・１００・ ｌＩＪ 材 Ｓｉｃｈｕａｎ ＢＵｌ‘ｌｄｉｎｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０１０年第５期 第３６卷总第１５７期 南疆特大桥水中墩钢板桩围堰的设计与施工 吴义为 （中铁十八局集团国际工程有限公司） 摘要：跨越深水区的桥梁水中墩基础施工是重点和 片数：（７３ ｍ一０．４ ｍ×４）／０．４ ｍ＋４＝１８２．５（片），取１８３片。 难点，文中结合南疆特大桥６５ 水中墩钢板桩围堰的施工， 根据内支撑的受力情况，本着方便施工的原则，设置５ 对钢板桩围堰的设计与施工进行了探讨。 关键词：桥梁施工；水中墩；钢板桩；围堰；设计 中图分类号：Ｕ４４３．１６ ２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（２０１０）０５—０１００—０３ １工程概况 天津港南疆港区神华煤炭码头进港铁路南疆特大桥是 为跨越海河河口段、南疆１号排污河和海防公路而设。中 心里程为右ＧＤＫ７５＋１８０．５９，桥全长３ ６３８．４０ ｍ。桥跨布 置为：（２×３２ｍ）预应力混凝土铁路简支梁＋（４８ ｉｎ＋３×６４ ｍ＋４８ ｍ）连续钢桁梁＋（１７×３２ ｍ）预应力混凝土铁路简支 梁。６４ 一６７ 水中墩结构形式为 １．２５ ｍ钻孔桩基础，顺 桥向５排，每排４根共２Ｏ根钻孔桩，属于低桩承台，圆端 型桥墩。要求海河河道全年不断航，通航宽度３５ ｍ，高度 １１ ｍ ２现场水纹与地质情况 桥址所在区域平常涨潮时最大水面标高为＋３．８ ｍ，平 均流速０．４ ｎｖ／ｓ，但水位不稳定，退潮时落差较大，平常海 河的水流速度很小。河床平均标高为一３．０ ｍ，淤泥厚度约 ５ ｍ，淤泥质粘土厚度１３．７—１５ ｍ。 ３水中墩施工方案的选定 总结我国桥梁深水基础施工各种围堰类型，双壁钢围 堰刚度大，能承受向内、向外的压力，结构稳定性好，也 能为顶部施工平台提供支撑条件，但造价太高，回收率小。 根据桥址处的地质条件，淤泥层厚，采用钢板桩围堰插打 方便、施工成本低、可重复使用，施工具有显著的环保效 果，占用河道的平面空间小，只是钢板桩围堰的刚度较小， 要加强内支撑。报请业主、监理单位同意，最终确定使用 钢板桩围堰。 ４钢板桩围堰的设计（以６５ 墩为例） 拟选用日本拉森Ⅳ型钢板桩，桩长为２２ｍ，桩顶比涨 潮时最高水位高出１ ｍ，标高为＋４．８ ｍ；钢板桩打入淤泥 质粘土内７．８ ｍ，标高为一１７．２ ｍ。考虑到立模、加固的方 便，两侧各预留工作空间２ １１＂１，钢板桩围堰的平面几何尺寸 为：顺桥向１２．５ ｎｌ＋２ ｍ×２＝１６．５ ｍ，横桥向１６ ｍ＋２ ｍ ｘ ２＝２０ ｍ；理论设计围堰平面几何尺寸为长方形，转角处采 用０．２ Ｘ０．２ ｍ的转角桩，四个角共４片。 围堰理论边长：（１６．５ ｍ＋２０ ｍ）Ｘ ２＝７３ ｍ；钢板桩总 道围囹支撑。第１道围囹支撑中心线的标高为＋３．