水中超长钢板桩围堰施工技术分析.pdf

FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期深基坑的开挖与支护作为桥梁承台施工的一个重要环节袁考虑到海上潮汐变化较大尧基底承载力较差尧基坑较深的项目特点袁基坑开挖的支护结构安全是一个重点问题遥 钢板桩围堰施工前需对施工方案进行反复的验证和比选袁充分考虑工期尧汛期尧成本等因素袁确保施工方案的结构安全性尧施工可行性尧经济性遥1工程概况1.1主桥结构概况三江口特大桥位于兴化湾木兰溪入海口袁主桥桥型为双塔双索面槽形双箱组合梁斜拉桥袁跨径组合布置渊95+220+95冤m=410 m袁主梁宽 45.9 m袁是目前国内同类型最宽的组合梁斜拉桥曰主桥索塔采用H 型钢筋混凝土桥塔袁塔高 110 m袁索塔顶宽40.7 m曰索塔基础为哑铃型承台+群桩基础遥 三江口特大桥桥型布置如图 1 所示遥三江口特大桥主墩位于木兰溪航道内袁主墩承台设计有浮式柔性钢套箱作为防船撞设施袁其内套箱在施工期间可兼做挡水结构和承台模板遥 主桥通过 31#尧34#过渡墩与引桥相接袁边墩承台尺寸均为(35.6伊8.0伊3.5)m袁承台施工期间采用钢板桩围堰作为挡水结构遥34#过渡墩设计桩长 45 m袁34#过渡墩一般构造如图 2 所示遥水中超长钢板桩围堰施工技术分析姻 翁秀燕（莆田市交通投资集团有限公司，莆田351200）摘要在国内深水基础施工中袁钢板桩围堰被广泛应用袁在确保结构安全的前提下如何进行结构优化尧关键技术控制是关键遥 根据三江口特大桥主桥 34#过渡墩承台项目特点袁结合桥墩处水文尧地质等情况袁通过阶段工况分析尧深基坑围堰结构的应力与变形的数据验算袁设计一个结构安全可行尧工期短尧施工成本低的水中超长钢板桩围堰袁并结合实践介绍了深水超长钢板桩围堰的开挖与支护施工工艺控制措施及监测手段遥该设计可确保基坑施工安全袁为类似工程提供参考借鉴意义遥关键词承台钢板桩深基坑验算中图分类号院U445.556文献标志码院A文章编号院1674-8581渊2023冤05-0068-07图 1三江口特大桥主桥结构布置图渊单位院cm冤桥隧工程68福建交通科技圆园23 年第 5 期1.2水文地质情况34#过渡墩位于木兰溪岸边袁河床标高约+2.000+3.500 m袁水位受潮水涨落潮影响袁最高水位+4.040 m遥根据勘察钻孔显示袁地质分布自上而下分别是冲海积淤泥尧淤泥质粘土尧卵石尧花岗岩遥 各岩土层特征分述如表 1 所示遥图 234#过渡墩一般构造图渊单位院cm冤表 1桥墩处河床岩土层特征成因时代地层编号层厚/m层底标高/m岩性描述Q4al+m盂1-117.80原16.53淤泥院深灰色尧灰色袁饱和袁流塑袁粘性强袁切面光滑袁手捏有滑腻感袁局部夹少量粉细砂袁味微臭Q4al+m盂89.07原26.23卵石院杂色袁饱和袁稍密要中密袁卵石成份以花岗岩为主袁粒径一般 26 cm袁个别大于 8 cm袁亚圆状袁含量约 60%袁其间充填物为砾尧砂及少量粘性土酌52愚2-11.50原39.23砂土状强风化花岗岩院灰褐色尧灰黄色袁组织结构大部份已破坏袁风化强烈袁岩芯呈砂士状袁岩芯手捏易散袁浸水易软化2技术方案比选以钢套箱围堰与钢板桩围堰进行比选袁方案比选结果如下遥 渊1冤方案一院采用无底钢套箱围堰结构方式遥 搭设工作平台拼装钢套箱袁整体下放袁钢套箱壁体嵌入淤泥质土层袁并设置 2 道内撑支护袁清理基底袁水下封底后抽水完成袁如图 3 所示遥 渊2冤方案二院采用长钢板桩围堰结构方式遥 在钢护筒设置导向定位架及第 1 道圈梁袁 搭设钢板桩并嵌入卵石层袁 在第 1 道内撑完成后开挖基底并抛石处理袁水下封底完成后抽水袁设置第 2 道圈梁及内撑袁完成抽水袁如图 4 所示遥 经过结构安全性尧施工可行性尧施工工期尧施工成本等比较袁方案二采用钢板桩围堰方案更具有优势袁作为最终施工推荐方案遥 围堰方案比选内容如表 2 所示遥图 3钢套箱围堰示意图图 