大型钢板桩围堰施工设计的思考

　　摘要：在简要介绍了钢板桩围堰施工要点的基础上，详细阐述了钢板桩围堰的施工体会、设计过程、设计体会。
　　
　　关键词：钢板桩围堰；施工体会；设计；设计体会
　　
　　1 前言
　　
　　桂林南洲大桥位于桂林叠彩区大河乡镜内，主桥为（50+87+144+39）m曲塔双索面斜拉桥。曲塔采用斜弯的H型混凝土塔结构，桥面宽45m，主跨为钢—混叠合梁，边跨为混凝土箱梁，主墩与塔、梁固结，下设两个相对独立的直径为21m的圆形承台，每个厚度为5m的承台下布置30根φ1.5m钻孔桩。
　　
　　桥位处常水位为+146.65，主墩所处场地属岩溶准平原冲积堆积阶地地貌，该处最上面为卵石层和淤泥质粘土层，其中卵石层一般粒径为20—30mm，含量约在50—75%之间，成分以砂岩为主，其余主要为粗砂、砾石，呈饱和松散状态，淤泥质粘土总体粘性较强，局部为粉质粘土，呈饱和流塑状态。
　　
　　2 钢板桩围堰施工
　　
　　由于主墩承台平面尺寸大，结合主墩处的水文、地质情况，经过经济、技术、工期、安全等方面的综合分析，确定该墩承台采用钢板桩围堰施工方案，如图1。
　　
　　2.1钢板桩围堰施工要点
　　
　　首先，检验并矫正钢板桩，包括检验其长度、宽度、厚度等是否符合设计要求，除外观检验还要对各种缺陷进行矫正，新钢板桩必须符合出厂质量标准。　　
　　
　　其次，测量放线，安装钢板桩导向装置，在钢板桩锁口内涂抹黄油，采用振动打桩法插打钢板桩至合拢。
　　
　　再次，拆除导向装置，围堰内向下除土3m 深，在钢板桩上焊接牛腿，安装圈梁及围堰内万能杆件支撑，用吸泥机吸除围堰内土体至封底混凝土底面标高，此过程中保证围堰内、外水位差不大于3m。
　　
　　最后，施工围堰内水下封底混凝土，混凝土强度达到要求后，抽干围堰内的水并清理，进行承台施工。
　　
　　2.2 施工体会
　　
　　在钢板桩围堰施工过程中，作者认为以下几点应予以重视。
　　
　　1.钢板桩插打过程中控制插打的误差对钢板桩围堰能否顺利合拢非常关键，所以施工中必须保持监测。钢板桩施工的允许误差分别为：桩顶标高偏差±100mm，钢板桩轴线偏差±100mm，钢板桩垂直偏差1%，如超过上述允许值应及时纠正。圆形钢板桩围堰相对于方形围堰施工精度更难控制。
　　
　　2.钢板桩的打入方法主要有锤击法、振动法、静力压入法，三种方法各有优缺点和适用条件。
　　
　　锤击法适用于长度大的钢板桩，施工速度快，但不适用于软弱粉土，辅助设施规模大，噪音大，费用高；振动法不适合钢板桩很长或硬土层的情况，电耗大，但辅助设施简单，噪声小，费用和施工速度适中，打拔都可以；静力压入法适用于长度大的钢板桩，噪声很小，不适用于砂层和硬土层，辅助设施规模大，费用高，打拔都可以，施工速度适中。一般情况下多采用第一、二种方法。
　　
　　3.钢板桩施工的流水段划分与桩的封闭合拢有关。流水段长度大，则合拢点少，相对积累误差大，轴线位移也较大；流水段长度小，则合拢点多，积累误差小，但封闭合拢点增加。一般情况下，多采用后一种方法。另外采取先边后角打设方法可保证端面相对距离，不影响钢板桩导向装置的安装精度，对于打桩的积累偏差可在转角外作轴线修正。
　　
　　4.钢板桩打设方式分为“单独打入方式”和“屏风式打入方式”两种。单独打入方式即逐块打设，其打入方法简便，不需辅助支架，但易使钢板桩向一侧倾斜，误差积累后不易纠正，适用于钢板桩围堰精度要求不高，桩身长度较小的情况；屏风式打入方式是将多根钢板桩成排呈屏风状，分批施打，可减少倾斜误差积累，易于实现封闭合拢和保证施工质量，但插桩的自立宽度较大，须注意插桩稳定和施工安全，较单独打入法施工速度慢，除个别情况均适用。
　　
　　5.通常在一般河流中插打钢板桩的顺序是从上游经两旁至下游合拢，这样可以减少后面钢板桩因水流阻力引起插打不便。在潮汐河段则是从上、下游分别打设，经两旁至中间合拢。本桥主墩一半位于水中，一半位于河岸，为了合拢顺利我们将插打顺序改为从上游经两旁在靠岸一侧合拢。对于封闭式钢板桩围堰，拔桩的顺序一般与打设顺序相反，对桩身产生的桩孔需及时回填以减少对邻近建筑物的不利影响。
　　
　　6.钢板桩围堰内封底混凝土的作用有：围堰内抽水后，作为钢板桩的支撑结构；抽水后承受水对围堰内底板的上鼓力；为承台施工提供一个理想的作业环境。为保证封底混凝土满足上述功能要求，基坑内除土完毕，须检查坑底各处标高均不得大于设计要求的基坑底标高，同时应保证各处封底混凝土的厚度均不小于设计值。
　　
　　7.严格控制钢板桩围堰外侧的施工荷载，防止施工过程出现超过设计所取的施工荷载对围堰产生破坏。
　　
　　3.钢板桩围堰设计
　　
