拉森钢板桩围堰设计与施工技术探讨
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摘要：结合苏州市横扇镇太河大桥进行深水基础施工时，采用拉森钢板桩围堰的施工方案，进行了钢板桩的受力分析，围堰封底混凝土抗浮受力分析，以及钢板桩施工时关键措施等的总结。
【关键词】太河大桥，深水基础，钢板桩围堰，设计与施工，工艺总结。
一、工程概况
本工程位于苏州市横扇镇太河中，太河宽约180m，水深约5m，大桥共有2只桥墩位于太河中间，采用拉森钢板桩，围堰桩长18m，使用4#桩，每个墩用136根4#拉森钢板桩，4根脚桩。围堰平面尺寸18*8m。
二、钢板桩围堰设计
（一）、设计参数选定
1、太河为四级航道，最高通航水位为+4.5m，目前施工水位为+3.1m，河床顶面高程为-1.57m，水流速度为1.15m/s；
2、粘土的内摩擦角φ24。，容重γ粘=19.7KN/m3，比重G粘=2.73，孔隙比e。=0.72，粘聚力C粘=20Kpa；砂质粉土的内摩擦角φ35。，容重γ粉=18.3KN/m3，比重G粉=2.70，孔隙比e。=0.95，粘聚力C粉=3Kpa；
3、围堰内设四道支撑，标高分别为+1.5m、-0.5m，-2.5m，-4.5m；
4、承台封混凝土厚度按1m计算，基坑开挖后混凝土缝底前基坑标高为-6.5m；
5、围堰采用18m长德国拉森Ⅳ型钢板桩。
（二）、钢板桩最小入土深度确定
计算模型简化如下图，采用主动土压力、被动土压力及水压力模式进行计算，同时偏安全假定为只有支撑1，因此对支撑1求距：
P4*（2h/3+8）=P1*4.67*2/3+P2*(3.07+2.4*2/3)+
P3*[5.47+(2.53+h)*2/3]①
粘土朗金土压力系数根据φ=24。，查表得m2粘=0.422，1/m2粘=2.371，粉土朗金土压力系数根据φ=35。，查表得m2粉=0.271，1/m2粉=3.69，
P1=0.5*γw*4.672=109.04KN/m
P2=γw*4.67*2.4+0.5*m2粘*γ粘*2.42
=136.02 KN/m
P3=(γw*4.67+γ粘*2.4)*(2.53+h)+
0.5*m2粉*γ浮*(2.53+h)2
P4=0.5*γ粉* h 2/m2粉=33.76 h 2
将P1、P2、P3、P4代入公式①计算
得h=5m，钢板桩总长度为5.0+6.5+5.0=16.5m，因此选用单根长为18m的钢板桩能满足施工要求。
（三）、基坑底涌砂验算
基坑开挖后，基坑内排水，围堰内外形成水差，为检验钢板桩入土深度是否能满足围堰内不发生管涌现象，则必须满足以下条件：
KS*i*ρw≤ρb②
式中：KS―安全系数；
i―水力梯度，i=H/(H+2h1)；
ρw、ρb―水的容重及土的浮容重，g/cm3。
H=9.6m，h=4.43m，h1=6.5m，代入②计算得: KS=ρb/ i*ρw
=8.3*(9.1+2*6.5)/(9.6*10)=1.91>1.5
因此钢板桩入土深度满足要求，不会发生管涌现象。
（四）、钢板桩受力计算（按受力工况进行分析计算）
1、围堰内抽水到第一道支撑位置，支撑尚未安装时受力分析
围堰内水位抽到+1.0m，取1m板宽计算，此时钢板桩受力为：动水压力，静水压力。
（1）、动水压力计算：
P动=0.5KHV2Bρ/g
H：水深，m；
V：水流速度，采用平均流速，m/s；
g：重力加速度；
B：板桩宽度（取1m）；
ρ：水的密度，g/cm2；
K：系数，槽形钢板桩围堰K=18~20；
P动=0.5KHV2Bρ/g=0.5×19×4.07×1.152×1×10/10=51.1KN
（2）、静水压力：P静=γw×h
σ=M/W=269.07×103/(2037×10-6)=132.1Mpa
因此当围堰内水位抽至+1.0m时，安装第一道支撑，钢板桩能够满足受力要求。
2、第一道支撑安装结束，围堰内抽水到第二道支撑位置，支撑尚未安装时受力分析。
经计算该工况条件下，钢板桩所受最大弯距Mmax=38.54KN.m，支撑反力F1=98.3 KN。
σ=M/W=38.54×103/(2037×10-6)
=18.9Mpa
因此当围堰内水位抽至-1.0m时，安装第二道支撑，钢板桩能够满足受力要求。
3、第二道支撑安装结束，围堰内抽水、除土到第三道支撑位置，支撑尚未安装时受力分析。
经计算该工况条件下，钢板桩所受最大弯距Mmax=34.6 KN.M，支撑反力F1=65.95KN，支撑反力F2=125.56KN，
σ=M/W=34.6×103/(2037×10-6)
=17Mpa