4钢板桩围堰示意图69FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期表 2 围堰方案比选3钢板桩围堰施工工艺3.1围堰整体设计承台基坑采用拉森郁型钢板桩进行开挖与支护袁单根长度为 24 m袁钢板桩顶标高为垣6.0 m袁桩底坐落于卵石层曰两层圈梁均采用双拼 I45a 型钢袁内支撑采用 囟500伊10 mm 钢管袁其中第 1 道内撑标高为垣5.0 m袁第 2 道内撑标高为垣2.5 m袁采用分节预制尧节段安装方式曰围堰封底采用 C30 水下混凝土结构袁封底厚度为 1.5 m遥3.2围堰施工工序主要施工过程如下遥工序 1院清理河床杂物并修整河床标高为垣0.654 m袁 在钢护筒上焊接支撑架袁在支撑架上安装第 1 层内支撑和圈梁渊兼做导向冤袁标高垣5.0 m遥 以圈梁为导向装置袁打设钢板桩袁打设完成后基坑内开挖至原4.397 m袁开挖过程中保持内外水头差为 0遥 托撑示意图如图 5 所示遥 工序 2院进行水下抛填片石袁填筑厚度为 1 m袁确保基坑基底承载力满足要求袁同时减少封底混凝土与淤泥的掺混厚度遥 工序 3院进行水下封底混凝土施工遥 封底达到强度后袁基坑内抽水至标高垣2.0 m遥工序 4院在标高垣2.5 m 处安装第 2 层内支撑和圈梁袁围堰内抽完水袁开始承台实体施工遥 基坑总体设计立面图如图 6 所示袁基坑内撑结构平面图如图 7 所示遥图 5托撑示意图项目方案一院钢套箱围堰方案二院钢板桩围堰结构安全性支护及止水效果较好袁但钢套箱下放到位后袁壁体底部位于淤泥质层袁嵌入深度不够袁清理基底施工阶段易发生管涌等不良现象结构安全性及止水效果较套箱围堰差袁围堰穿过淤泥层袁 有利于基底清理及水下封底施工质量施工可行性围堰位于木兰溪河道内袁 搭设栈桥为施工平台袁围堰可施工围堰位于木兰溪河道内袁 搭设栈桥为施工平台袁围堰可施工施工工期工序复杂袁工期较长工序简单袁工期较短施工成本钢套箱无法拆除袁施工成本高可周转袁较经济是否采用否是图 6基坑总体设计立面图渊单位院cm冤渊单位院cm冤图 7基坑内撑结构平面图渊单位院mm冤桥隧工程70福建交通科技圆园23 年第 5 期4围堰结构验算4.1基坑结构受力计算方法基坑结构受力计算方法如下院依据叶钢围堰工程技术标准曳渊GB/T51295-2018冤1袁基坑内侧土压力采用 m 法袁外侧主动土压力采用库仑法袁以弹簧支座简化围堰内支撑尧弹簧模拟基坑开挖面以下土体袁通过 Midas 有限单元进行计算基坑支护结构的内力和变形遥4.2计算参数4.2.1土层参数钢板桩范围内土层主要为淤泥层袁桩底伸入卵石层袁根据地质勘察资料及现场补勘袁卵石土的内摩擦角参数取 30毅袁围堰处土层参数如表 3 所示遥表 3围堰处土层参数4.2.2土弹簧刚度参数挡土构件内侧嵌固段上土的水平反力系数按下式进行计算院ks=mz渊z-h冤渊1冤mz=0.2渍2-渍+c淄b渊2冤式渊1冤和式渊2冤中院ks为土的水平反力系数渊kN/m3冤曰mz为土的水平反力系数的比例系数/渊kN/m4冤曰z 为计算点距地面的深度/m曰h 为计算工沉下的基坑开挖深度/m院c尧渍 为土的黏聚力/kPa尧内摩擦角/渊毅冤曰淄b为挡土构件在围堰底处的水平位移值/mm袁当此处的位移不大于 10 mm 时袁可取 淄b=10 mm遥根据叶钢围堰工程技术标准曳渊GBT51295-2018冤求得院淤泥土 mz=渊0.2伊1.78伊1.78-1.78+8.07冤/10=692kN/m4曰卵石mz=渊0.2伊30伊30-30+0冤/10=15000kN/m4遥4.3钢板桩结构计算根据施工过程主要分成 3 个工况遥工况 1院封底前开挖基坑曰工况 2院封底后进行第 1 次抽水曰工况3院安装第 2 道内撑后进行第 2 次抽水完成遥 采用 MidasCivil 计算软件对钢板桩围堰进行单桩建模2遥 钢板桩尧围堰采用梁单元建模袁内支撑采用受拉/杆单元建模曰封底混凝土处简化处理为刚性连接袁钢管桩入土部分以土弹簧约束加以模拟袁围檩与钢管桩连接处为刚性连接袁围檩与内支撑共用节点连接3遥 