西江大桥主桥承台钢板桩围堰设计与施工
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摘要：封开西江大桥是广梧高速公路封开连接线上一座横跨西江的特大型桥梁，水中大体积承台施工难度大，本文介绍承台钢板桩围堰施工关键技术，希望对类似桥型的施工起到借鉴作用。
关键词：承台；钢板桩围堰；支撑；施工计算
1. 工程概况
封开西江大桥是广梧高速公路封开连接线上一座横跨西江的特大型桥梁，桥长1398m，主桥为（146＋256＋146）m连续刚构。主桥为水中墩，桩基为28条φ2.5m嵌岩桩。承台顶面高程+3.07m，底面标高-1.93m，承台高500cm，横向×纵向为4235cm×1980cm。承台平面形状为矩形，上下游两侧边为椭圆。最高水位+3.07m，最低水位-0.85m。河床面高程为-6.48m，承台底面距河床面约4.55m。
某江支流河口潮汐性质属于不正规半日混合潮，涨潮和落潮历时不等，平均低潮差为－0.96～－0.80m，平均高潮差为0.4～0.72m，最高风暴潮位3.4m。
2. 方案选定
根据此桥的水文地质特点和我单位多年进行水中施工的经验，对比钢套箱围堰施工等方案比较，采用钢板桩围堰施工方案具有工期短、工序简明、成本低、安全、容易确保施工质量等优点。
3. 钢板桩围堰设计
钢板桩围堰示意图如下：
钢板桩围堰由钢板桩和内撑组成，内撑系统由型钢组成。下内撑圈梁作为钢板桩打设的导梁，为矩形框，圈梁之间用型钢作为撑杆，增加框架的稳定性。钢板桩打设完成后，导梁由焊接在钢板桩上的牛腿支撑成为下内撑。
钢板桩型号为16m拉森Ⅲ型，截面为槽型，钢板桩连接为套型锁口。
内撑系统采用型钢制作组成的框架结构，总共设置2层，下内撑圈梁由双拼I45b工字钢组成，上内撑圈梁由双拼I36b工字钢组成，组成矩形形式，纵、横向撑杆由2I36b和2I45b工字钢组成，撑杆左右设置φ325mm螺旋管斜撑。
4. 钢板桩围堰受力计算
4.1 计算参数
每米宽钢板桩：W=1363cm3自重=62kg;粘土的物理性质：φ=17.50 γ=18Kn/m3 ;砂的物理性质：φ=300γ=19Kn/m3 ; A3钢 ： [σW]=145MPa [τ]=85MpaC30砼： Ra=17.5MPaRl=1.75MPa
4.2 计算工况
有限元计算模型：
4.2.1 工况1为围堰安装与填砂完成，抽水后浇筑封底混凝土前，荷载为围堰外水压力。支承条件可假定为在回填砂表面以下1.5m处，即标高为-3.93m固结。钢板桩的计算宽度取1m，每米宽钢板桩的水压力为：pw=γwh=10×9.55＝95.5KN/m 动水压力可假定为作用在水面下1/3水深处的集中水平力，每米宽钢板桩所受的动水压力为： =9.7KN
P－每延米钢板桩上动水压力总值；
H－水深；
v－水流速度，这里取1m/s；
B－钢板桩宽度，这里为1m；
D－水密度；K－系数，钢板桩围堰取2.0
钢板桩整体最大变形约1.2cm
下内撑中间一条内撑杆受到最大的轴向压力为1247KN，圈梁承受最大弯矩为222.6KN•m。可见，最大压应力发生在斜撑处为-68.5MPa，圈梁最大弯曲应力为74.6MPa，均小于许用应力[σw]=145MPa。因此认为下内撑的强度满足要求。
上内撑中间撑杆受到最大压力为374.6KN，结构自重对中间撑杆产生的弯矩较大，为86.3KN•m，圈梁的最大弯矩为78.6KN•m。最大轴向压应力发生在斜撑杆处，为-34.8MPa，最大弯矩在中间撑杆，为46.9MPa，均小于许用应力[σw]=145MPa。因此认为上内撑的强度满足要求。
