钢板桩围堰优化设计与施工技术

钢板桩围堰优化设计与施工技术

钢板桩围堰优化设计与施工技术

工程概况

大青沟特大桥是永城国道 343 项目关键控制性工程，桥梁全长 1201m，主桥为(47+80+47)m 预应力混凝土连续箱梁，桥墩采用薄壁空心墩。主墩承台结构尺寸 25. 1m ×10. 6m×3. 5m。

该桥主墩承台部分位于主河道内，承台位于新规划河床底部，河床地质为黏土层，根据水位标高筑捣施工平台，开挖深度约7m，根据现场实际情况及方案对比，优先采用拉森Ⅳ型钢板桩围堰施工。

方案比选及围堰构造

2. 1 方案比选

根据总工期要求，结合工程特点及环境因素并考虑材料利用，经与土袋围堰方案比选，钢板桩兼具安全可靠、重复利用、施工便捷、防水效果好等诸多优点，因此，基坑防护采用钢板桩围堰施工方案。

2. 2 围堰构造

承台基坑开挖时钢板桩围堰起到支护作用，防止土方坍塌、止水、防水作用，主要由 4 部分组成:钢板桩、腰梁、支撑体系、混凝土封底。钢板桩围堰结构如图 1 所示。

钢板桩围堰优化设计与施工技术

图 1 钢板桩围堰结构

钢板桩创新设计与结构计算

3. 1 创新设计方案

围堰的两端设计为 2K 型支撑体系，增强了围堰整体稳定性，保证结构安全。采用容许应力法对围堰结构进行计算，利用 Midas Civil 软件进行有限元分析，其中钢板桩的入土(岩)约束条件按照m法，加设拉森Ⅳ型钢板桩按每米板宽参数建立15m 长梁单元模型。

3. 2 荷载计算及参数选取

3. 2. 1 水平荷载及荷载组合

主动土压力荷载:粉质黏土和粉砂层采用水土合算法，其余土层采用水土分算法，荷载组合:土压力 + 水压力。

3. 2. 2 材料参数值

Q235钢材的容许应力［σ］ = 1. 2 × 140. 0 =168. 0MPa，U 型钢板桩容许应力值为 200MPa，惯性矩为3. 86× 108mm ⁴ ，截面模量 W _x = 2. 27 × 106mm³ ，面积 A =24 250mm ²。

3. 3 计算工况

1)工况 1 插打钢板桩至围堰合龙，围堰内开挖至－3. 400m。

2)工况 2 安装腰梁及内支撑，围堰内开挖至基坑底－6. 900m。

3. 4 钢板桩围堰工况计算

工况 1 钢板桩最大弯曲应力 σ = 30. 4MPa＜200MPa，满足要求，钢板桩顶最大变形 21. 3mm，坑底变形 13. 6mm。工况 2 钢板桩最大弯曲应力 σ = 121. 4MPa＜200MPa，满足要求，坑底最大变形 18.8mm，腰梁及支撑反力 N=151kN。

3. 5 腰梁及内支撑计算

围堰共设 1 层腰梁及内支撑，腰梁支撑在牛腿上，采用2HN600×200 型钢，内支撑采用 2［36b。经计算，腰梁及内支撑最大应力为 106. 7MPa＜168MPa，满足要求。内支撑 ZC1最大轴力为 745. 4kN、内支撑 ZC2 最大轴力为 355. 2kN、内支撑 ZC3 最大轴力为 681. 1kN，ZC1 最大弯矩 11. 1kN·m，ZC2 最大弯矩 10. 5kN·m，ZC3 最大弯矩 7. 2kN·m。ZC1，ZC2，ZC3 作用平面内(外)稳定性满足要求。

3. 6 围堰抗倾覆计算

按最不利工况 2 进行检算，主动土压力和被动土压力分别对 + 29. 200m ( 腰梁中心线) 处取矩。倾覆力矩:M ₁ =11 033. 4kN·m，抗倾覆力矩:M ₂ = 14 044. 4kN·m，抗倾覆稳定系数 = M ₁/ M ₂ =1. 27＞1.2，倾覆满足要求。

3. 7 基坑抗隆起计算

基坑抗隆起安全系数:

