深水區(qū)域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰設(shè)計與施工技術(shù)研究

唐永祥

（中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西太原 030000）

0 引言

拉森鋼板樁圍堰以其整體剛度較大、變形較小、施工簡便快捷、安全可靠、經(jīng)濟環(huán)保等諸多優(yōu)點，在眾多圍堰結(jié)構(gòu)形式中應(yīng)用廣泛。目前，拉森鋼板樁圍堰主要應(yīng)用于軟弱地層施工，所以研究一套深水區(qū)域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰施工技術(shù)具有良好的社會經(jīng)濟效益。

1 工程概況

永州城南大橋主線全長1183.56m，工程包括主橋、引橋、匝道橋工程；引橋5#、6#、7#墩，主橋9#、10#、11#位于湘江內(nèi)，湘江平均水深8m，原設(shè)計5#～7#墩承臺尺寸為3.9m×4.2m×2.5m；通過設(shè)計變更優(yōu)化，將引橋5#～7#墩承臺取消，樁基直徑2.5m 保持不變，樁長增加至原承臺頂，增加樁頂橫向地系梁；將5#～7#墩柱由方柱變?yōu)橹睆?.3m 的圓柱，采用樁柱式橋墩形式。

2 拉森鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)形式

鋼板樁圍堰采用矩形，圍堰輪廓尺寸為16m×6.4m，圍堰頂標高設(shè)計為+99.00m，板樁底面的標高為+87.50m，鋼板樁采用拉森Ⅳ型；內(nèi)支撐設(shè)3 層，第一層的標高為98.055m，第二層的標高為95.555m，第三層的標高為93.555m；第一層內(nèi)支撐的圍檁為2HN450mm×200mm，內(nèi)部支撐分短邊的水平撐和四角八字撐，支撐采用529mm×10mm 螺旋管，第二、三層內(nèi)支撐的圍檁為3HN450×200，內(nèi)部支撐分短邊的水平撐和四角八字撐，支撐均采用529mm×10mm 螺旋管，水平撐和八字撐支撐在圍檁的位置；每層圍檁與鋼板樁接觸位置設(shè)上下正反牛腿[1]。

2.2 圍堰結(jié)構(gòu)檢算

2.2.1 計算資料

（1）地質(zhì)資料：墩位處地面以下為土質(zhì)泥巖。土的參數(shù)（容重γ、凝聚力c、內(nèi)摩擦角φ）按地勘報告提供的參數(shù)取值，土壓力計算采用水土合算原則。

（2）材料選擇：鋼板樁采用拉森SP-U400mm×170mm×15.5mm，每延米鋼板樁抵抗矩W=2270cm3，材質(zhì)采用Q345，容許彎曲應(yīng)力210MPa。第一層圈梁采用2HN450mm×200mm，第二、三層圈梁采用3HN450mm×200mm。內(nèi)支撐采用529mm×10mm 螺旋鋼管，其材質(zhì)均為Q235B，容許彎曲應(yīng)力170MPa。

（3）荷載：主動土壓力、被動土壓力、土壓力采用朗肯土壓力理論計算；該工程無地面超載。

（4）流水壓力：流水壓力按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.3.8 條計算，流水壓力荷載標準值計算公式為：

式（1）中：Fw為流水壓力標準值，kN；γ為水的重力密度，10kN/m3；V為設(shè)計 流 速，取 值V=2.4m/s；A為鋼板樁阻水面積，計算至一般沖刷線處，m2；g 為重力加速度，取g=9.81m/s；K為橋墩形狀系數(shù)，取1.3。計算得出每米荷載為7.66kN/m，按倒三角形加載。

2.2.2 計算荷載及工況

計算時，考慮荷載包括靜水壓力和土壓力，為保證鋼板樁圍堰在施工過程中都滿足設(shè)計要求和安全要求，結(jié)合以往經(jīng)驗分析，按照以下3 種不利工況進行分析計算：

