰類型比選

2.1 各類圍堰適用條件

各類圍堰的適用條件[1]如表2所示。

表2 各類鋼圍堰的適用條件

2.2 現場情況分析

水庫的水中墩數量眾多，水中墩在鉆孔樁施工完成之后，后續的承臺施工非常關鍵，而水庫區的水文和地質條件很復雜，庫底覆蓋層的變化較頻繁，結合前期的棧橋和平臺施工過程中積累的經驗，大多數水中墩都可采用鋼板樁圍堰來配合承臺施工。

從現場掌握的水文地質條件來看，15～17號墩位處水深均超過15 m，承臺底與河床間距離均大于5 m，屬于典型的深水高樁承臺，參考表2的描述，這3個水中墩采用鋼吊箱作為承臺施工的臨時擋水圍護結構最為適宜。

鋼吊箱雖然非常適合高樁承臺，但具有制作復雜、施工難度大、周期長、用鋼量大等顯著缺點。而鋼板樁圍堰作為最常見的臨時圍護結構，具有制作簡單、施工難度小、施工周期短等優點；缺點是結構強度低、適用水深小且樁底需嵌入河床一定深度方能保證圍堰結構的穩定性，對于承臺與河床面距離不是很大的情況(不大于10 m)，通過在堰內外回填土、澆筑水下封底砼等一些特定的技術處理措施，也可應用于高樁承臺。

2.3 圍堰類型的選定

大冶水庫特大橋作為濟萊高鐵全線的控制性工程，對工期要求非常緊，同時考慮成本因素，最終確定15～17號墩同樣采用鋼板樁圍堰施工，但需解決如下技術難題：

(1)15～17號墩位處河床覆蓋層為淤泥質土、中砂、粗砂等，且高度只有1.5 m左右，對鋼板樁樁底的嵌固能力較弱，圍堰的結構穩定性較差。

(2)高樁承臺采用鋼板樁圍堰時，通常會先安裝一道支撐，然后將支撐的圍檁與鋼板樁焊接起來成為整體，這樣在堰內回填土時，土體對樁體施加的外張力就可通過焊縫傳遞給支撐。但該圍堰水面與巖面的距離為21.7 m，當堰內回填土時，如將首道支撐和樁底(假定樁底在巖面處)各視為一鉸支座，鋼板樁作為梁體，梁長將是20 m左右，支撐處因外張力產生的支點反力會比較大，僅靠圍檁與鋼板樁的焊縫傳遞顯得偏弱。

3 鋼板樁圍堰設計

3.1 結構設計

15～17號墩位處的水文地質條件相似，故僅以17號墩為例進行圍堰的設計計算，15、16號墩圍堰與其基本一致。

17號墩圍堰設計施工水位233 m，圍堰尺寸按承臺外擴1.0～1.4 m進行考慮，平面設計尺寸14.4 m×10.4 m，設3道內支撐，支撐間距自樁頂朝下分別為2.6 m、3.7 m、2.8 m，第3道內支撐底口距承臺頂標高的間距不小于50 cm。第1道內支撐圍檁采用2-I45a工字鋼，第2、3道內支撐圍檁采用3-45a工字鋼，水平撐及斜撐均采用Φ529 mm-8 mm的螺旋鋼管。圍堰結構詳見圖2和圖3。

圖2 17#墩圍堰立面(單位：mm)

圖3 17#墩圍堰內支撐平面(單位：mm)

3.2 專項設計

(1)樁底嵌入巖層1 m以上[2]。打樁時采用DZJ180型重錘，將鋼板樁打入白云巖至少1 m以上，樁底嵌入巖層，在理論上可視為一個固定支座，圍堰的樁底嵌固問題迎刃而解，穩定性得到保證。經現場試樁，實際入巖深度均在1～2 m之間。

(2)在河床覆蓋層頂面增加一層1.5 m厚封底砼。圍堰合攏后，先安裝第1道支撐，再清除堰內的淤泥層，然后水下澆筑1.5 m厚的C30封底砼，在后續工況中，此層封底砼可視為一固定支座。當堰內回填土時，檢算力學模型的樁長可降低至14.55 m，計算結果顯示，結構各部位均滿足受力要求。

通過以上的專項設計，15～17號墩承臺采用鋼板樁圍堰施工在理論上具備了可行性。

3.3 主要工況受力分析

(1)工況一：鋼板樁插打合攏，水下清淤后澆筑首次封底，堰內抽水至第1道內支撐中心以下0.55 m(河面以下0.85 m)，安裝第1道內支撐，然后堰內回水至河面下0.3 m，再在圍堰內回填至設計高度。此時，堰內支座為第1道內支撐和首次封底。

(2)工況二：堰內澆筑1.5 m厚度的二次封底砼，強度滿足后，堰內抽水至第2道內支撐中心以下0.7 m(河面以下4.7 m)，安裝第2道內支撐。此時，堰內支座為第1道內支撐和二次封底。

二次封底、首次封底、樁底兩側的巖體均可視為鋼板樁的剛性支座，此部分的鋼板樁兩側沒有水土壓力差，而鋼板樁上部的水土壓力差對它的影響又微乎其微，故二次封底一旦澆筑完成，這部分鋼板樁即淪為冗余結構，故工況二～工況四的計算模型中不予考慮。