钢板桩围堰优化设计与施工技术

优化施工方案

4. 1 优化钢板桩插打方案，加快施工进度

由于地基土为不透水的黏土层，土的摩擦力大，传统的直接插打钢板桩方法出现了插打困难、进度慢等情况。经过多次试验，采取“水引法”插打钢板桩方案。

4. 2 优化封底混凝土浇筑方案，确保围堰安全

钢板桩围堰横向长度 28m，一次封底难度大，为确保围堰安全，充分利用黏土触变效应，底层土方分块开挖到设计标高后，快速分块浇筑混凝土，平衡外侧土压力，即保证围堰安全，又起到防水的作用。

钢板桩围堰施工技术

5. 1 打桩方法和设备选择

近年来，逐根式打桩法因其施工简便、迅速、不需要其他辅助等特点越来越受欢迎，新开发的打桩设备也能很好地控制打桩质量，在合适的土质条件及施工环境中，能够实现打桩效率最大化。根据主墩的地质条件，采用逐根式与屏风式打桩相结合插打方案。

随着工程机械化程度的不断提高，智能型机械在工程领域被广泛应用，打桩机械采用 500 型履带式插板机，具有吊装、插打、调平等多项功能。

5. 2 钢板桩施工工艺流程

施工工艺流程:施工准备→测量放线→施工定位桩→安装导向架→开挖水引槽→插打钢板桩→合龙→第 1 次基坑开挖→安装腰梁及支撑→第 2 次开挖→混凝土封底→钢板桩围堰监控→承台施工→承台四周第 1 次回填→拆除腰梁及内支撑→第 2 次回填→拔桩。

5. 3 安装导向架

精确定位后，插打 Φ426 钢管桩，作为钢板桩的定位桩，为钢板桩竖向平面提供支撑力、防止侧向挠曲、控制桩翼缘平行度、减少锁口扰动，从而减少摩擦力，保证钢板桩插打精度。

5. 4 水引法插打钢板桩

水引槽注满水后，先插打角桩，插打角桩时，一定要慢速插打，第 1 根桩非常重要，必须精确控制其轴线方向和垂直轴线方向的垂直度，在定位和打桩阶段必须实时控制垂直度，从角桩开始逐根插打，每根钢板桩连续插打，插打过程中，水引槽内的水随钢板桩一起插入土层内，水对钢板桩起到润滑作用，同时对钢板桩周边土起到湿润的作用，降低土对钢板桩摩擦力，加快钢板桩插打速度。

5. 5 钢板桩合龙

逐根插打完成后，剩余最后 20 根采用屏风式插打，精度至关重要，才能确保钢板桩精确合龙。打桩之前，在导向架内把钢板桩预先拼装一面屏风，这种情况下，两侧锁口在没有打桩之前就咬合在一起，因此两侧摩阻力是平衡的，从而最大限度地确保了桩的精度，分阶段依次打入土中，最后精确合龙。

5. 6 钢板桩止水措施

施工前，锁口内涂以黄油混合物油膏以减少插打时的摩阻力，起到止水、防渗的作用。施工完成后，发生锁口变形情况，出现漏水现象，在钢板桩顶锁口的位置投撒黄砂，黄砂沉至漏水位置，即可起到止水作用。

5. 7 腰梁及支撑安装

钢腰梁及支撑在钢结构加工场加工合格后，进行预拼，第 1 次开挖到腰梁设计标高处焊接牛腿，与钢板桩焊接成整体，间距 2. 4m，焊缝验收合格后，拼装腰梁，安装内支撑。第2 次开挖之前，全面检查，特别是要检查腰梁与钢板桩之间是否密贴，使钢板桩受力均匀，保证结构安全。

5. 8 混凝土分块封底

围堰合龙后，对基坑内土方进行清底，根据现场实际情况和土质条件，可采取直接排水开挖，分台阶、分段开挖，分段混凝土封底。要求当天开挖的必须当天混凝土封底，防止土体因时间效应发生蠕变，造成变形漏水。

5. 9 钢板桩围堰体系转换及拆除

钢板桩围堰施工过程中，内支撑拆除过程危险程度比安装时多。为了安全，拆除支撑时严格按照从下到上逐层回填到腰梁位置，逐步释放内应力的原则，对内支撑及腰梁进行拆除，继续回填离板顶 50cm 位置，进行拔桩。

钢板桩围堰受力及变形监控

根据钢板桩容许应力和 Q235 钢材的容许应力，钢板桩容许应力达到 200MPa，腰梁及内支撑容许应力达到168MPa，启动预警。当监控钢板桩变形＞40mm 时，应采取加密观测。当累计变形超过 50mm，启动预警，应停止施工。