黄河铁路大桥工程钢板桩围堰施工技术难点分析探究

兰文斌

(银川科技学院 银川 750001)

随着中国经济的稳步发展，也带动了桥梁工程施工技术的变革。而桥梁工程中的钢板桩围堰技术也取得了长足的发展，但发展总会遇到问题，钢板桩围堰技术随着桥梁工程施工的难度越来越大，遇到的工程难题也越来越多，急需解决的问题也层出不穷，比如：季风对钢板桩围堰施工的影响问题，水流力的问题等等，只有解决好施工中的问题，才能让钢板桩围堰技术取得长足的发展和突破。

黄河铁路特大桥全长4910.36m，中心里程桩号为DK69+585.92，该桥在DK69+130.2～DK69+374.2段跨越黄河主河道。铁路为国家I级双线，设计速度为160km/h，跨黄河主河道的主桥结构形式为(98 + 5×168 + 98)m连续刚构桥，上部结构箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工，下部结构为圆端型桥墩配钻孔灌注桩基础，大体积承台，主桥所有桩基承台均位于黄河的主河道和漫滩内，其中41#、42#墩为水中墩。水中桥墩起止里程DK69+206.19～DK69+374.19(41#、42#墩)，基础基坑采用拉森钢板桩围堰施工。

(1)钢板桩采用新日铁FSP-IV型，材质Q295，每米钢板桩截面特性：W=2270cm3。

(2)第一、二层圈梁采用2工45a型钢，第三、四层圈梁采用3工45a型钢。第一层～第四层内支撑斜撑均采用Φ630×10钢管，其余采用2工45a型钢，其构件材质均为Q235B。详见图1、图2、图3。

(3)水位：钢板桩围堰最大设防水位为+985.0m，最大抽水水位+983.97m，围堰顶面+988.17m。

图1 钢板桩围堰立面布置图

图2 第一层圈梁内支撑平面布置图(cm)

图3 第二、三、四层圈梁内支撑平面布置图(cm)

(1)建模思路及边界条件

在本次设计中，主要采用的设计软件为Midas/civil，利用它的三维仿真技术对钢板桩建立模型并进行分析和计算，如图4所示。

在建模的过程中分成两个单元体进行设计，一个单元体是以钢板桩组成体系中的围檩，纵向水平支撑和横向支撑进行设计的单元体，一个是以工程现场实际需要的围堰土层和封底混凝土作为实体模型设计。在计算模拟过程中，将钢板桩模拟成矩形截面的钢板，用4节点板单元模拟，结合本次工程的实际情况，在横向支撑和纵向支撑的连结点上加入加劲板的设计，用来满足纵向截面变形量大的问题[1-4]。

图4 钢板桩围堰有限元模型

在施工中关于荷载的分析，本次模型建立仅仅考虑了静水压力和土压力的相关荷载影响，对风荷载和水流力等活荷载产生的相关影响并没有考虑。

在建模计算的过程中，取1m宽钢板桩，在圈梁位置处，以弹性支座进行模拟设计，其中第一层内支撑SDx=17kN/mm，第二层内支撑SDx=22kN/mm，第三、四层内支撑SDx=34kN/mm，根据内支撑平面模型加载后求得数据来参考弹性支撑参数。

(2)钢板桩围堰验算

①基坑底管涌验算

不产生管涌的安全条件为：

式中：K——抗基坑底管涌安全系数；

γw——水容重，γw=10kN/m3；

γb——土的浮容重，γb=9.6kN/m3；

j——最大渗流力(动水压力)，j=i·γw；

h——水位至坑底的距离，h=10.412m；

t——钢板桩的入土深度，t=15m。

经计算，K=3.69，故不会发生基坑底管涌。

②封底混凝土厚度计算

钢板桩施工作业过程中，混凝土封底作业对混凝土结构强度保证，抵抗水底压力有很重要的作用，并且封底作业完成后，水中施工作业的工序就不会受到黄河水汛期的影响，可以保证工程正常进行，不影响工期的安排，所以对封底混凝土厚度的确定就显得比较关键，一般情况下要满足混凝土封底强度所需的厚度应大于水的垂直渗透力，安全条件如下式：

