不對稱側(cè)壓力鋼板樁圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

馬朋朋 李玉坤

摘 要：在涉水水域進(jìn)行承臺施工時(shí)，大多會采用圍堰結(jié)構(gòu)來進(jìn)行基坑防護(hù)，鋼板樁圍堰因其結(jié)構(gòu)簡單、施工方便的優(yōu)點(diǎn)被廣泛推廣，在鄰水區(qū)域施工時(shí)，會存在基坑兩側(cè)存在較大不平衡土側(cè)壓力的情況。為了對不平衡側(cè)壓力樁體下鋼板樁圍堰的施工技術(shù)進(jìn)行研究，以萬福路京杭運(yùn)河橋?yàn)橐劳袑ζ浞桨冈O(shè)計(jì)、受力分析及關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行了研究。研究表明在采用合適的支撐設(shè)計(jì)條件下鋼板樁圍堰可以承受不對稱水平力的作用，當(dāng)兩側(cè)不平衡力過大時(shí)可在壓力大一側(cè)設(shè)置雙排鋼板樁，提高圍堰的整體承載能力，相關(guān)研究成果可為后期類似工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：深基坑;鋼板樁圍堰;不平衡土壓力;受力分析;施工工藝

中圖分類號：U445.556 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

圍堰是橋梁工程涉水施工必不可少的臨時(shí)性結(jié)構(gòu)形式，圍堰的施工可為橋梁承臺及墩柱施工提供安全可靠的無水作業(yè)環(huán)境。根據(jù)橋梁不同的結(jié)構(gòu)形式和施工環(huán)境特點(diǎn)可選擇不同的圍堰形式進(jìn)行施工。目前，常見的圍堰形式包括鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、沉井圍堰、單壁鋼套箱圍堰、雙壁鋼套型圍堰等結(jié)構(gòu)形式[1-3]。其中，鋼板樁圍堰是中小跨徑橋梁承臺施工常用的圍堰形式，尤其是土質(zhì)基礎(chǔ)的地質(zhì)條件更為合適。這種鋼板樁圍堰具有施工簡單，施工成本低、施工周期快的特點(diǎn)，且鋼板樁可以周轉(zhuǎn)利用，組合效益好[4]。

但常用的鋼板樁圍堰四周的水壓力、土壓力引起的水平力基本處于對稱狀態(tài)，鋼板樁圍堰總體處于自平衡狀態(tài)。當(dāng)圍堰外側(cè)的水平力處于不對稱狀態(tài)時(shí)，圍堰整體會受到不平衡力的影響，對圍堰的承載能力提出了更高的要求。為了對非對稱側(cè)向壓力鋼板樁圍堰的施工技術(shù)進(jìn)行研究，本文以揚(yáng)州市萬福路京杭運(yùn)河大橋?yàn)橐劳袑@種圍堰結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

揚(yáng)州市萬福路跨京杭運(yùn)河大橋是萬福路跨越京杭運(yùn)河的重要通道。大橋設(shè)計(jì)為（42+140+42）m連續(xù)下承式鋼桁架拱橋，橫向由三榀拱肋組成，拱肋橫向間距為22.45 m。大橋的主墩位于京杭大運(yùn)河中，單個(gè)主墩采用三座分離式鋼筋混凝土墩柱，墩間設(shè)系梁連接，單個(gè)墩柱下方設(shè)置一承臺，承臺在頂面設(shè)置橫向聯(lián)系梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁群樁。其中兩側(cè)立柱對應(yīng)的基礎(chǔ)承臺尺寸為10.1 m×7.0 m（縱橋向×橫橋向），下接6Φ1 500 mm鉆孔灌注樁，中間立柱對應(yīng)的基礎(chǔ)承臺尺寸為10.1 m×10.1 m（縱橋向×橫橋向），下接9Φ1 500 mm鉆孔灌注樁，承臺厚度4 m。

1.2 水文地質(zhì)特點(diǎn)

圍堰位于京杭大運(yùn)河河道內(nèi)，靠堤岸側(cè)圍堰基本與堤岸線重合，另一側(cè)位于京杭運(yùn)河橋中。在承臺施工過程中當(dāng)承臺圍堰開挖后，靠近堤岸側(cè)的側(cè)向水土壓力明顯大于靠近運(yùn)河側(cè)圍堰承受的側(cè)壓力，在施工過程中圍堰沿著縱橋向兩側(cè)側(cè)壓力處于不對稱狀態(tài)，這對承臺圍堰的設(shè)計(jì)提出了新的要求。