(3)工況三：第2道內支撐安裝完成后，繼續抽水至第3道內支撐中心以下0.7 m(河面以下7.5 m)，安裝第3道內支撐。此時，堰內支座為第1、2道內支撐和二次封底。

(4)工況四：第3道內支撐安裝完成后，圍堰內水抽干，準備施工承臺。此時，堰內支座為第1、2、3道內支撐和二次封底。

各工況的受力分析如圖4所示。

3.4 鋼板樁抗彎計算

鋼板樁采用拉森Ⅳ型，材質 16Mn，按照每米寬考慮：截面慣性矩I=38 600 cm4， 截面模量W=2 270 cm3，彎曲應力[σw]=250 MPa，每米寬度鋼板樁能承受最大彎矩：[M]=[σw]W=567.5 kN·m。

用邁達斯建模計算后，鋼板樁在工況二下產生的彎矩最大，為535.1 kN·m<[M]，滿足要求。

3.5 鋼板樁撓度計算

經計算工況一～工況四，鋼板樁的撓度及梁長統計如表3所示，工況二時撓度最大，為71.3 mm，撓跨比1/141，鋼板樁圍堰為臨時設施，強度為主控因素，撓度按小于1/100控制即可，故滿足要求。

表3 鋼圍堰撓度計算結果

3.6 內支撐受力計算

按照工況一～四的受力分析，采用邁達斯建模計算，將各工況下內支撐因水土壓力產生的支點反力統計如表4所示，在計算時鋼板樁視為梁，內支撐視為僅受壓的鉸支座(支撐與鋼板樁僅為貼合狀態，只會傳遞壓力)，故最小支撐反力為0。

圖4 工況一～工況四受力分析(單位：mm)

表4 內支撐受力計算結果 kN

型鋼工字鋼、鋼管等容許拉壓應力按[σ]=150 kPa 計算。內支撐所受應力計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 第1道～第3道鋼管支撐應力匯總(外力單位:kN；應力單位：kN/m2)

圖6 第1道～第3道圍檁應力匯總(外力單位:kN；應力單位：kN/m2)

第1道內支撐鋼管的最大應力是62.2 MPa，第2、3道內支撐鋼管的最大應力是112.8 MPa，均<[σ]=150 kPa，均滿足要求。

第1道圍檁2-I45a的最大應力是106.7 MPa，

第2道圍檁3-I45a的最大應力是128.1 MPa，第3道圍檁3-I45a的最大應力是120.1 MPa，均<[σ]=150 MPa，均滿足受力要求。

4 施工工藝

4.1 插打鋼板樁

鉆孔樁施工完成后，拆除鉆孔平臺，保留支棧橋。

根據施工平面大小確定鋼板樁圍堰的平面位置，然后在鋼板樁圍堰的四角及其它設計位置插打定位樁，在定位樁上放置內、外導框(內導框采用第1道圍檁，并安裝在第1道圍檁的設計位置，即水面下30 cm，外導框采用2-I36a組焊而成)用以引導和固定鋼板樁圍堰的平面位置。

履帶吊在支棧橋上沿下游側面的角樁處依次對稱打入鋼板樁直至合攏，鋼板樁根部打入灰巖層的深度不少于1 m。

4.2 首次封底砼澆筑

開始進行圍堰內抽水，保持水面下降0.85 m后安裝第1道支撐；回灌水后將堰內的河床淤泥和覆蓋層清理至標高+216.65 m，將第1道支撐圍囹和鋼板樁焊接；保持水面下降0.3 m后澆筑首次封底的C30混凝土，采用速凝混凝土，減小混凝土的流動對鋼板樁形成側壓力，要緩慢澆筑，且不可在一個地方長時間澆筑，要分區、逐級澆筑。

4.3 堰內回填及二次封底砼

首次封底砼結束，堰內回填3.1 m厚度的粗砂，再進行二次水下C30砼封底施工。

4.4 安裝內支撐

待二次封底砼強度達標后，進行逐級抽水、逐層安裝內支撐及圍檁結構。抽水過程中注意監測鋼板樁的變形情況，每次工序結束后觀察24 h，確認圍堰穩定無變化方可進行下一道工序的施工。

4.5 承臺施工

待所有支撐和圍檁結構安裝完畢，焊接質量檢查后，開始抽水，最后進行承臺施工。

5 結束語

在針對涉水橋梁水中墩承臺施工的臨時擋水擋土圍護結構的選用上，各相關行業的專業規范和書籍中均劃定了各類圍堰的適用范圍，但隨著施工技術的進步、施工經驗的積累以及綜合考慮水文、地質、成本、工期等綜合因素，在實際應用中，鋼板樁圍堰已不同程度的超出了設定的適用范圍。

濟萊高鐵大冶水庫特大橋15～17#墩施工中，迫于工期壓力、成本因素、場地受限，現場通過專項設計和精心組織，使得通常只適用于低樁承臺、水深不大作業條件下的鋼板樁圍堰成功應用于深水高樁承臺作業中，相關技術可供類似項目借鑒。