因此当围堰内水位除土至-3.0m时，安装第三道支撑，钢板桩能够满足受力要求。
4、第三道支撑安装结束，围堰内抽水、除土到第四道支撑位置，支撑尚未安装时受力分析。
经计算该工况条件下，钢板桩所受最大弯距Mmax=40.21KN.M，支撑反力F1=73.4KN，支撑反力F2=78.7KN，支撑反力F3=180.1KN，
σ=M/W=40.21×103/(2037×10-6)
=19.7Mpa
因此当围堰内除土至-6.0m，封底混凝土未浇筑时，钢板桩能够满足受力要求。
5、第四道支撑安装结束，围堰内抽水、除土到基坑底标高，且封底混凝土尚未浇筑时受力分析。
按大沙基和泼克的土力学试验模型，此时的多支撑板桩墙受力情况不同，现按大沙基和泼克试验模型进行受力计算。
取比较保守的计算模型，最大土压力Pa=γw*h+0.8rHKaCOSδ。按墙后为砂性土的计算是比较保守的，现将砂性土的计算过程如下：
r=19.4KN/m3、h=4.67m，、H=4.43m，COSδ=COS(φ/2)=0.954
Ka为库仑主动土压力系数，查表计算得Ka=0.246，
则Pa=4.67×10+0.8×19.40×4.43×0.246×0.954=62.84KN/m，
P动=51.1/4.07=12.56 KN/m，
经计算该工况条件下，钢板桩所受最大弯距Mmax=25.09KN.M，
支撑反力F1=71.89KN，支撑反力F2=91.87KN，
支撑反力F3=152. 71KN，支撑反力F4=143. 89KN
σ=M/W=25.09×103/(2037×10-6)
=12.3Mpa
因此当围堰内除土至-6.0m，封底混凝土未浇筑时，钢板桩能够满足受力要求。
6、封底混凝土浇筑后，抽水拆除第四道支撑，钢板桩受力分析。
经计算该工况条件下，钢板桩所受最大弯距Mmax=59.83KN.M，支撑反力F1=74.53KN，支撑反力F2=67.79KN，支撑反力F3=213.19KN，
σ=M/W=59.83×103/(2037×10-6)
=29.4Mpa
因此当封底混凝土浇筑后，抽水拆除第四道支撑，钢板桩能够满足受力要求。
（五）、支撑受力计算
支撑在不同工况下受力统计(单位：KN/m)
（1）、第一道支撑受力计算
第一道支撑根据不同工况受力情况取极大值为q1=98.3KN/m，第一道支撑采用双拼36#b工字钢作为围囹，围囹受力计算可参照第二道支撑。
（2）、第二道支撑受力计算
第二道支撑根据不同工况受力情况取极大值为q2=125.56KN/m，以长边作为计算对象，第二道支撑采用双拼36#b型工字钢作为围囹。
围囹受力图（短边）
经计算短边围囹最大弯距Mmax=153.86KN.m，
最大剪力Qmax=268.75KN
支点反力：FA=183.27 KN，FB=482.20 KN，
FC=482.20KN，FD=183.27 KN
围囹受力图（长边）
由于斜撑角度为45度，因此FF = FH = FB =482.20 KN，
经计算长边围囹最大弯距Mmax=174.22KN.m，
最大剪力Qmax=245.03KN
支点反力：FA=169.32KN，FE=457.35 KN，
FG=280.92KN，FI=457.35KN，FJ=169.32KN，
分别取最大值进行验算：
σmax=Mmax/2W=174.22/（2×919）
=94.8 Mpa
τmax=QmaxSx/Ixd=268.75/（2×30.3×12×10-5）
=37Mpa
斜撑验算：①③采用Φ60cm壁厚8mm的钢管桩，②采用双拼I36工字钢，④采用双拼I25工字钢，水平支撑节点连接采用焊接。
支撑②轴向压应力σ= FE /A=27.4Mpa
压杆稳定性验算：iy=（I/A）0.5=73.9mm，λ=uL/ i=44.7
根据柔度λ=44.7，查表得ψ=0.873，
σ=N/(ψA)=31.4Mpa
①③④斜撑验算参照第三道支撑。
（3）、第三道支撑围囹受力计算
第三道支撑根据不同工况受力情况取极大值为q3=213.19KN/m，以长边作为计算对象，第三道支撑采用双拼50#工字钢作为围囹。
经计算短边围囹最大弯距Mmax=261.25KN.m，
最大剪力Qmax=456.31KN
支点反力：FA=311.17 KN，FB=818.73 KN，
FC=818.73 KN，FD=311.17KN
经计算长边围囹最大弯距Mmax=259.81KN.m，
最大剪力Qmax=416.04KN
支点反力：FA=287.49KN，FE=776.54KN，
FG=476.98KN，FI=776.54KN，FJ=287.49KN，