擬建場地勘察深度范圍內(nèi)，揭露的地層主要為第四系土層，土層自上而下依次為雜填土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂夾粉土等。土地的主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.3 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

本橋圍堰開挖深度為10.5 m，屬于鋼板樁圍堰的適用范圍，故本橋承臺施工圍堰采用鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式。以尺寸較大的中間墩承臺為例，圍堰的平面尺寸設(shè)計(jì)為13.94 m

×7.0 m的正方向圍堰，距離承臺外邊間距為1.5 m。圍堰采用拉森-Ⅳw型鋼板樁，長度21 m，為了優(yōu)化鋼板樁受力，控制圍堰變形，在鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)設(shè)置三層水平支撐體系，見圖1。第一層圍檁及斜撐為2HM588×300型鋼，設(shè)置在距離鋼板樁頂部3 m處，第二、三層圍檁及斜撐為2HN700×300型鋼，第二、三層圍檁距離鋼板樁頂面的距離分別為7 m、9.9 m。斜撐設(shè)置在矩形的四個(gè)角點(diǎn)位置，距離角點(diǎn)尺寸為3.9 m，斜撐長度為4.68 m。

為降低堤岸側(cè)土壓力、機(jī)械荷載和土堆荷載對圍堰的影響，采用在圍堰外側(cè)1.5 m位置插打一排長度12 m的鋼板樁，并通過在兩排鋼板樁之間焊接連接鋼筋，澆筑一層厚度1 m的壓頂混凝土作為樁帽板來增大鋼板樁的剛度，形成雙板鋼板樁結(jié)構(gòu)，減小圍堰因兩側(cè)產(chǎn)生的不平衡側(cè)壓力而產(chǎn)生的變形。

2 圍堰受力特性分析

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算工況

萬福路跨京杭運(yùn)河大橋的圍堰承受了兩側(cè)不平衡水平力作用，為了應(yīng)對這種受力特點(diǎn)，在一側(cè)采用了單排鋼板樁圍堰，另外一側(cè)采用雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)，是一種較為新穎的鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)，為了分析這種圍堰的安全性，對鋼板樁圍堰進(jìn)行有限元分析。

有限元分析采用商業(yè)軟件midas進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中鋼板樁、支護(hù)圍檁均采用梁單元進(jìn)行模擬。圍檁和鋼板樁之間的連接采用僅受壓彈性連接進(jìn)行模擬，鋼板樁入圖范圍內(nèi)土體對鋼板樁的約束采用彈性約束進(jìn)行模擬。計(jì)算中考慮的荷載作用主要包括結(jié)構(gòu)自重、側(cè)向水壓力、側(cè)向土壓力及頂面堆土、機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的側(cè)向水平力。其中，粉土層、粉砂層采用水土分算的方法進(jìn)行計(jì)算，粘性土層采用水土合算法進(jìn)行計(jì)算。

在計(jì)算中分別考慮第一層圍檁施加前，第二層圍檁施工前、第三層圍檁施工前、承臺第一層混凝土施工后拆除第三層圍檁四種最不利狀態(tài)，考察在這四種狀態(tài)下鋼板樁圍堰的安全性。

2.2 鋼板樁圍堰受力分析

計(jì)算分析結(jié)果表明，在施工過程中鋼板樁圍堰的最大水平變形為34.2 mm，總體變形較小，在可控范圍內(nèi)，最大水平位移出現(xiàn)在第墊層混凝土澆筑前，最大水平變形出現(xiàn)在第三道圍檁和基坑底部之間。在圍堰施工過程中拉森

鋼板樁出現(xiàn)的最大組合應(yīng)力為154.7 MPa，出現(xiàn)在墊層混凝土施工工況。在該工況下鋼板樁的應(yīng)力分布如圖2所示，此時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在上下游側(cè)鋼板樁上，岸側(cè)鋼板樁在采用了雙層支護(hù)后應(yīng)力得到有效的控制。

