拉森鋼板樁圍堰在石質河床地質條件下的應用與研究

周亞平

(廣西交投集團宏冠工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來，我國的高速鐵路、鐵路、高速公路、市政道路等交通工程得到長足發展，橋梁工程的比例也逐年增加。橋梁工程經常跨越石質河床的河流，導致多數橋墩位于河道，在水中進行橋墩工程施工時，需要結合圍堰工程[1-3]，所以圍堰工程施工成為橋梁施工中的重要環節。田仲初等[4]研究了砂卵石地質下鋼板樁的施工試驗，指出采用改良鋼板樁和水下引孔爆破技術能夠提高鋼板樁的沉樁效率。朱艷等[5-6]研究了海岸帶特殊地質條件下雙排鋼板樁的適用性，發現在巖溶發育地層施工雙排鋼板樁需要防止打樁造成的垂直度差和巖溶連通性帶來的滲漏問題，并采用水槽試驗研究了立波和近破波對雙排鋼板樁圍堰的影響，得到立波主要產生沖刷、近破波主要通過沖擊導致鋼板樁變形的結論。

在石質河床中進行圍堰工程施工時，一般采用鋼圍堰或是雙壁鋼圍堰，其施工時均需要先對石質河床進行水下爆破，開挖至設計標高、整平，然后再安裝鋼圍堰或是下沉雙壁鋼圍堰。在進行石質河床爆破開挖時首先需要投入大型船舶、長臂挖掘機、水下鉆爆設備、大型運輸船舶等大型設備，爆破施工還需要辦理火工產品使用的相關手續；在加工鋼圍堰或雙壁鋼圍堰時，焊接量巨大，耗費時間長，使用鋼材量大；在安裝鋼圍堰或下沉雙壁鋼圍堰時需要大型的起重吊裝設備，而且施工安全風險極高。本文結合某鐵路紅水河特大橋水中橋墩施工，通過合理的結構設計以及改進拉森鋼板樁圍堰施工工藝，實現拉森鋼板樁圍堰在石質河床地質條件下的應用。

1 工程概況

某鐵路紅水河特大橋為三跨中央雙索面斜拉橋，橋梁總長為459 m，主橋橋面寬度為24.5 m，主塔橫橋采用獨柱型橋塔。設計水位為+224.0 m，橋梁主墩承臺尺寸為長20.5 m×寬15 m×高5 m，水深為6.2 m，承臺底標高為214.4 m，基坑深度為9.8 m，基坑安全等級為二級。

主墩地質主要分三層(包括水)，如表1所示。其中，水深6.2 m，水底為黏土夾碎石，厚度為4.1 m，粘聚力為19.0 kPa，內摩擦角為35°，重度為19.5 kN/m3；其次為厚度為4.5 m的砂質板巖，內摩擦角為40.0°，重度為26.8 kN/m3。

表1 主墩地質參數表

對于橋梁工程，橋墩基礎的施工尤為重要，對于水下作業，一般采用圍堰施工方法。第一層土為黏土夾碎石，第二層土為砂質板巖，屬于石質河床，其中黏土夾碎石不夠穩固，樁基應嵌入砂質板巖層，保證樁的穩定與安全。

2 石質河床拉森鋼板樁圍堰的運用

在石質河床中進行圍堰工程施工時，一般采用鋼圍堰或是雙壁鋼圍堰。其施工時都需要先對石質河床進行水下爆破，開挖至設計標高、整平，然后再安裝鋼圍堰或是下沉雙壁鋼圍堰，存在耗時長、用鋼材量大、施工安全風險高等問題。本文通過改進拉森鋼板樁圍堰施工工藝，實現拉森鋼板樁圍堰在石質河床地質條件下應用。

2.1 拉森鋼板樁圍堰方案設計

(a)平面

(b)立面

2.2 拉森鋼板樁圍堰安全驗算

在拉森鋼板樁圍堰施工時對最不利情況進行驗算分析，主要驗算在以下3個工況下，圍堰的強度、剛度和穩定性是否滿足要求。

工況一：安裝第一道圍檁及內支撐后，基坑開挖至第二道圍檁及內支撐下50 cm。

工況二：安裝第二道圍檁及內支撐后，基坑開挖至第三道圍檁及內支撐下50 cm。

工況三：安裝第三道圍檁及內支撐后，基坑開挖至墊層混凝土底標高位置。計算采用邁達斯軟件，采用梁單元進行計算。其中，鋼板樁單元的計算寬度取0.8 m，基坑以上的彈性支座取0.5 m/個，地基的彈性剛度按m法進行計算。鋼板樁以及圍檁的計算結果如圖2～3所示。