根据初步简算袁通过 3 个不同工况进行对比袁发现钢板桩在工况 2 时是最不利情况遥 其受力结构图如图 8 所示遥 采用 MidasCivil 自动计算生成计算结果袁如图 9 所示遥 板桩位移及内力验算结果如表 4 所示遥 钢板桩位移及内力验算院钢板桩最大水平位移满足结构受力要求曰 钢板桩最大弯矩为205.1 kN 窑 m袁最大应力为 37.3 MPa袁小于 235 MPa袁满足结构受力要求遥图 8基坑结构荷载布置图(单位院kN)(单位院mm)(单位院kN 窑 m)(单位院MPa)渊a冤反力渊b冤位移渊c冤弯矩渊d冤组合应力图 9计算结果图土层名称天然重度/渊kN/m3冤内摩擦角/渊毅冤 黏聚力/kPa淤泥16.31.788.07卵石21.030.000.00渊单位院mm冤71FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期表 4钢板桩位移及内力4.4内支撑及圈梁结构计算两层圈梁均采用双拼 I45a 型钢袁内支撑采用囟500伊10 mm 钢管遥通过对比分析袁在工况 3 时最为不利袁第 2 道内支撑圈梁受力较大袁分布荷载院q=25.3kN/m遥圈梁组合应力计算结果如表 5 所示袁简化受力模型图和圈梁组合应力图如图 10尧11 所示遥由表 5 结果可知袁 围檩及内支撑组合应力满足要求遥 圈梁和内支撑位移计算结果如表 6 所示袁圈梁和内支撑位移示意图如图 12 所示遥 由表 6 结果可知袁圈梁和内支撑位移最大值为 1.7 mm约渊4300/400=10.75冤mm袁满足结构要求遥表 5围檩及内支撑组合应力表 6圈梁及内支撑位移项目位移/mm组合应力/MPa最大值3.3090.3允许值17.99235.0项目应力值/MPa最大值27允许值235图 11圈梁组合应力图项目位移值/mm最大值1.70允许值10.75图 10简化受力模型图渊单位院 kN/m冤渊单位院 MPa冤图 12圈梁和内支撑位移示意图桥隧工程72福建交通科技圆园23 年第 5 期4.5围堰封底验算封底厚度按 1.5 m 考虑袁根据叶钢围堰工程技术标准曳渊GB/T51295-2018冤封底混凝土与桩基钢护筒间的容许粘结力取 120 kPa袁计算围堰抗浮安全系数院Kf=Gc+F1+F2Fw+Puc渊3冤Fw=酌whwAn渊4冤Gc=酌cVc渊5冤F1=min渊Gz袁子1S1冤渊6冤F2=min渊子2S2袁Gg+子3S3冤渊7冤式渊3冤渊7冤中院Kf为抗浮安全系数袁宜取 1.15曰Fw为水的浮力标准值/kN袁取 30588.6 kN曰Puc为波峰时的波浪浮托力袁施工区域不涉及袁取 0曰酌w为水的容重/渊kN/m3冤曰hw为钢板桩围堰内外水位差/m曰An为扣除钢护筒后基底净面积/m2袁取 410.9 m2曰Gc为封底混凝土自重/kN袁封底厚度 1.5 m袁混凝土自重为14792.4 kN曰Gz为所有桩基钢护筒及桩基自重/kN曰Gg为钢围堰自重/kN曰酌c为混凝土容重/渊kN/m3冤曰Vc为基底净体积袁应扣除钢护筒部分/m3曰子1尧子2尧子3分别表示封底混凝土与钢护筒粘结力尧封底混凝土与钢板桩粘结力尧 钢管桩及钢板桩与土层间的摩阻力袁应分别按叶钢围堰工程技术标准曳渊GB/T51295-2018冤表 4.6.1-1尧4.6.1-2 取值袁钢套箱围堰不计侧摩阻力曰S1尧S2尧S3为封底混凝土与钢护筒的接触面积尧封底混凝土与钢板桩的接触面积尧钢板桩及钢管桩围堰入土深度范围外侧接触面积之和/m2曰F1取 Gz尧桩基钢护筒与封底混凝土粘结力 子1S1的最小值/kN袁钢护筒与封底混凝土之间的容许粘结力取12 kPa袁则粘结力取 16625.3 kN曰F2取 Gg+子3S3尧钢围堰与封底混凝土粘结力 子2S2的最小值/kN袁取封底砼与钢围堰的粘结力 18432 kN遥 将以上参数代入 Kf=Gc+F1+F2Fw+Puc袁得到 Kf=1.651.15袁满足要求遥5主要施工控制工艺5.1圈梁及内撑安装内撑系统的圈梁由 