2.3 支護(hù)圍檁受力分析

在圍堰施工過程中為例結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均在材料強(qiáng)度范圍內(nèi)。在整個(gè)施工過程中第一道圍檁出現(xiàn)的最大組合應(yīng)力為19 MPa，最大剪應(yīng)力為11.6 MPa。在施工過程中第二層圍檁出現(xiàn)的最大組合應(yīng)力為158.5 MPa，出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力為68.3 MPa。第三層圍檁出現(xiàn)的最大組合應(yīng)力為143.2 MPa，最大剪應(yīng)力為54.3 MPa。

在整個(gè)施工過程中圍檁出現(xiàn)的最大應(yīng)力在第二層圍檁上，出現(xiàn)在第一層層臺澆筑后第三層圍檁拆除時(shí)，其組合應(yīng)力分布情況見圖3。

3 施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，萬福路承臺圍堰采用干法施工，主要施工工藝可以總結(jié)為以下施工工序和施工步驟。

（1）按照圍堰施工方案對圍堰范圍的層第進(jìn)行整平，將京杭大運(yùn)河?xùn)|岸場地按圖中要求進(jìn)行削坡、整平，保持岸側(cè)場地平整。進(jìn)行放樣測量，并安裝導(dǎo)向裝置，完成鋼板樁插打準(zhǔn)備工作。

（2）通過導(dǎo)向裝置按照“迎通航面-上游面-迎岸面-下游面”的順序進(jìn)行鋼板樁插打，內(nèi)側(cè)鋼板樁插打完成，并在下游面進(jìn)行合攏。在靠近堤岸側(cè)距離圍堰1.5 m位置插打一排長度12 m的鋼板樁，鋼板樁之間整平，安裝連接鋼筋，并澆筑一層厚度1 m的壓頂混凝土將兩排鋼板樁進(jìn)行連接加固，形成兩排鋼板樁之間的樁頂帽梁。

（3）進(jìn)行圍堰內(nèi)降水并開挖至第一層內(nèi)支撐以下1 m處（標(biāo)高+2.500 m），并安裝第一層圍檁及內(nèi)支撐。繼續(xù)進(jìn)行圍堰內(nèi)降水至河床，并進(jìn)行開挖至第二層內(nèi)支撐以下1 m處（標(biāo)高-1.500 m），安裝第二層圍檁及內(nèi)支撐。圍堰內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行開完，開挖至第三層內(nèi)支撐以下1 m處（標(biāo)高-4.400 m），安裝第三層圍檁及內(nèi)支撐。

（4）圍堰內(nèi)繼續(xù)開挖至封底底部-6.000 m，避免出現(xiàn)超挖（坑內(nèi)水位標(biāo)高在封底底部以下，但不得低于-6.500 m），在封底底部鋪設(shè)間距2 m的Φ50UPVC排水管（管周包裹濾網(wǎng)布及一定厚度的級配礫石），清理封底范圍內(nèi)的鋼板樁及樁頭，然后澆筑0.5 m厚C30封底混凝土。

（5）待封底砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，處理樁頭，綁扎鋼筋，澆筑第一層1.5 m厚混凝土承臺。待第一層1.5 m厚承臺混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在承臺與圍堰夾壁內(nèi)回填1.0 m細(xì)砂壓實(shí)，同時(shí)澆筑0.3 m厚夾壁砼，拆除最下一層支撐（-3.400 m）。

（6）利用第三層圍檁拆除后形成的空間進(jìn)行承臺第二次混凝土內(nèi)鋼筋綁扎和混凝土澆筑，完成第二層2.5 m厚承臺施工。并利用圍堰形成的圍護(hù)空間完成主墩墩身施工。

（7）土體回填，拆除剩余支撐體系，拔出鋼板樁，完成鋼板樁圍堰拆除施工。

4 結(jié)語

本文以揚(yáng)州市萬福快速路跨京杭運(yùn)河大橋?yàn)楸尘?，對非對稱側(cè)壓力鋼板樁圍堰的施工技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)合橋位地形地貌提出了非對稱側(cè)壓力狀態(tài)下的鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)方案，并利用有限元軟件對這種鋼板樁圍堰在施工過程的受力特性進(jìn)行了計(jì)算分析，分析表明采用本文提出的鋼板樁圍堰方案的受力安全可靠。在此基礎(chǔ)上對萬福路京杭運(yùn)河大橋鋼板樁圍堰的施工工藝進(jìn)行了總結(jié)，形成了非對稱側(cè)壓力鋼板樁圍堰的成套施工工藝。相關(guān)研究成果可為同類型橋梁承臺圍堰的施工提供參考。

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