鋼板樁圍堰施工穩定性分析研究

王煜涵

（中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 100018）

在工程建設過程中，為保證工程的正常開展，常需要建設圍堰等臨時擋水物。在水流作用下圍堰的位移變化規律可反應其穩定性，且影響著工程建設的開展及進度。近年來，許多專家學者針對位移的變形情況開展了相關研究。

羅毅等人[1]以某建立有限元模型，分析不同施工方式下，圍堰的內力特征及變形規律，確定了圍堰與基坑的最優間距。吳夢喜等人[2]拉哇水電站圍堰為研究對象，建立二維仿真模型，分析受力和應力變化共同作用下，堰基的內力變化及變形情況。司鵬飛等人[3]以某鋼板樁圍堰結構為研究對象，建立其有限元模型，分析不同因素對鋼板樁水平位移的影響規律。楊昌斌等人[4]以懸臂鋼板樁圍堰為研究對象，基于三維可視化地質模型，分析不同因素對鋼板樁位移及力學性能的影響，并結合監測數據，提出相關圍堰加固意見。

由于河道的靜水壓力和流水壓力會影響圍堰的穩定性及其側向位移，本文以北京城市副中心綜合管廊工程圍堰的鋼板樁為研究對象，采用有限元軟件，模擬靜水壓力和流水壓力對圍堰側向位移的影響，并分析水流流速、樁體特性等因素對其變形規律的影響。

1 工程概況

北京城市副中心行政辦公區綜合管廊工程采用鋼板樁圍堰進行圍護，考慮到滲流作用對其穩定性的影響，采用袋裝砂護坡和土工布的形式，形成封閉防滲體系，以維持圍堰結構的穩定性。

該地區地勢東高西低，地質情況良好，主要以粉質粘土、粉砂和黏土為主，邊坡表層為殘積土及下層的全風化巖層，土質以紅黏土、砂土和粉質黏土為主，地下水位線位于地下2m 處。勘察期間實測河道內鉆孔孔口處（河底）地面標高為14.97～15.07m；河岸上鉆孔孔口處地面標高為21.38～23.04m。

2 數值模型

采用有限元軟件模擬靜水壓力和流水壓力對圍堰側向位移的影響。該地區的土層相關參數如表1 所示。

表1 土層相關參數

為分析該數值模型計算圍堰側向位移的準確性，分別對比迎水面和背水面實際監測數據與模擬計算數據，分析其側向位移的差異，以驗證該模型的可行性。迎水面和背水面的側向位移-深度曲線如圖1 所示，實際監測數據與模擬計算數據變化趨勢保持一致，且迎水面的側向位移大于背水面的側向位移，當深度較小時，迎水面和背水面的側向位移差距較大，當深度為零時，二者之間的差距最大，其值為3.6mm；當深度為-8m時，有最大側向位移，迎水面和背水面的側向位移分別為2.1mm、3.9mm；隨著深度的增大，二者之間的差距逐漸減小，當深度大于-20m 時，二者之間的側向位移無明顯差異。這是由于迎水面受到水流作用，圍堰內部會產生滲流作用，使其穩定性降低，從而增大結構的側向位移。當深度較小時，圍堰的側向位移迎水面和背水面的側向位移差距較大，但二者間的差距仍在0.5mm以內，隨著深度的增大，圍堰的側向位移迎水面和背水面的側向位移差距逐漸減小，當深度大于-15m 時，二者間的差距較小，此時采用數值模型對圍堰的側向位移進行技術的準確性較高。

圖1 迎水面和背水面的側向位移-深度曲線

3 鋼板樁圍堰側向位移分析

3.1 流水壓力的影響

由于該圍堰位于河道的中下部，常受到河道流水沖積的影響，為分析流水壓力對圍堰側向位移的影響，對比分析有無流水力作用下，迎水面圍堰的側向位移-深度曲線，如圖2 所示，當深度為-8m 時，有最大側向位移，迎水面和背水面的側向位移分別為2.2mm、4.2mm。水流力作用下的圍堰側向位移顯著大于無水流力作用下的圍堰側向位移，說明水流力作用下，圍堰結構的穩定性較差，易發生側向變形。當深度較小時，有無流水力圍堰側向位移的差距較大，其中當深度為零時，二者之間的差距最大，其值為3.6mm；隨著深度的增大，有無流水力圍堰側向位移的差距逐漸減小，當深度大于-17.5m 時，二者間的差距小于0.1mm。說明流水壓力對圍堰樁頂的側向位移影響較大，隨著深度的增大，流水壓力對圍堰側向位移的影響程度逐漸減小。綜合以上分析可得，流水壓力對圍堰鋼板樁側向位移有一定的影響，在實際工程中，為保持結構的穩定性，考慮流水壓力對圍堰的作用是有必要的。