结构的整体变形情况：上内撑的中间撑杆在垂直方向挠度较大，达5.86cm，略大于L/400=2115/400=5.29cm，在实际施工中为减小自重对撑杆的影响，应使用槽钢或其它材料在撑杆中点处临时支撑。
结构的稳定性计算：由于下内撑撑杆受轴向压力较大，结构的一阶失稳主要发生在此处。临界荷载系数为3.047，结构的稳定性满足要求。
4.2.2 工况2为浇筑完封底砼，拆除了下内撑时。荷载为围堰外水压力。
钢板桩的计算宽度取1m。支承条件和荷载情况与工况1相同。
由于封底混凝土整体刚度较大，钢板桩的变形为0.63cm，应力为70.8MPa,都比工况1要小,也都发生在短边中点两侧。
计算分析知强度、整体变形、稳定性均满足要求。
5.钢板桩围堰施工工艺
5.1 工艺流程
清除桩头包装承重架拼装下内撑 打设钢板桩 拼装上内撑下放下内撑回填砂，拆除承重架 浇筑封底，拆除下内撑
5.2 钢板桩围堰的施工方法
1）钢板桩的组拼
钢板桩的组拼目的是缩短现场锁口嵌缝长度，减少锁口漏水，增加钢板桩刚度，减少施工累计误差，有利于围堰合龙。将长度相同的每三块钢板桩套连成组，同时将在锁口中填入混合物；将组拼的钢板桩焊接固定，防止插打时产生移位，检查钢板桩两边锁口；设置钢板桩插拔吊点。
（2）在锁口缝中预先用棉絮嵌缝，嵌缝范围为封底混凝土层，嵌缝方法采用竹竿塞棉絮，防止封底混凝土进入锁口缝。
施工机械为1台水上浮吊，1套50t液压夹子振动锤及配套设备。
5.3 钢板桩插打
1）导向框拼装 完成全部前序准备工作后，先拼装导向圈梁即下内撑圈梁，导向圈梁的安装位置严格按施工图放样。
2）钢板桩插打
（1）安插钢板桩使用浮吊，吊钩吊住钢板桩头，使钢板桩成垂直状态。第一根桩插打时要从两个相互垂直的方向同时控制垂直度，紧贴导梁插入土中并施打到位。起吊第二根桩插入第一根桩的锁口中，重复起吊施打后面的钢板桩；
（2）插打一组钢板桩后用硬木将钢板桩于内导向框之间的间隙塞紧；在打设钢板桩困难时，防止锤击过猛，导致钢板桩下端弯卷，造成拔桩时困难；
（3）钢板桩插打时随时纠正偏斜，当偏斜过大不能用拉挤方法调正时，应拔起重打。在合龙时由于板桩锁口不平行或尺寸不符合，可采取利用手拉葫芦将相邻板桩锁口调整，或在相邻两根桩间焊接异型钢板桩。
3）钢板桩施打顺序
在有潮水的河流中安插钢板桩，因为有两个流向的影响，为减少水流的阻力，可采取从上水端开始，向河岸和河中两侧插打，在下游端合龙。
钢板桩的插打质量要求：钢板桩倾斜度小于0.5％；插入的钢板桩必须紧靠内导向框，如不能靠近时，其间隙应小于2cm，并以硬木塞紧。
5.4 内撑系统施工
1）安装施工
拼装下内撑圈梁，用手拉葫芦挂在桩基钢护筒顶承重架上，圈梁拼装完成后，用型钢临时焊接固定在钢护筒上。标高控制在＋2.0左右。撑杆两端设置法兰板接头，安装时用作定位，待拼装完成后焊接。螺旋管斜撑φ325mm采用中间设置标准段，两端接头预先焊接。完成内撑整个系统的拼装，并作为钢板桩施打的导向框。
钢板桩插打完成形成围堰后，在钢板桩上焊接上内撑牛腿。
内撑安装顺序为：先安装圈梁，形成矩形框架，再安装撑杆，最后连接斜撑。2）内撑转换
下内撑应该在封底砼强度达到要求后拆除。拆除后支撑转化到封底混凝土上，即以封底混凝土作为下内撑。
5.5 内撑下放
内撑下放考虑围堰内不抽水下放。先将临时支撑的型钢割除，开始进行下放施工。当下放至设计标高-1.0m后，调平内撑，使内撑处于水平。
6. 结语
西江大桥承台钢板桩围堰施工实际效果表明，基底采用填砂和浇筑封底混凝土施工，大大提高了围堰整体刚度；施工过程极为顺利，经实测各单元的变形与计算结果相符。
本工程采用钢板桩围堰施工是成功的，可供同类型工程参考。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
陈国城 （广东省长大公路工程有限公司）