（1）工況一：鋼板樁圍堰合龍后，安裝完成第一層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，抽水至圍堰第二層內(nèi)支撐以下0.5m 處。

（2）工況二：安裝好圍堰第二層內(nèi)支撐體系，抽水至圍堰第三層內(nèi)支撐以下0.5m 處。

（3）工況三：安裝好圍堰第三層內(nèi)支撐體系，抽水至圍堰封底混凝土頂面處。

2.2.3 鋼板樁入土深度計算

采用等值梁法進行鋼板樁入土深度計算，均取1m寬度范圍進行計算，采用水土合算原則、MIDAS CIVIL 軟件建模，分析各工況鋼板樁入土深度。

（1）工況一時，反彎點在河床以下y=0.22m，反彎點反力為140.2kN，則x=2.17m；入土深度t=2.63m。故鋼板樁長度為10.84m。

（2）工況二時，反彎點在河床以下y=0.33m，反彎點反力為115.1kN，則x=1.97m；入土深度t=2.53 m。故鋼板樁長度為10.74m。

（3）工況三時，反彎點在河床以下y=0.44m，反彎點反力為85.6kN，則x=1.70m；入土深度t=2.35m。故鋼板樁長度為10.56m。

考慮安全、施工以及材料變異等因素，鋼板樁頂標高設(shè)計為+99.00m，底標高設(shè)計為+87.50m（鋼板樁長度11.5m）。

2.2.4 鋼板樁受力檢算

采用MIDAS CIVIL 軟件，對鋼板樁進行建模分析，各工況建模計算結(jié)果如下：

（1）工況一建模計算結(jié)果：鋼板樁最大彎矩為304.96kN·m，第一層內(nèi)支撐反力為124.30kN；鋼板樁應(yīng)力：σ=304960000/2270000=134.34MPa＜210MPa，滿足要求。

（2）工況二建模計算結(jié)果：鋼板樁最大彎矩為158.75kN·m，第一層內(nèi)支撐反力為9.30kN，第二層內(nèi)支撐反力為246.30kN。鋼板樁應(yīng)力：σ=158750000/2270000=69.93MPa＜210MPa，滿足要求。

（3）工況三建模計算結(jié)果：鋼板樁最大彎矩為83.25kN·m，第一層內(nèi)支撐反力39.60kN，第二層內(nèi)支撐反力為 53.90kN，第三層內(nèi)支撐反力為219.50kN。鋼 板 樁 應(yīng) 力：σ=83250000/2270000=36.67MPa＜210MPa，滿足要求。

2.2.5 圈梁和內(nèi)支撐受力檢算

第一層圈梁處最大壓力為124.30kN/m，第二層圈梁處最大壓力為246.40kN/m，第三層圈梁處最大壓力為219.50kN/m。

第一層圈梁和內(nèi)支撐建模計算結(jié)果：圈梁最大組合應(yīng)力為94.60MPa＜170MPa；529mm×10mm 的橫撐桿件計算長度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第一層的橫撐桿件最大應(yīng)力為42.8MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撐桿件計算長度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第一層八字撐最大應(yīng)力為53.80MPa＜0.985×170=167.50MPa，滿足要求。

第二層圈梁和內(nèi)支撐建模計算結(jié)果：圈梁最大組合應(yīng)力為124.50MPa＜170MPa；529mm×10mm 的橫撐桿件計算長度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第二層的橫撐桿件最大應(yīng)力為81.80MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撐桿件計算長度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第二層八字撐最大應(yīng)力為90.90MPa＜0.985×170=167.50MPa，滿足要求。

