北海河矮塔斜拉桥水中墩钢板桩围堰设计及施工技术总结

北海河矮塔斜拉桥水中墩钢板桩围堰设计及施工技术总结

何连昊

中铁二局第四工程有限公司 四川成都 610300

摘要：本文结合东莞轨道交通1号线北海河矮塔斜拉桥水中墩钢板桩围堰设计及施工，重点介绍了大尺寸深水基础钢板桩围堰在硬质岩层工况下的施工关键技术及施工控制情况，为后续类似桥梁施工提供经验借鉴。

关键词：深水钢板桩围堰 围堰设计 引孔 围堰注浆 有限元分析

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何连昊：北海河矮塔斜拉桥水中墩钢板桩围堰设计及施工技术

1.工程概况

1.1工程设计概况

东莞轨道交通1号线高架段起讫里程为DK0+435.5～DK8+095.054，全长7.659km（不含车辆段出入站线1.04km)。其中，北海河矮塔斜拉桥为东莞轨道交通1号线一期重点桥梁工程，上部结构为（90+168+90）m斜拉桥，该桥两主墩（50#、51#）位于北海河中，采用拉森钢板桩围堰施工，两围堰最大开挖深度为17.37m，其中50#承台部分嵌入强、中风化泥岩地层中，钢板桩围堰均已嵌入中风化地层。

1.2水文情况

北海河宽265m，百年洪水位最大水深12.5m，

距离50#墩104.5m，距51#墩47.4m，跨中最大通航净空9.5m。50#墩承台内边缘距河岸12m，51#墩承台内边缘距河岸8.4m，按百年洪水位计，50#墩水深4.9m，51#墩水深3.3m。50～51#水中墩为门式结构，50#墩高12m，51#墩高14m，均采用二级承台，墩身构造详见图1。

1.3地质情况

北海河矮塔斜拉桥50#墩区域内围堰穿越地层分布主要有：①2-1 淤泥层；②2-5-1 松散型细砂；③2-2 淤泥质土；④2-5-2 稍密型细砂；⑤14-1 全风化钙质泥岩夹钙质砂岩；⑥14-2 强风化钙质泥岩夹钙质砂岩，围堰地质断面见图1。

北海河矮塔斜拉桥51#墩区域内围堰穿越地层分布主要有：①2-1 淤泥层；②2-5-1 松散型细砂；③2-2 淤泥质土；④2-5-2 稍密型细砂；⑤14-2 强风化钙质泥岩夹钙质砂岩，根据地勘资料，各地层力学性状见表1。

1.4钢板桩围堰构造设计

50#墩围堰结构为18m拉森IV型钢板桩+3层内支撑，钢板桩嵌固深度12.1m，最大水头高差12.5m，封底混凝土厚1m，结构见图1。

图1 50#墩围堰地质断面图

表1 各地层力学参数统计表

1.5工程重难点

（1）围堰受力分析及周边环境影响计算较复杂

50#围堰位于既有河堤旁，原河堤构造为钢筋混凝土仰斜式，围堰开挖过程中可能对河堤造成扰动，存在一定安全隐患，须模拟分析其位移变化过程。

围堰内支撑涉及整体下放，属于先撑后堰形式，传统基坑分析软件如“理正”受软件自身机理限制，只能对基坑顺做时的维护结构进行受力分析，因此须采用其他计算方式对整体下沉法进行充分分析，整个计算过程相对复杂。

（2）钢板桩插打难度大，围堰后期防渗漏难度大

钢板桩插打须引孔施工（强/中风化钙质砂岩），围堰钢板桩均嵌入强/中风化层，嵌固深度4m～6m，根据地勘资料中风化岩层无侧限抗压强度达到40Mpa，引孔机械选型至关重要，同时施工作业具备较大难度。

2.围堰设计

2.1钢板桩围堰的一般设计方法

目前钢围堰设计常用的软件有：理正深基坑软件、同济启明星基坑支护软件、MIDAS CIVIL有限元软件、MIDAS XD深基坑软件、MIDAS GTS NX有限元软件、ANSYS有限元分析软件等。