圖2 鋼板樁及圍檁計算結果云圖

表2 圍檁承載能力計算結果表

表3 圍檁穩定性計算結果表

3 拉森鋼板樁圍堰的施工工藝

3.1 拉森鋼板樁圍堰施工工藝流程

拉森鋼板樁圍堰在石質河床地質條件下施工的核心原理為：(1)利用旋挖鉆機沿著圍堰輪廓線在石質河床上鉆孔開槽，相鄰兩孔有部分重疊，多孔相連形成貫通的地下溝槽，實現拉森鋼板樁在石質河床中順利插打至設計圍堰底標高位置；(2)利用拉森鋼板樁標準構件之間企口連接的緊密性，圍堰合圍后的防滲水能力突出；(3)利用“導管法”進行溝槽內側水下混凝土封底，實現拉森鋼板樁圍堰止水；(4)利用設置的型鋼內支撐體系，抵消圍堰外部的水壓力。

結合本項目的實際情況，建立合理的施工工藝：機械材料進場、技術準備、鉆孔施工平臺準備→旋挖鉆機就位→逐孔開鉆，形成貫通的地下槽孔→二次清理槽孔鉆渣，檢查溝槽質量→安裝拉森鋼板樁插打導向架→自上游往下游插打拉森鋼板樁至合龍→利用“導管法”進行槽孔內側水下混凝土封底→安裝水上第一、第二道內支撐→抽水至第三道內支撐下沿并安裝第三道內支撐→重復抽水、安裝下一道內支撐→抽水至河床頂面，準備圍堰內干法施工。其主要的工藝流程如圖4所示。其中，在鋼板樁的施工過程中，應保證其垂直度，其控制方法如圖5所示。通過兩個經緯儀進行觀測，保證在兩個標示觀測點位置保持垂直。

圖4 施工工藝流程圖

圖5 鋼板樁的垂直度控制示意圖

3.2 施工工藝效益

根據本文的施工工藝流程，可以實現拉森鋼板樁圍堰在石質河床地質條件下的應用，減少施工成本，縮短施工時間，降低施工風險。

3.2.1 人、材、機資源配置投入減少

(1)拉森鋼板樁標準構件之間的連接采用的是企口連接，相對于鋼板樁圍堰或雙壁鋼圍堰鋼板之間的焊接連接，施工工藝簡單，節省了大量焊接人員和焊接耗材的投入。

(2)拉森鋼板樁圍堰使用的主要材料是拉森鋼板樁標準構件，屬于可重復利用的標準構件，可周轉，損耗少，相對于鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰鋼材只能一次性使用的缺點，節省了鋼材的使用。

(3)拉森鋼板樁圍堰所需要投入使用的主要機械為一臺旋挖鉆機、一臺拉森鋼板樁插打機、一臺汽車吊機，相對于鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰采用大型船舶、長臂挖掘機、鉆爆設備、大型的起重吊裝設備、水下鉆爆設備等，節省了大量的大型設備投入。

3.2.2 施工時間投入減少

拉森鋼板樁構件之間的連接采用的是企口連接，此連接方式較簡單，在拉森鋼板樁插打時可方便地完成連接。而鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰鋼板之間采用的連接方式為焊接連接，其工藝繁雜，施工速度慢。相較之下，拉森鋼板樁圍堰施工工期明顯縮短。

3.2.3 施工安全風險降低

(1)拉森鋼板樁圍堰施工時，大型機械都是在水上施工平臺上進行，且不用進行水下爆破、開挖，而鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰施工時需要使用大型船舶進行水下爆破、開挖。相比之下，拉森鋼板樁圍堰施工減少了大量的水下作業，降低了水下施工的安全風險。

(2)拉森鋼板樁圍堰安裝時采用單個構件逐件安裝，安裝重量小、難度很低、安裝風險低，而鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰施工時都是整體一次性下沉安裝到位的，安裝重量很大，安裝難度很高、安裝的風險較高。相較之下，拉森鋼板樁圍堰施工安全風險明顯降低。

4 結語

本文結合某鐵路紅水河特大橋水中橋墩施工實例，研究了石質河床拉森鋼板樁圍堰的應用。通過鋼板樁圍堰的方案設計與驗算，保證結構的整體安全性和穩定性，再結合本項目實際，建立相關施工工藝流程，提出保持鋼板樁圍檁垂直度的施工方法。石質河床拉森鋼板樁圍堰施工技術的研究與運用，能夠降低施工成本，縮短施工時間，降低施工安全風險，產生較大的經濟效益與社會效益。在不久的將來，石質河床拉森鋼板樁圍堰施工技術在鐵路、公路、市政橋梁施工中必將取得更廣泛的應用。