2I45a 型工字钢撑杆组成袁结构为轴心受压构件袁 其轴向尺寸应注意严格控制袁预制精度要求为依1 cm遥 圈梁采用在加工场内加工成形袁分段下放袁并在托撑上焊接成整体遥 分段方式如图 13 所示遥图 13钢板桩围堰圈梁分段示意图5.2钢板桩打设钢板桩围堰桩长为 24 m袁采用 9 m+15 m 两种规格坡口对焊袁对焊后打磨平整袁加焊加劲板袁接长的钢板桩接缝数量单根不得超过 1 道袁焊接完成的加劲板不应对锁扣产生干扰遥水中钢板桩施打采用圈梁兼做导向袁以控制钢板桩的平面尺寸和垂直度袁配合液压打桩机逐片插打遥 钢板桩质量关键点在于第 1 片钢板桩的插打袁第 1 片钢板桩位于上游短边中点袁在插打前袁在圈梁导向架上设置 1 个自制限位框架袁插打时背紧靠圈梁导向架袁边插打边缓慢下放吊钩遥 在互相垂直的 2 个方向用全站仪观测袁以确保钢板桩插正尧插直遥 以第 1 根钢板桩为基准袁以圈梁作为导向袁控制钢板桩的平面尺寸和垂直度袁配合液压打桩机逐片插打遥 钢板桩先从上游的中心定位打设袁向两侧延伸插打袁上游 1 个面打设完成后袁一端打设角桩并按图 14 顺序继续打设袁最后在下游角部合拢遥图 14钢板桩打设顺序示意图5.3基坑开挖钢板桩打设完成后袁采用绞吸泵在钢平台上将围堰内淤泥清除袁清淤过程中采用 4 台 15 kW 水泵从周边向围堰内注水袁 保证围堰内外水头平衡袁围堰内外水头差不超过 0.5 m袁一次清淤至基底遥5.4水下封底施工封底采用水下 C30 混凝土袁采用垂直导管剪球法灌注袁封底厚度为 1.5 m遥 封底标高控制在承台标高以下 20 cm袁承台钢筋绑扎前利用混凝土垫层调平遥 封底混凝土扩散半径为 2.5 m袁导管底口距离基底 1530 cm袁围堰浇注区共布置 3 根导管袁一次性无死角完成水下封底混凝土浇筑遥 混凝土浇筑临结73FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期束时袁全面测量混凝土面标高袁重点检查导管作用半径相交处尧护筒周边尧围堰内侧周边等部位遥5.5基坑降水及堵漏因钢板桩锁口联接处存在不可避免的缝隙袁在内外水头压差的压力作用下袁外侧水流通过此缝隙进入钢板桩围堰而形成渗漏遥 在抽水过程中需进行堵漏袁采用防漏橡胶条及高密度棉絮袁填塞于钢板桩接缝处袁有效地防止渗漏遥 河床底面土层透水性强袁需在该处布设黄泥包袁以便减缓水的渗透袁同时围堰里的渗漏通过设置 4 个集水井袁利用泥浆泵即可把渗漏的水抽干袁保持干水作业遥6基坑监测在基坑支护施工过程中袁根据施工规范要求需进行支护监测袁收集其安全信息袁主要包含钢板桩及支护的结构变形尧周围河床面变化尧基坑内侧基底变化等袁综合分析各信息变化过程袁并根据分析结果及时优化原设计以达到安全且经济之最终目的遥 结合本项目深基坑特点袁主要监测项目为钢板桩支护结构倾斜及位移监测尧内支撑支护结构的轴力及应力监测尧周围土体位移监测尧基坑内水位观测等遥 通过围堰结构设计优化袁施工过程中采取的有效措施袁各项指标最大值统计如下院最大位移为 1.1 mm曰竖向沉降为 15 mm曰围堰周边土体累计沉降为 25 mm曰基坑内水位日变化量臆300 mm遥各项监测指标满足施工技术规范要求遥7结语三江口特大桥边墩承台为海上深水基坑桩台袁基底承载力差遥 对于这种淤泥质河床较厚的地质条件袁通过本文中的结构模型理论计算及关键技术控制措施袁采用超长钢板桩围堰袁可有效解决类似施工难题袁降低施工成本袁缩短施工工期袁达到预期目标遥参考文献1中华人民共和国住房和城乡建设部袁国家市场监督管理总局.钢围堰工程技术标准院GB/T 51295-2018S.北京院中国计划出版社袁2018.2程金雄.基于 MIDAS CIVIL 的钢板桩围堰整体模型简易建模方法研究J.中阿科技论坛院中英文袁2020渊9冤院101-104.3彭文礼.基于 MidasCivil 有限元软件分析钢板桩围堰的设计J.陕西水利袁2021渊6冤院11-14.桥隧工程74