水中墩钢板桩围堰施工技术

【摘要】文章通过具体的施工实例，较详细地介绍了醴陵特大桥50#墩水中墩钢板桩围堰施工技术，通过分析和计算，确保支护结构的稳定性，并满足施工需要。

【关键词】 水中墩钢板桩围堰受力分析

中图分类号：TU74 文献标识码： A

1.工程概况

沪昆客专杭长湖南段HCTJ-I标醴陵特大桥全长6056.82m，主要跨越萍水、上瑞高速、澄潭江、澄潭江支流及多处乡村公路。特殊孔跨设计有：采用1-(48+80+80+48)m连续梁跨越萍水河，2-(60+100+60)m连续梁分别跨越上瑞高速公路和澄潭江，1-(40+72+40)m连续梁跨越澄潭江支流。

2.施工方案

醴陵特大桥50#墩位于萍水河中，地质情况自上而下依次为粗圆砾土、强风化砂砾岩、弱风化砂砾岩等。通过方案论证比较，50#墩采用长9m、宽0.4m、厚15.5mm的拉森Ⅳ型钢板桩，W=2037cm3，考虑每侧预留约1～1.5m的承台施工操作空间，最终确定钢板桩围堰平面尺寸为14*18.8m。

围堰开挖时通过受力分析，须加设三道内支撑,第一层围囹采用2I32工字钢，第二和第三道均采用3I32a工字钢，水平支撑和斜撑采用2I32工字钢。同时由于河床覆盖层土质松软,多为砂卵砾石，直接开挖将出现涌砂，需进行水下C25砼封底。

3.钢板桩围堰施工流程

测量放线设置导向架清理钢板桩插打钢板桩至合拢吸泥水下砼封底设置内支撑抽水堵漏承台和墩身施工拆除内支撑拔除钢板桩。

4.钢板桩围堰受力计算

4.1封底砼厚度检算

矩形围堰封底，与各桩基连成一个整体，封底砼视作简支梁，承受均布荷载时，则封底砼承受的最大弯矩Mmax按下式计算：

Mmax＝1/8×q×l2

式中q－静水压力形成的荷载（ｋN/ｍ2）；

l1－简支梁的计算跨度（ｍ）(按最大跨l1)

所需简支梁的截面矩w为：W＝Mmax/ fct

式中fct为砼抗拉强度设计值（N·ｍｍ2）

根据求得的截面矩W按下式计算封底砼的厚度：

式中ｈ－封底砼厚度（ｍｍ）；

K－安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.0；

Mmax－板的最大弯矩（N·ｍｍ）；

ｂ－梁宽，单位长度取1000ｍｍ；

fct－砼抗拉强度设计值（N·ｍｍ2）。C25取1.9MPa。

50#墩：

横桥向桩间距l1=4.3ｍ,纵桥向l2=2.3ｍ,fct=1.9N·ｍｍ2，H水深＝5.29ｍ。

q =ρgh=1000kg/m3×10N/kg×5.29m=52.9kN/ｍ2；

Mmax =1/8×52.9kN/ｍ2×(2.3 2+4.3 2)2×1ｍ=157.3 kN·ｍ

W =157.3 kN·ｍ÷（1.9×103 ）kN/ｍ 2＝0.083m3

h =5.29×0.083m3×2.0÷1ｍ=0.45ｍ

4.2 围堰的抗浮稳定性计算

围堰封底后，整个围堰受到被排水的向上浮力作用，应验算其抗浮系数K。

按围堰外没有沉积土，不计抗浮的外壁与侧面土反摩擦力的作用，即按最不利的情况验算：

K＝G/F＞1

式中G－钢板桩重量（含内支撑）＋封底砼自重＋桩基砼总重量之和（KN）；

F－河水向上的浮力（KN）。

50#墩围堰钢板桩自重154片×9ｍ/片×0.75 KN/ｍ＝1039.5 KN；内支撑：300 KN；封底砼自重18.8ｍ×14ｍ×0.45ｍ×24 KN/ｍ3＝2842.5KN；φ1.8m桩基砼(设计方量为1135m3)， 总重：1135×24 KN/ｍ3=27240KN；

由此可得围堰自重G＝31422KN；

河水向上的浮F＝ρgV排＝1000kg/m3×10N/kg×1392.3m3=13923kN。

K＝G/F＝（31422/13923=2.25＞1.0

满足抗浮条件。（偏于安全考虑，未考虑有上浮趋势时土体对围堰的向下摩阻力和钢板桩自重的作用于封底混凝土的抗浮力及钻孔桩提供的侧摩阻力）

4.3围堰整体稳定性

钢板桩总长为9米，围堰外入河床8米，围堰内入河床为1.5米（承台底至桩底端距离），现选择采取水下砼封底，故板桩下端在围堰抽水吸泥开挖过程中不会向围堰内位移弯曲（受封底砼支撑作用）。钢板桩围堰的整体稳定性仅表现在围堰动水压力作用下的抗倾覆能力。该动水压力与钢板桩入土深度范围所受的土压力相平衡。因钢板桩围堰内底部嵌入地基中为1.5米，且地质为砂砾层，较密实，在动水压力作用下所能承受的土压力比动水压力大很多，此处可不必验算，其整体稳定性能得到很好的保证。

