超深钢板桩围堰在桥梁施工的应用

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摘要：本文通过横潦泾特大桥121#墩超深钢板桩围堰施工，探讨超深钢板桩围堰施工的可行性。

一、概述

水中桥梁承台施工的主要采用以下几种施工方法：吊箱钢围堰、钢板桩钢围堰、单壁钢围堰、双壁钢围堰。按照桥涵施工手册及以往经验，通常吊箱钢围堰、单壁钢围堰一般适用于不超过8m的内外水头差，钢板桩围堰则适用于水头差一般不超过10m，超过10m后一般采用双壁钢围堰。随着建筑结构用材强度的提高，计算软件和应力监控等先进科技手段的不断采用，钢板桩围堰使用范围有所扩大，本文以沪杭客运专线跨横潦泾连续梁桥的121#墩钢板桩围堰为例，探索钢板桩围堰在超大水头差时的应用，以促进更广泛地推广应用钢板桩围堰。

二、超深钢板桩围堰应用实例

1、跨横潦泾连续梁桥121#墩结构概况

沪杭客运专线 2 标横潦泾特大桥，在黄浦江上游的横潦泾河处采用4 跨连续梁方式跨越， 大桥121#墩为水中墩，位于河道中央，墩基承台为埋入式，底标高-15.254m，平面尺寸19.75m×19.75m，厚度4.5m；承台上设墩座，平面尺寸14.0m×14.0m，厚度2.5m，桥墩为7m 直径圆形墩，墩高21.5m。

2、水文情况

横潦泾是黄浦江支流，为感潮河道，09 年6～7 月间的实测水位-0.1～+2.2m，计算高潮位+2.5m，计算流速1.5m/s。

3、地质情况

本工程位于冲积湖平原区，上部为第四系全新统黏性土及粉土、粉砂层，厚约20～50m，其下为上更新统粘性土及粉细砂层；桥位内的褶曲、断裂等构造均隐伏于深厚层第四系地层以下的基岩内，对工程无重大影响，无不良地质作用。 121#墩位处河床实测标高-11.8~ -12.2m 左右。

3、钢板桩围堰方案

①围堰方案的选定

根据实际测量水位，施工水位按+1.5考虑，承台底面标高为-15.25m，围堰内外水位高差16.75m，普通钢板桩围堰承受水位高差一般小于10m，此类深水承台基础通常采用双壁钢围堰法施工。由于工期过紧，采用普通双壁钢围堰施工周期长，难以满足工期要求，而钢板桩围堰施工速度快，可与钻孔桩同步施工，大大节省工序时间。方案中应采用加强支护、应力监控等措施，以保证施工安全并缩短工期。

钢板桩围堰为方形，平面尺寸 24.0×24.0m，高27m，顶标高+3.5m，入土11.4m，设5 道内支撑，封底厚度1.5m。

钢板桩采用拉森Ⅵ型，内支撑圈梁采用H560 及H800 型钢梁，斜撑采用Φ800mm、Φ630mm 钢管。

围堰用钢板桩为日本产 SKSP-SX27 型，即拉森Ⅵ型高强度钢板桩，单根宽度60cm。钢板桩插打设备为美国ICE 公司的28C-350E 液压振动锤，锤宽30cm，设备自带动力，由振动锤和动力站两大部分组成，最大可提供116t 的击震力和71t 的拔桩拉力。

②施工步骤

钢板桩围堰的施工步骤如下：

⑴ 钻孔桩施工过程中，在靠近承台侧定位桩上＋2.0 米标高处焊接牛腿，安装第一道支撑作为钢板桩插打时的导向；

⑵ 依次插打围堰的3 个侧面钢板桩；钻孔桩完成后拆除平台，插打余下1 个侧面的板桩并合龙；

⑶ 向围堰内回填6m 厚细砂至-6.1m，抽水至-2m，安装第二道内支撑；

⑷ 继续抽水至－5m，安装第三道内支撑；

⑸ 继续抽水、挖泥至-8m，安装第四道内支撑；

⑹ 继续抽水、挖泥至-10.5m，安装第五道内支撑；

⑺ 向围堰内注水至外水位，水下吸泥、清基至-16.8m；

⑻ 布置封底平台，水下浇筑1.5m 厚封底砼；

⑼ 待封底砼达到强度后，抽水，施工承台、墩座；

⑽ 承台施工时，将第五道内支撑中斜撑钢管一并浇注在内，待承台模板拆除后，向钢板桩与承台间内回填砂土混合物并在顶部浇注50cm 厚C30 砼圈梁，拆除第五道内支撑，浇注在承台内的钢管注浆填实；

⑾ 施工墩身、墩帽，布置墩顶托架；

⑿ 向围堰内回填砂土至-7.8m，拆除第四道内支撑；

⒀ 继续向围堰内填筑砂土至-4.8m，拆除第三道内支撑；

⒁ 向围堰内注水至-1.8m，拆除第二道内支撑；

⒂ 继续向围堰内注水至围堰外水位，拆除第一道内支撑；

⒃ 依次拔出钢板桩。

③受力工况分析及检算结果

为保证超深水深环境下的钢板桩围堰的结构安全，由专业设计人员对钢板桩围堰进行设计，并通过Midas、Sap2000、桥梁博士等专业软件对结构进行严谨的受力分析及检算，并针对结构特点、施工过程制定了相关应力和变形监控措施，对围堰设计理论进行验证。