圖2 有無流水壓力的側向位移-深度曲線

3.2 水流速度的影響

由于流水壓力對圍堰鋼板樁側向位移有一定的影響，本節主要研究水流速度對其側向位移的影響，不同水流速度下，圍堰鋼板樁側向位移-深度曲線如圖3 所示，水流速度為1m/s、2.75m/s 的側向位移-深度曲線變化趨勢一致；水流速度為3.5m/s 的側向位移隨深度的增大而減小。在不同水流速度下，樁頂的側向位移差距較大，隨著深度的增大，不同水流速度下的鋼板樁側向位移差距逐漸減小，其中水流速度為3.5m/s 的鋼板樁側向位移最大，水流速度為1m/s 的鋼板樁側向位移最小；說明水流速度會影響鋼板樁的側向位移，且在樁頂的影響效果最為明顯，隨著深度的增大，不同水流流速下的側向位移差距較小，說明水流速度對鋼板樁側向位移的影響效果較不明顯。水流流速與鋼板樁的側向位移呈正相關關系，這是由于水流流速越大，鋼板樁收到的水流沖擊力越大，導致其發生的位移增大。

圖3 不同水流速度下側向位移-深度曲線

3.3 嵌入深度的影響

為分析圍堰鋼板樁嵌入深度對其側向位移的影響，對比分析不同鋼板樁嵌入深度下，其側向位移變化規律，鋼板樁側向位移-深度曲線如圖4 所示，隨著深度的增大，不同鋼板樁嵌入深度的側向位移呈先增大后減小的趨勢，其中，嵌入深度為5m 的鋼板樁側向位移最大，其它3 種嵌入深度下的鋼板樁側向位移數值較為接近；說明當嵌入深度較大時，圍堰鋼板樁的結構穩定性較強，發生的位移較小。這是由于，當嵌入深度較小時，樁身與土體的接觸面積較小，導致樁體的摩擦力較小，此時樁身抵抗水流沖積的能力較差，發生的側向位移較大。對比鋼板樁直徑和流水速度對其側向位移的影響可得，不同嵌入深度對應的鋼板樁側向位移差距較小，說明嵌入深度的變化對鋼板樁側向位移的影響較小。

圖4 不同嵌入深度下側向位移-深度曲線

4 鋼板樁圍堰施工

4.1 施工工藝

結合上述鋼板樁圍堰側向位移分析，確定了研究項目的鋼板樁圍堰施工工藝流程如圖5所示。

圖5 鋼板樁圍堰施工工藝流程圖

施工過程應注意：鋼板樁搬運起吊時，應防止鎖口損壞和由于自重導致變形；在存放期間應防止變形及鎖口內積水；鋼板樁搬運起吊時，應防止鎖口損壞和由于自重導致變形；在存放期間應防止變形及鎖口內積水。

4.2 施工中遇到的問題及處理措施

1）打樁過程中有時遇上大的孤石或其它不明障礙物，導致鋼板樁打入深度不夠，則采用轉角樁或弧形樁繞過障礙物。

2）鋼板樁在軟泥質地段擠進過程中受到泥中塊石或其它不明障礙物等側向擠壓作用力大小不同容易發生偏斜，采取以下措施進行糾偏：在發生偏斜位置將鋼板樁往上拔l.0～2.0m，再往下錘進，如此上下往復振拔數次，可使大的塊石等障礙物被振碎或使其發生位移，讓鋼板樁的位置得到糾正，減少鋼板樁的傾斜度。

3）鋼板樁沿軸線傾斜度較大時，采用異形樁來糾正，異形樁一般為上寬下窄和寬度大于或小于標準寬度的板樁，異形樁可根據據實際傾斜度進行焊接加工；傾斜度較小時也可以用卷揚機或葫蘆和鋼索將樁反向拉住再錘擊。

4）軟泥質基礎較軟，有時施工發生將鄰樁帶入現象，采用的措施是把相鄰的數根樁焊接在一起，并且在當前施工打樁的連接鎖口上涂以黃油等潤滑劑減少阻力。

5 結論

1）隨著深度的增大，圍堰的側向位移迎水面和背水面的側向位移差距逐漸減小，當深度大于-15m 時，實測值與模擬值間的差距較小，此時采用數值模型對圍堰的側向位移進行技術的準確性較高。

2）隨著深度的增大，有無流水力圍堰側向位移的差距逐漸減小，當深度大于-17.5m 時，二者間的差距小于0.1mm。流水壓力對圍堰樁頂的側向位移影響較大，隨著深度的增大，流水壓力對圍堰側向位移的影響程度逐漸減小。

3）水流速度會影響鋼板樁的側向位移，且在樁頂的影響效果最為明顯，隨著深度的增大，不同水流流速下的側向位移差距較小，說明水流速度對鋼板樁側向位移的影響效果較不明顯。O