Ks·i·ρw·g<ρc·g·x

式中：Ks——安全系数，取1.05；

ρw、ρc——分别为水与混凝土密度；

其中：ρw=1000kg/m3，ρc=2350kg/m3；

h——水位至坑底的距离，h=10.412m；

t——钢板桩的入土深度，t=15m。

则：

得：x>11.5cm，取封底混凝土厚度25cm，满足条件。

已知39#(40#)墩承台底标高为+975.87m，根据地质资料，承台底面及以下土层均为泥岩或砂岩，假定其不透水，根据计算当开挖至承台底面以下50cm时，浇筑25cm厚混凝土垫层。

③抗滑移稳定性验算

为保证钢板桩的抗滑稳定性，在土压力及其他外力作用下，基底摩阻力抵抗钢板桩滑移的能力，用抗滑系数Kc表示，即抗滑力与滑动力之比。抗滑系数为：

(1)

式中：G——钢板桩自重；

Ex、Ey——钢板桩桩背土压力的水平分力和垂直分力；

f——基底摩阻系数，取0.45；

[Kc] ——容许抗滑稳定性系数，在此[Kc] = 1.3。

当土体处于静土压力平衡状态时，有

E0=G×0.3 = 0.761×4×23×0.3 = 21.0

当滑动面处于静止土压力状态时，由式(1)式得：

=1.714 ≥ [Kc] = 1.3

所以，由上式可得钢板桩满足抗滑稳定性要求。

④钢板桩抗倾覆稳定性验算

为保证钢板桩的抗倾覆稳定性需验算墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，用抗倾覆系数K0表示，对于墙趾的总稳定力矩ΣMy与总倾覆力矩ΣM0之比，如下式：

(2)

式中：[K0]——容许抗倾覆稳定系数，取1.3。

将已知数据带入式(3)得：

(3)

满足抗倾覆稳定性要求。

(1)钢板桩围堰的施工步骤

钢板桩围堰的施工步骤如图5所示。

1)在第一道围囹支撑安装完毕以后，钢板桩施工过程中的导向基本就位，可以采用旋挖钻孔技术进行引孔；

2)根据钢板桩施工顺序的要求，依次开始插打钢板桩直至合拢；

3)钢板桩合拢以后，在第一道围囹支撑底面的-0.5m位置处，利用机械作业即刻开始安装第一道内支撑，以保证“开槽支撑，先撑后挖的原则”；

4)由于围堰内开挖后会有大量的积水或坑底渗水，需要利用水泵快速排水，必要时需采用降水井的方式或者是井点降水的方式快速排水，以缓解基坑内的水压力。待渗水问题解决以后，根据施工要求，在开挖至第二道围囹支撑底面-0.5m位置处，按设计要求安装第二道内支撑；

5)按照设计要求继续开挖第三道和第四道围囹支撑，在围囹支撑底面-0.5m位置处，安装最后二道内支撑；

6)开挖过程中，随着土的级别越来越高，施工的难度也越来越大，在开挖的后期需动用大量的机械设备来解决人力挖掘无法解决的问题；

7)开挖完成后要对基坑底部进行硬化处理；

8)下层承台模板拆除后，向钢板桩与承台间回填细砂并灌水使其沉降密实，然后拆除第四(三)道内支撑，施工上层承台(即加台)，拆除模板后，同上回填并拆除第二道内支撑，进行墩身混凝土浇筑施工；

9)墩身底部模板拆除后，需回填土至接近第一道支撑的高程位置，然后拆除第一道内支撑；

10)当回填土达到外地面设计高程后，开始按照施工顺序依次拔出钢板桩[5-7]。

图5 内支撑整体安装顺作法施工流程图

(2)钢围堰施工中的技术难点及解决措施

1)插打过程中钢板桩贯入度异常

在施工到16#桩时，钢板桩在入土深度仅为3m的情况下，出现了钢板桩贯入度异常情况，经开挖之后发掘此处土质条件为5m的中粗砂层，钢板桩难以深入。

解决措施：向桩底内部注入高压水。在16#桩的桩壁两侧随桩下放钢管，在到达中粗砂层后，采用高压水泵通过钢管注入高压水，利用钢管前端的橡胶管反复冲洗钢板桩底部中粗砂区，随冲随打，直到完全通过该不良地质区域。