⑴ 围堰结构的受力工况

根据钢板桩围堰施工步骤，将钢板桩、内支撑受力情况按如下工况计算：

工况一：围堰第一道支撑加好后，抽水到-2.0m 标高安装第二道支撑前；

工况二：围堰第二道支撑加好后，抽水到-5.0m 标高安装第三道支撑前；

工况三：围堰第三道支撑加好后，抽水到-8.0m 标高安装第四道支撑前；

工况四：围堰第四道支撑加好后，吸泥、抽水到-10.5m 安装第五道支撑前；

工况五：围堰第五道支撑加好后，围堰内注水至外水位，水下吸泥、清淤到-16.8m；

工况六：围堰封底砼达到强度后，抽光围堰内水、施工承台。

⑵受力检算结果

①通过计算，水封砼方案中封底砼厚度、围堰整体抗浮、钢板桩入土深度、基坑底土抗隆起验算均能够满足规范要求；

②水封砼方案中钢板桩最大组合应力为196.9MPa，钢板桩材质为Q295，其容许应力满足要求；

③ 钢板桩围堰共五道圈梁，在最不利工况即工况六(围堰内抽光水)时，第五道圈梁2HN800×300 型钢应力为195.2MPa，经补强后内支撑钢管受力均能满足要求；

④钢板桩插打完成后，在钢板桩上焊接支撑牛腿，圈梁及内支撑自重由钢板桩上的支撑牛腿承受，须保证第一道圈梁与钢板桩之间联结牢固，以防止向围堰内填筑细砂时，钢板桩围堰顶部变形过大。

④围堰受力监控

⑴测点布置

为达到检测目的，在钢板桩布置36个测点、内支撑上布置40个测点，能反映钢板桩全长的应力分布，能反映内支撑圈梁、斜撑的应力分布情况。

在平面布置上，钢板桩上的拉应力测点布置于远离圈梁的外侧钢板桩上，并布置于近圈梁侧；压应力测点布置于近圈梁侧的钢板桩上，并布置于近土侧，如下图所示：

在立面布置上，钢板桩上的测点顺长度方向布置于第1~5 支撑处及支撑跨中部位，以及封底面处。

⑵ 内支撑上的测点布置

选第2~5 道内支撑布置测点，测点的平面布置如图所示，在圈梁的跨中、1/5 处及斜撑的跨中布置，内支撑共布置测点40 个。

⑶应变元件选用

应力测试的应变计拟采用 JMZX-206 智能弦式数码应变计，该应变计由原装美国进口钢弦应变片与金码智能数码感应探头组成适应长期监测和自动化测量。

④围堰主要施工控制要点

⑴钢板桩插打及合龙

第一片钢板桩是钢板桩插打的关键，位置选择在上游中心处，为了确保每一片钢板桩插打准确，插打前在导向架上设置限位装置，大小比钢板桩每边放大1cm，以确保钢板桩插正、插直；通过检测确定第一片钢板桩插打合格后，以其为基准，再向两边对称插打钢板桩到设计位置，最后在一侧的中间合龙。插打过程中，遵守“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的施工要点。

根据施工布置及工期，在最后插打的1 侧围堰中段设置一个合龙口，板桩根数约为3~5 根。距合龙口还剩几根钢板桩时立即下异形钢板桩，将桩的轴向倾斜度纠正为负数，然后再插打桩至合龙处，使其轴向及法向倾斜度均控制在0.2%以内。

⑵围堰内支撑布置

内支撑圈梁与斜撑的制作长度依据现场的吊装条件来决定，在吊装条件许可的情况下，尽量减少现场对接接头，圈梁接头避免处于弯矩较大的位置。考虑到施工现场作业环境较为恶劣，焊缝质量难以得到可靠的保证，现场所有重要的对接接头均加装菱形加强板。

内支撑采用分块拼装的方法安装，吊装作业由浮吊及履带吊机完成。安装时斜撑与圈梁、圈梁与钢板桩焊接，以减少钢板桩变形量。

钢板桩内支撑圈梁与钢板桩之间会产生空隙，在圈梁与钢板桩之间塞入槽钢塞填并焊牢， 并根据受力情况不同，在不同的位置应使用大小不一的槽钢，将槽钢与钢板桩、圈梁以及斜撑头焊成整体，避免了圈梁相对于钢板桩之间的上下、左右滑动及倾翻。

⑶围堰拆除

在钢板桩围堰的施工中，内支撑拆除过程中的险情要比安装时多。为了安全，拆除支撑时严格按照从下至上逐步释放内应力的原则，对内支撑体系进行拆除。为避免下一层钢支撑拆除对上一层造成大的冲击震动，避免下一层钢支撑大范围内的同时拆除。

三、结论

横潦泾特大桥 121#墩超深水深钢板桩围堰施工获得成功，与严谨周密的结构计算、精细合理的施工组织与施工作业控制、全方位的应力应变监控等有力措施分不开的。该施工方案的成功，突破了钢板桩围堰不适合水头大于10m的局限，为钢板桩围堰在超深水深环境下的工作范围进行了有益地探索，值得类似工程借鉴。