　　此钢板桩围堰拟采用SP-U型钢板桩，其截面规格为：宽度b=400mm，高度h=160mm，腹板厚d=16mm，重量g=76.1Kg/m，长度L=16m，惯性矩I=34400cm4/m，截面模量W=2150cm3/m，围堰顶拟有施工荷载q=39KPa。
　　
　　3.1确定围堰封底混凝土厚度
　　
　　只有先计算出封底混凝土的厚度，才能最终确定基坑的挖掘深度。封底混凝土采用C20水下混凝土，按简支双向板计算，钢板桩围堰及钢护筒作为封底混凝土的支承，选择受力最不利的双向板作为对象，计算公式为：
　　
　　式中：K—安全系数，按抗拉强度计算的受压受弯构件，取2.65D—考虑水下混凝土可能与围堰底泥土掺混增加的厚度，一般取300—500mm。
　　
　　M—双向板的最大弯矩b—双向板的宽度fct—混凝土抗拉强度设计值经计算封底混凝土厚度为1.2m。
　　
　　3.2各工况钢板桩埋深及强度计算
　　
　　根据施工过程，钢板桩有三种工况，即对应钢板桩三种不同受力模型，分别计算各工况中钢板桩的埋深和强度，从中选出最大埋深作为钢板桩的最终埋深，同时钢板桩在每个工况下的强度均应满足要求。
　　
　　3.2.1工况一：钢板桩全部插打完毕，围堰内向下挖土3m深，至标高+144.8。此时钢板桩围堰为悬臂式围护结构，计算简图如图2。
　　
　　1.确定钢板桩埋深只有当钢板桩埋入坑底部分大于最小埋入深度，钢板桩才能保持平衡，处于稳定状态。计算原则：所有外力均对钢板桩最底点取矩，被动土压力（Ep1）和水压力（ES2）产生的力矩须大于主动土压力（Ea1，Ea2）和水压力（ES1）产生的力矩，计算得此工况钢板桩最小入土深度H1=4.1m。
　　
　　2.钢板桩强度检算先由剪力等于零的条件确定最大弯矩所在的截面位置，并计算出钢板桩的最大弯矩值，再根据钢板桩的截面模量，检算其强度满足要求。
　　
　　3.2.2工况二：安装围堰内支撑，围堰内继续除土至封底混凝土底面标高+139.8，同时保持基坑内、外水头差不大于3m。此时钢板桩围堰为单层内支撑围护结构，计算简图如图3。
　　
　　1.确定钢板桩埋深按静力平衡法计算钢板桩内力，该法假定围护结构是刚性的，并且可以绕内支撑点转动。计算原则：所有外力均对内支撑点取矩，根据力矩平衡确定此工况时钢板桩的最小入土深度H1=4.7m。
　　
　　2.钢板桩强度检算内支撑作用在钢板桩围堰上的反力R1根据水平力平衡条件得出，钢板桩入土深度和内支撑反力确定后，即可计算出钢板桩上最大弯矩和剪力，经检算钢板桩强度满足要求。
　　
　　3.2.3 工况三：灌注水下封底混凝土，抽干围堰内的水。将封底混凝土看作第二道内支撑，此时钢板桩围堰可作为多层内支撑围护结构，计算简图如图4。
　　
　　1.确定钢板桩埋深首先按1/2分担法计算两道内支撑的反力。A点为R1和R2的中点，C点为钢板桩最底点，B点为R2和C点的中点。内支撑R1等于A点以上主动土压力和同侧水压力之和；内支撑R2以下的主动土压力及同侧水压力之和的一半和R2与A点之间的主动土压力及同侧水压力均由R2承担。
　　
　　其次，内支撑R2以下的主动土压力及同侧水压力之和的另一半与坑下被动土压力和同侧水压力平衡，由此确定此工况时钢板桩最小埋深H1=0.5m。
　　
　　2.钢板桩强度检算以工况一、二中同样的方法，求得钢板桩最大弯矩，弯曲应力满足要求。
　　
　　综合以上计算，将工况二作为钢板桩埋深的最不利情况，钢板桩埋深为4.7×1.5=7.05m，结合钢板桩长度，确定其埋深为7.0m，即桩底标高3.3圈梁设计较少，圆形围堰的圈梁较方形制作困难，难以利用大型型钢梁。所以此项目采用钢板现场焊接成圆形H型钢作为圆形圈梁，截面尺寸由受力情况确定。3.4设计体会1.钢板桩围堰设计最重要的是分清施工过程中围堰的不同工况，对应各种工况正确选择相应的计算模型，进行分析与综合才能得出准确解。
　　
　　2.确定围堰内单层支撑在立面上的合理位置，要兼顾以下两点：首先从造价上看，适当降低内支撑的位置比较经济，内支撑位置降低意味着钢板桩作为竖向梁的计算跨度减小，桩身的计算弯矩相应可大幅度降低；其次从施工来看，内支撑设置位置应满足方便除土的要求。另外，内支撑的平面布置同时还要考虑其作为圈梁支撑点的需要。
　　
　　3.确定围堰内多层支撑在立面上的位置，宜按等反力布置原则，这种布置使各层支撑受力相等可简化支撑系统，同时充分利用钢板桩的抗弯性能。
　　
　　4.在条件允许的情况下，钢板桩围堰应尽量采用方形，这样方便钢板桩的插打和施工精度的控制，有利于围堰圈梁的制作。
　　
　　4.结语
　　
　　结合工程实例，详细介绍了钢板桩施工过程中不同的受力模型及钢板桩围堰的施工设计过程，提出了钢板桩围堰施工及设计的建议，值得今后的设计和施工参考。