第三層圈梁和內(nèi)支撐建模計算結(jié)果：圈梁最大組合應(yīng)力為110.80MPa＜170MPa；529mm×10mm 的橫撐桿件計算長度l=5.46m，λ=29.8，查表得φ＝0.9632，第三層橫撐桿件最大應(yīng)力為62.50MPa＜0.9632×170=163.70MPa；529mm×10mm 的八字撐桿件計算長度l=3.3m，λ=18.0，查表得φ＝0.985，第三層八字撐最大應(yīng)力為81.0MPa＜0.985×170=167.5MPa，滿足要求。

2.2.6 抗浮檢算和封底混凝土強度檢算

（1）封底混凝土抗浮檢算

以引橋第二聯(lián)7#墩為例進行檢算，7#墩鋼板樁圍堰采用2.22m 厚的封底混凝土，圍堰封底混凝土底面受到的浮力為：F=LBHγw=16×6.4×10.43×10=10680.32kN。水下封底混凝土與樁之間的容許黏聚力一般為10～20t/m3，這里取12t/m3。封底混凝土的自 重：G=24×2.22×（16×6.4-3.14×1.252×2）=4933.10kN。護筒黏結(jié)力：T1=2.22×3.14×2.5×120×2=4182.5kN。鋼板樁與封底混凝土的黏結(jié)力：T2=2.22×(16+6.4)×2×120=11934.7kN。抗浮系數(shù)K=（G+T1+T2）/F=(4933.1+4182.5+11934.7)/10680.32=2.0＞1.05；采用封底混凝土厚度為2.22m，滿足要求。

（2）封底混凝土強度檢算

采用C25 水下封底混凝土，厚度2.22m。混凝土在圍堰結(jié)構(gòu)形成支點反力的情況下，受圍堰在抽水過程中產(chǎn)生的上浮力作用。圍堰封底施工完成后，待封底混凝土達到設(shè)計強度的要求，方可抽水進行下一步作業(yè)。當水位超過97.5m 時，嚴禁進行抽水施工。此時最大水位水頭差按8.9m 計算。按單寬簡支梁計算，跨度為兩相鄰樁間的最大距離：l=5.5m。C25 容許拉應(yīng)力為0.5MPa，應(yīng)考慮水下混凝土折減系數(shù)0.7；q=8.9×10-24×2.22=35.7kN/m。

Mmax=ql2/8=35.7×5.52/8=135.1kN·m，W=1000×22202/6=8.214×108mm3。

σ=M/W=(135.1×106)/(8.214×108)=0.164MPa＜0.7[σt]=0.35MPa，滿足要求。

3 拉森鋼板樁圍堰施工工藝流程

圍堰測量定位—焊接鋼板樁導向架—利用振動錘逐根振打鋼板樁至圍堰合龍—利用長臂挖機清理堰內(nèi)河床面卵石層，滿足最小封底厚度—水下封底混凝土灌注施工—圍堰分層抽水、設(shè)置內(nèi)支撐—破除樁頭—樁基系梁施工—水中墩柱施工—堰內(nèi)分層回灌水并拆除內(nèi)支撐—拔出鋼板樁。

4 拉森鋼板樁圍堰關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 圍堰測量定位

在鋼棧橋橋頭岸邊陸地上，設(shè)置圍堰測量的控制點，用全站儀測放圍堰軸線。

4.2 焊接導向架

根據(jù)圍堰四邊中線的控制點，確定導向架的具體位置。利用樁基施工鋼護筒作為受力點，在鋼護筒上面焊接導向架，圍堰導向架采用40a 工字鋼焊接。

4.3 鋼板樁插打施工

鋼板樁插打施工自圍堰結(jié)構(gòu)上游部位開始，在圍堰下游合龍。采用履帶吊配備90 型振動錘進行鋼板樁插打施工；履帶吊將鋼板樁吊至設(shè)計插點處進行插樁，對準鎖口，開動液壓機，夾緊鋼板樁，開始插打施工，在過程中用全站儀控制圍堰線形。