2.2规范计算法

理正深基坑软件采用规范式计算方法，即针对某一深基坑围堰结构截取不同断面，然后根据规范采用水土分算或水土合算进行受力分析，该方法的主要优点为：①建模过程简单快捷，仅需按照围堰结构绘制不同断面即可，不用考虑其平面构造；②钢板桩围堰位于砂层部位处的主动土压力按水土分算考虑，结构安全富余度较大。③作为基坑设计的主流电算工具，在设计院、高校等广泛应用，社会认可度较高。缺点为：①无法反映围堰整体及周边土体的连续变形情况，最终的图形计算结果表达不直观；②进行施工工序模拟时受限制条件较多，对水中围堰的适配度较低。

2.3数值分析法

土体与其他材料的根本区别在于其非线性、压硬性、剪胀性、摩擦性，这四种特性直接控制了土的应力应变关系，通过不同的本构模型反映材料的应力—应变（时间）关系，本工程采用MIDAS GTS NX软件进行数值分析，选取的本构模型为摩尔—库伦，数值分析法的主要优点为：①结构真实，计算准确，直观反映围堰及周边土体的位移趋势；②适用于各类施工工序；③可充分考虑土体的渗透系数，准确反应强、中风化。缺点为：①模型构建的难度较大，须具备一定理论知识；②软件的可调参数多，参数变化可能使计算结果产生较大偏差，导致专家评审的接收程度较低。

2.4本围堰设计方法简介

逐层开挖法具有维护结构强度刚度要求高、不能充分发挥内支撑受力性能的特点，而内支撑整体下沉法则可做到适当减弱维护结构，同时充分发挥内支撑性能，但该工法无法采用传统规范软件计算。

因此根据本项目具体工况，结合引孔回填后插打钢板桩、围堰内撑整体下沉或逐层安装等特点，考虑工况需求及专家评审接受度等情况，本围堰同时采用规范类及数值分析类软件进行建模计算，规范类软件为理正深基坑，数值分析类软件为MIDAS GTS NX，以规范计算为主，数值分析为辅。

2.5计算结果比较

以北海河51#墩为例，理正深基坑受软件自身设定所限，无法模拟围囹内支撑整体下沉后再安装钢板桩的工况，仅可模拟逐层施做内支撑的工况，理正计算结果显示最大轴力出现在第三层内支撑，MIDAS GTS NX显示最大轴力出现在第四层，考虑初始偏心距及VON MISES等效应力后，长斜撑换算轴力分别为：理正：4052KN，GTS：5250KN。

理正计算最大位移约45mm，GTS为20mm，其中整体下沉部分的钢板桩及围囹基本无变形，整体稳定性较好。

部分计算结果见图2-3。

图2 理正结构受力分析图

图3 GTS NX结构受力分析图

3.钢板桩围堰施工方案

采用旋挖引孔机沿钢板桩边线引孔，引孔后朝孔内回填细砂，然后拆除作业平台。

对于50#墩围堰：按设计标高安设第一道围囹及支撑，然后沿围囹边线依次插打钢板桩形成闭合围堰，然后采用长臂挖机将围堰内河床线开挖至封底混凝土底标高，浇筑封底混凝土后逐层抽水并安装内支撑。

4.关键技术

4.1旋挖钻引孔技术

本项目采用拉森IV型钢板桩，钢板桩宽40cm、高17cm、长15cm，采用直径60cm的旋挖钻连续引孔，引孔的中心线与钢板桩轮廓中心线保持一致，相邻两孔重叠宽度为30cm，引孔深度比钢板桩底部浅50cm左右，剩余未引孔的50cm采用120型振动锤强行插打，确保钢板桩底部与岩层紧密结合，提高整体的稳定性和止水效果。

在拉森钢板桩施工范围地质存在中风化层情况下采用ZR250型旋挖钻引孔，钻头直径800mm，设计孔深为平台面以下21m。

经实践，一台旋挖钻机24h引孔数量为10-15根，折合210-315延米数，与方案制定时基本相符。

引孔后，孔底5m高度范围内回填细砂，其余范围可回填河床原状土体，细沙内摩擦角较大，可辅助钢板桩基底稳固，且后期注浆施工过程中容易与浆液结合饱满。

4.2钢板桩尖地层注浆加固技术

因本项目钢板桩均采用引孔施工，引孔区域回填细砂材料，砂层渗透系数较大，在钢板桩四周可能形成渗流通道，因此须进行注浆固结处理，提高围堰基底防渗性。

开始注浆前，严格按照配合比配料，浆液应充分搅拌均匀。浆液应随拌随注，不得长时间存放已拌好的浆液。注浆材料采用42.5级普通硅酸盐水泥、水玻璃及水配置浆液，水：水泥：水玻璃=1：0.5：0.5（具体可根据现场试验后进行适当调整），水泥浆在两个直径1m，高0.8m的拌合桶内拌合，水玻璃用可计量容器存放，拌合用水为生活用水，严禁使用河水或水质不达标的水。