2)钢板桩在深水区受水流力冲刷，桩入水垂直度难以保证

在施工38#、39#、40#、41#深水区钢板桩施工作业时，由于受到黄河水的冲刷，钢板桩入水后垂直度出现了大于规范允许的偏差，施工难度较大。

解决措施：钢围堰入水后，应严格控制其下沉速度，避免下沉速度过快导致的钢板桩过大的位移。利用起重设备将第一节钢围堰整体施工吊入水中，让其自浮于水面之上。围堰下沉的作业过程中，除了向围堰壁舱内注水或灌注混凝土控制钢围堰的下沉高度外(使水平焊缝位置高于操作平台1.4～1.5m为宜)，用以控制围堰的拼装高度，还可以同时采用锚定系统控制钢围堰的摆动和扭转。

3)在施工24#桩时出现了桩底局部坑底隆起现象，产生该现象的主要原因是桩底局部为2m深的泥岩构造，导致钢板桩桩底应力发生不均匀变形，出现隆起现象。

解决措施：经与设计单位沟通后，采用钢板桩施工前引桩的方式完成，即先采用直径分别为1.0m和1.15m的钻孔桩，通过钻孔桩通过泥岩层，再进行孔内回填，待回填强度达到设计要求时，完成钢板桩的相关施工工作。

4)沉桩过程中桩身倾斜

在施工过程中，在黄河浅滩处出现了多次钢板桩桩身倾斜的问题，经相关技术部门检测，该浅滩区有大量的孤石存在，所以易导致桩身倾斜。

解决措施：由于浅滩区孤石较多，因此决定先进行桩身位置勘测，判定孤石位置，进行土方开挖清除孤石，回填完成后再进行钢板桩施工。

5)钢板桩局部沉降变形

在进行36#桩的施工时，钢板桩的右侧2根钢板发生了局部位移沉降。产生的原因是钢板桩未打到稳定的持力层。

解决措施：在施工钢板桩时，应尽可能控制最后贯入度达到设计要求，以保证每根桩都到达稳定的岩层，避免沉降的发生。

(3)围堰施工中结构危险部位应力应变的判定

抽水完成后钢板桩墙跨中和边角部位移变化如图6示。

图6 跨中和边角部位移变化曲线

由图6可知，钢板桩墙的边角部位位移值比跨中的小，钢板桩长方向的位移变化依然很小；
从钢板桩底到钢板桩顶的位移变化情况来看，位移变化也趋于减小，且位移减小的部位正好是钢板桩设置支撑的位置，这一变化印证了内支撑对水平位移的限制作用，在第二道和第三道支撑之间产生的是最大位移[8]。

钢板桩墙跨中和边角部的沿X轴和沿Y轴的的应力变化曲线如图7、图8所示。由图可看出，钢板桩墙的跨中和边角处在X轴和Y轴方向上的应力变化趋势是一致的，桩底的应力值比桩顶的要高；
但是边角处的应力值较其他部位要大，且钢板桩墙四边中间处有负应力；
跨中应力最大处的高程比边角处应力最大处的高程高。结合位移曲线和应力曲线可以发现，最大应力和最大位移都发生在钢板桩墙的不同部位[9-10]。

图7 跨中和边角部沿X轴应力变化曲线 图8 跨中和边角部沿Y轴应力变化曲线

综上所述，可以确定钢板桩墙的跨中和边角部就是围堰施工过程中最危险的部位，施工时应特别注意该部位钢板桩墙的连接和现场监测。

钢板桩围堰技术是近几年桥梁工程深水基坑围堰施工的关键技术之一，本文主要介绍了利用Midas/civil软件建模分析了钢板桩围堰施工的安全性，以及介绍了钢板桩围堰施工的安装过程，并对钢板桩围堰施工中技术难点做出了剖析并提出了解决措施，对今后类似工程的钢板桩施工安装起到一定的安全提示作用。本文仅仅分析了钢板桩安装过程可能存在的问题，对风荷载和水流力对钢板桩影响并没过多涉入，在后续的研究中需对此类问题做出分析和说明。