4.4 鋼板樁糾偏

拉森鋼板樁在插打施工過程中，應(yīng)及時進行糾偏處理，每插打10 根左右鋼板樁做一次全面檢查。

4.5 鋼板樁圍堰合龍

拉森鋼板樁由圍堰上游側(cè)分兩頭開始插打，到圍堰結(jié)構(gòu)下游側(cè)角部，利用專門加工的角樁進行圍堰合龍；在插打至最后5 根鋼板樁時，測量合龍口的寬度，精確計算異形鋼樁的尺寸，保證圍堰精確合龍；圍堰合龍后，及時進行圍檁及內(nèi)支撐體系施工，以保證圍堰結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[2]。

4.6 圍堰內(nèi)卵石清理施工

在鋼板樁插打至圍堰合龍后，為滿足鋼板樁圍堰設(shè)計最小封底厚度的要求，需要挖出、清理圍堰內(nèi)卵石層。采用長臂挖機進行水下開挖施工，7#墩卵石層開挖厚度為0.8m，6#墩卵石層開挖厚度為0.8m，5#墩卵石層開挖厚度為1.2m。長臂挖機停放在圍堰兩側(cè)的馬道上面，進行水下開挖施工。平臺面到開挖面的垂直高度為11m，長臂挖機滿足開挖施工的要求，長臂挖機在開挖過程中，技術(shù)員利用測繩進行每個開挖點的深度量測，確保滿足圍堰水下封底混凝土的厚度。

4.7 水下封底混凝土施工

采用導管法灌注水下封底混凝土施工，灌注順序按照從上游向下游逐段灌注。混凝土坍落度控制在200～220mm。在封底混凝土中，適量摻入粉煤灰和高效緩凝劑，提高混凝土的流動性，延長初凝時間。在封底施工過程中，準確測量封底混凝土的頂面標高，確保封底混凝土的厚度符合設(shè)計要求。

4.8 鋼板樁圍堰堵漏

拉森鋼板樁因嵌鎖咬合上總有不嚴密之處。抽水時，派潛水員進行堵漏止水施工作業(yè)。潛水員一般采用棉布條等填充物填塞接縫。在抽水過程中，如果發(fā)生鎖口漏水較大，影響圍堰內(nèi)施工作業(yè)時，停止抽水、讓水回灌，重新止水。

4.9 圍堰內(nèi)支撐安裝

在圍檁上，測出內(nèi)支撐的位置并標記。為確保支撐鋼管軸心受壓，支撐鋼管端頭企口切割時，要保證鋼管軸線和圍檁型鋼結(jié)構(gòu)中線重合。用起吊設(shè)備將支撐鋼管吊放到對應(yīng)位置安裝，并焊接牢固。

5 拉森鋼板樁圍堰施工控制要點

其一，焊條、焊絲等焊接材料的規(guī)格型號必須與焊接工藝評定試驗所確定的相一致。

其二，鋼材的幾何尺寸偏差必須符合國家標準規(guī)定。

其三，嚴格按照質(zhì)檢制度和質(zhì)檢程序控制拉森鋼板樁圍堰工程的質(zhì)量。

其四，插打必須從上游側(cè)開始至下游側(cè)進行合龍。

其五，振動錘試振動30s，停止振動，進行鋼板樁垂直度檢查，檢查合格，繼續(xù)沉樁施工。

其六，插打到孔底，利用振動錘強制插打，使樁底部嵌入巖層10～20cm，防止鋼板樁底部透水。

6 結(jié)語

深水區(qū)域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰施工技術(shù)的成功應(yīng)用，加快了深水基礎(chǔ)施工的進度，通過采取清理圍堰內(nèi)卵石并水下封底等措施，解決淺埋覆蓋層軟巖地質(zhì)拉森鋼板樁難以插打至設(shè)計嵌固深度及鋼板樁圍堰底部透水的問題。將深水區(qū)域高樁地系梁拉森鋼板樁圍堰設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)研究總結(jié)，希望能給同類型工程施工提供一些參考，該施工技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。