分别取最大值进行验算：
σmax=Mmax/2W=259.81/（2×1860）
=69.8Mpa
最大剪力Qmax=456.31KN
τmax=QmaxSx/Ixd=456.31/（2×42.8×12×10-5）
=44.4Mpa
斜撑验算：①③采用Φ60cm壁厚8mm的钢管桩，②采用双拼I50工字钢，④采用双拼I25工字钢，水平支撑节点连接采用焊接。Φ60cm壁厚8mm的钢管桩惯性距I=π(R4-r4)/4=65159cm4，截面面积A1=14871 mm2。
支撑①轴向压应力σ= FB /A1=55.1Mpa
压杆稳定性验算：i=（I/A1）0.5=209mm，λ=uL1/ i=15.8
根据柔度λ=15.8，查表得ψ=0.979，
σ=N/(ψA1)=56.3Mpa
支撑②轴向压应力
σ=（FE + FB）/A2=67Mpa
压杆稳定性验算：
i=（I/A）0.5=84.7mm，λ=uL2/ i=40.1
根据柔度λ=40.1，查表得ψ=0.899，
σ=N/(ψA)=74.5Mpa
支撑③轴向压应力σ=√2FB /A1=77.8Mpa
压杆稳定性验算：i=（I/A1）0.5=209mm，λ=uL1/ i=24.3
根据柔度λ=24.3，查表得ψ=0.955，
σ=N/(ψA1)=81.5Mpa
支撑④轴向压应力σ=FG /A4=44.6Mpa
（六）、抗浮稳定性验算
1、整体抗浮验算
基坑封底后，地下水将对其产生上浮力，将由围堰自重、钢板桩与周围土的摩阻力、封底混凝土与灌注桩摩阻力和封底混凝土的重量来平衡，取封底混凝土厚度为1m，按下式验算抗浮稳定性：
K=Pk/Pf=(G+18*τ2DH+τ1Lh)/ Pf>1.05
=（5049+81388+10458）/20250=4.78>1.05
因此整体抗浮稳定性满足要求。
2、封底混凝土强度验算
封底混凝土在浮力的作用下的内力，可以简化为桩间的简支单向板计算。封底混凝土顶层因静水压力作用产生的弯曲拉应力为：
f=qL2/8w= L2×（γw*H-γC*h）/（8*h2/6）
=1.92×(10×9.6-24×1)/(8×12/6)
=195Kpa
三、钢板桩围堰的施工方法
施工流程：施工前准备――打设钢板桩――钢板桩施工结束――开挖至要求标高后――按装围檩和钢支撑――分层开挖至坑底――,浇筑地下结构――待其强度达到设计强度80%后拆除支撑
本工程施打时采用50吨履带吊挂90吨振动锤施工，吊机停在钢便桥的刚平台上作业。
（一）、导桩导梁：
导向钢围檩设置：围堰四边水域采用[30槽钢作为导桩，它是刚性好、位置正的导向装置。在钢板桩施工期间，能有效地沿着设计轴线向前逐渐推进，确保工程质量。每次围檩设置长度视材料而定。围檩宽比桩组合宽度略宽10―15mm。导桩顶标高可略低于钢板桩顶高，临时支撑焊接在导桩翼缘，以架立导梁，在临时支撑上测量放出围堰四边线的轴线，导梁架立放在导桩内侧，与导桩背靠背焊接，对称于轴线净距为0.34m,顶标高基本与导桩平。
（二）、小止口拉森钢板桩施工
测量放样：根据施工图纸准确防出钢板桩中心线，并将经检查复核后，方可施工。钢板桩采用小止口连接。吊升钢板桩后，对准止口向下插桩，采用履带吊振动锤慢慢插入，如有歪斜，必要时立即拔升，重新插准。对每排第一根桩应严格控制。确保桩的垂直度，以保证后续桩的顺利施工。
施工时从外往里面施工。最后封口时，围置选择在靠近河岸一侧。
吊机的扒杆长度为25m，吊机大钩与震动锤的连接采用22mm的钢丝绳不少于8道。
打桩作业前根据围堰平面位置布桩，先安装夹具，夹具内径为360mm，夹具高度控制在桩顶标高往下700mm处。
打桩作业时外侧第一排桩从中间往两边对称施工，以防止桩身倾斜。第一根施打时。从两个方向挂线锤严格控制桩垂直度，确保桩身垂直。
最后合拢时，严格控制尺寸确保封口桩两边的桩垂直方向一致。封口桩在施工制作时把桩从中间割开。背面焊2.5mm厚钢板，使其能伸缩，确保封口桩一次合拢。
在完成封口后，在水面往上500mm处焊接第一道支撑。然后用水泵在围堰内往外抽水，逐渐降低水位，钢板桩渗水处，采取人工用棉絮封堵。在水位降底到第二道支撑下500mm处，立即进行第二道支撑的施工。用同样的方法进行第二道支撑施工。
四、工程进度
每个墩打桩时间为12天，支撑每道为3天，拆除支撑每道为1.5天,拔桩时间为9天.总工期每个墩施工时间为1个月.
综合来看拉森钢板桩围堰具有施工速度快,安全、稳定,影响河道范围小的特点。能够确保深水基础施工的安全和质量。
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