4.4支撑系统计算

基坑支撑与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合本基坑工程的特点，共分三层支撑。基坑支撑的顺序如下：加入第一层导梁（围囹）进行第一层支撑抽水至第二层支撑处加入第二层导梁进行第二层支撑抽水至基坑底（封底砼顶面）加入第三层导梁进行第三层支撑支撑结构的内力计算。

在支撑结构的土压力、支撑力和钢板桩的插入深度确定后，即可根据静力平衡条件确定任意截面上的支撑结构所受的弯矩。

50#墩共设置三道内支撑，第二、三层围囹均为3I32工字钢，顶层围囹为2I32工字钢，水平支撑及斜撑采用2I32工字钢,其受力工况分析如下图：

上图中的各工况可按多跨连续梁，用力矩分配法计算出各支点的支反力及各点各跨中的弯矩并找出最大弯矩以验算钢板桩的截面。支反力即为作用于横向支撑上的荷截，进而验算支撑的强度和刚度。

①第一层受力：根据第一层支撑受力图，即围堰抽水至第二道支撑下50cm时为最不利状态，第一层支撑受力最大，求得：F1=104.7KN，F1砼=240.1KN，M1max=322.6KN.M (取1m宽钢板桩计算侧面受力所得数据，假定钢板桩底部嵌固于承台底封底砼顶标高以下0.5米处，且封底砼达到90%以上强度，受力按简支连续梁进行计算)；

②第二层受力：根据第二层支撑受力图，即围堰抽水至第三道支撑下50cm时为最不利状态，第二层支撑受力最大，求得：F1=-50.9KN，F2=267.1 KN， F2砼=205.3KN，M2max=250.3KN.M；

③第三层受力：根据第三层支撑受力图，即围堰抽水至第四道支撑即封底砼顶面时为最不利状态，第三层支撑受力最大， 求得：F1=4.9KN，F2=88.6KN，F3=228.6KN ，F3砼=88.6KN，M3max=53.2KN.M；

比较以上计算结果，可知：

F1max=104.7KN，

F2max=267.1KN,

F3max=228.6KN；

F砼max=240.1KN=F1砼；

Mmax= M1max=322.6KN.M。则：

钢板桩抗弯最大拉应力σ=Mmax/W=322.6×103/2037=158.4MPa＜180MPa（容许应力），满足要求。

第二、三层支撑材料形式基本一致，第一层受力小，显然能够满足要求；只需验算第二和第三层受力即可。

第二层支撑受力检算：

弯矩检算：围堰围囹3I32a工字钢最大弯矩 (围堰轴线对称，受力两边对称，此向受力大)：

围堰一边方向最大弯矩（自由长度按4.65米计算）Mmax=523.4KN.M，σ=Mmax/W=523.4/3/875×103=199.4MPa﹤215MPa，满足受力要求。

轴向受力检算（围堰轴线对称）：

第二道支撑最大支撑反力计算结果为：围堰一边方向斜支撑最大受力R3max=859.9KN，而2I36a工字钢斜支撑允许受力为[R]=215×152.6 /1.4×102/103=2343.5KN，考虑纵向挠曲，系数取ξ=1.5，此时其允许承载力为2343/1.5=1562KN＞859.9KN，安全系数为1.8，满足受力要求。

第三层支撑受力检算：

弯矩检算：围堰围囹3I32a工字钢最大弯矩 (围堰轴线对称，受力四边一样)：

围堰一边方向（自由长度按6.16米计算）M1max=447.7KN.M ，

σmax=M1max/W=447.7/3/875×103=170.6MPa﹤215MPa，满足受力要求。

轴向受力检算（围堰轴线对称，受力四边一样）：

第三道支撑最大支撑反力计算结果为：围堰一边方向支撑最大受力R1max=1553.9KN（中间顶撑）， R2max=1093.4KN（斜撑），而2I36a工字钢顶撑允许受力为[R]=215×152.6×102/103=3280.9KN，考虑纵向挠曲，系数取ξ=1.5，此时其允许承载力为3280.9/1.5=2187.3KN＞1553.9KN=R1max，安全系数为1.41，满足受力要求。

另2I32a工字钢斜支撑允许受力为[R]，=215×152.6/1.4×102/103=2343.5KN，考虑纵向挠曲，系数取ξ=1.5，此时其允许承载力为2343.5/1.5=1562.3KN＞1093.4KN=R2max，安全系数为1.43，满足受力要求。

5.拔除钢板桩

围堰内承台和墩身混凝土强度达到一定强度后，清除围堰内残留物，才能进行拔桩。在拔桩前应向围堰内抽水达到一定水位时，由下往上拆除内支撑，直到围堰内支撑全部拆除完，围堰内外水位相同，方可进行拔桩。拔桩时，可以借助千斤顶松动钢板桩，减少钢板桩与土、钢板桩之间的摩擦力，然后由履带吊吊起。

6. 结束语

醴陵特大桥是沪昆客运专线的一座特大型桥梁，水中大体积承台施工难度大，本文介绍水中墩钢板桩围堰施工的关键技术，施工操作简单，缩短了工期，并取得了良好的挡护和止水效果，希望对类似桥型的施工起到借鉴作用。