注浆开始前做好充分准备，注浆一开始即连续进行，力求避免中断。钻孔至设计深度开始注浆，注浆时，注意控制注浆压力（不小于2MPa）、注浆流量及拔管速度。所有材料必须具备出厂质保书。施工时及时、如实、准确地进行记录，并及时由监理工程师验收签证。配制的双液浆能在要求的时间内凝固，并具有一定的湿度，浆液凝固后其体积不应有较大的收缩，浆体短时间内不应发生离析现象。双液注浆临时停止前应停用水玻璃，以单液水泥浆方式再注浆60秒至120秒，用纯水泥浆置换出注浆管路里的双液混合浆液，防止输浆管路的堵塞。

4.4内支撑整体下沉安装技术

因51#墩围堰深度较大，采用整体下沉法一次性将前3层围囹内支撑下放到位，提高围堰整体性。

（1）吊架设计

在拆除钻桩平台后，利用钢护筒安装工字钢牛腿，牛腿型号为双拼I36工字钢，利用55t履带吊将围囹的各部件吊装至在牛腿上，焊接组拼形成第一圈围囹支撑（设计中从上至下第3层围囹支撑），然后在第一圈围囹上安装I28工字钢桁架系统，待桁架系统安装后，在桁架系统上安装第二圈围囹支撑（设计中第2层围囹支撑）并焊接牢固。

然后通过吊挂系统将已组拼好的两层围囹支撑下放一定距离，并在其上施做第三圈围囹支撑（设计中第1层围囹支撑）。

吊挂系统由千斤顶、精轧螺纹钢、上下螺母、上吊点、上横梁及下担梁组成，上吊点为双拼I36工字钢，上横梁为双拼I45工字钢，下担梁为双拼I56工字钢，上横梁设置于桩基钢护筒上，与钢护筒之间焊接连接，在吊点处设置有100t穿心千斤顶，千斤顶通过提挂直径32mm的精轧螺纹钢下放内支撑结构，横梁及担梁安装时应保证水平，确保精轧螺纹钢的垂直度。围囹层间桁架结构施工时注意在吊点处应设有竖杆（起到分散剪力的作用）。

（2）内支撑下放步骤

①初始状态：锁紧上横梁精轧螺纹钢螺母，锁紧上吊点螺母，千斤顶未顶升。

②第一步：保持上横梁螺母锁紧，松开上吊点螺母，千斤顶顶升上吊点一定距离。

③第二步：锁紧上吊点螺母，松开上横梁螺母，将体系转换至千斤顶受力。

④第三步：千斤顶回油，下放上吊点一定距离，然后锁紧上横梁螺母，松开上吊点螺母。

⑤第四步：往复循环以上步骤，通过不断千斤顶内缸不断伸缩，将内支撑体系下放到指定标高。

⑥第五步：围囹及支撑下放到位后在第一层围囹处按2-4m间距设置牛腿，起到支托防坠的作用。

6.结束语

本项目通过采用旋挖钻机一次引孔技术、地质钻机二次补充引孔技术，成功解决了钢板桩嵌入硬质地层的施工难题，提高了引孔施工工效，缩短了钢板桩围堰施工周期，同时辅以在引孔薄弱环节注浆措施进行深水钢板桩围堰基底封闭加固，大大提高了钢板桩围堰抗渗能力，为施工安全提供了安全保障，具有较好的推广价值，本文将施工过程中的经验进行总结，希望为同类工程施工提供借鉴。

参考文献

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【2】周新亚,刘昌箭,钱有伟. 深水基础超长钢板桩围堰设计与施工关键技术[J]. 世界桥梁,2020,48(2):20-24.

【3】 宁光远. 单壁钢板桩围堰设计与施工技术浅析[J]. 珠江水运,2020(3):59-61.

【4】童旭霞. 曹娥江大桥主墩大型钢板桩围堰设计及施工技术[J]. 建筑工程技术与设计,2016(8):288-288.

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