５ｍ，兼 作导向梁，由双拼Ｉ４０ｂ工字钢组成；第２—５道围图由双拼 １５５ｅ工字钢组成；斜撑全部为双拼Ｉ４０ｂ工字钢，另外第５ 道支撑沿围堰长宽方向中部各增加２根舛２６×８ ｍｍ钢管 桩（这４根钢管最后埋在承台混凝土内），每道支撑间的竖 向间距不超过３ｍ。用３０ｃｍ厚的Ｃ２０混凝土封底。围堰及 地质剖面见图１。 图Ｉ ６５号墩围堰及地质剖面图 ５钢板桩围堰受力验算 ５．１基本资料 （１）钢板桩、工字钢、钢管桩的技术参数（见表１）。 表１ 钢板桩、工宇钢、钢管桩的技术参数 材料名称 截面积 质量 惯性矩 截面模量 （ｃｍ ） （ｋ ｍ） （ｃｍ ） （￣２１ＴＩ ） 拉森Ⅳ型钢板桩 ７７．７ ２０３７ ４０ｂ工字钢 ９４．１ ７３．８ ２２７８０ ｌ１４０ ５５ｃ工字钢 １５８ １２４ ７１４４０ ２５５１ ｑ￣４２６×８ ｍｍ钢管桩 １Ｏ５．５５ ８２．４６８ ２２９５２．２ （２）土的物理性能指标。 淤泥：重度 ＝１６．１ ｋＮ／ｍ 、粘聚力ｃ＝２．５ＫＰａ、 ＝ ４．２。； 淤泥质粘土：重度 ＝１９ ｋＮ／ｍ 、粘聚力ｃ＝１６ ｋＰａ、 ２０１０年第５期 第３６卷总第１５７期 ＩＩＪ材Ｍａ 砌 ・１０１・ ２０１０年ｌＯ月 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉ ｎ￣＝２１。。 道围囹支撑下６０ ｃｍ处，此时第１、２道支撑的受力都在变 化； ５．２钢板桩长度验算 采用等值梁法计算钢板桩的最小人土深度ｔ。，将土压 力为零处视为桩在地底下的反弯点，因单桩人土较深，可 将上端视为自由支撑，下端为固定支撑，各支撑点简化为 多跨连续梁的内力是等值的。钢板桩受力如图２所示。 十●— 上 以此类推，一直到工况五，就是第５道围图支撑安装 完成，抽水开挖到基坑底。计算中，将钢板桩视为一端固 定的连续梁，每道支撑为铰支座，用力矩分配法计算，各 工况下内支撑受力及钢板桩最大弯矩见表２。 ５．３．２支撑内力验算 围囹支撑为超静定结构，为方便计算，将围囹简化为 ＲＩ＝ ６７ｋＮ 连续梁，内支撑为抗拉压杆件，用力矩分配法计算，工字 钢支撑受力见表３。 ６．６３ｍ ３ｍ ２．２ｍ ２．３ｍ＿２．３ｍ ２．８ｍ ０．图２钢板桩受力示意图 图３钢板桩受力图 土层平均重度： ＝∑ ｈ／∑ｈ＝（１６．１ ｘ５十１９×９．２）／（５＋９．２） ：１８．０ ｋＮ／ｍ 平均内摩擦角： ＝∑ ｌ ∑ｈ＝（４．２ ｘ５＋２１×９．２）／（５十９．２）＝１５．１。 主动土压力系数： Ｋ ＝ｔ （４５。一＋／２）＝ｔＯ．（４５。一１５．１。／２）＝０．５８ 被动土压力系数： Ｋ。＝ｔｇ２（４５。＋＋／２）＝ｔ （４５。＋１５．１。／２）＝１．７１ 被动土压力修正系数ｋ取１．６５ （１）土压力为零点位置。 Ｙ＝（ 水ｈｌ＋ Ｋ ｈ２）／［ （ｋＫ 一Ｋ ）］ ＝（１０ ｘ ６．８＋１８．０×０．５８×６．４）／［１８．０×（１．６５× １．７１—０．５８）］ ＝３．３３ ｍ （２）钢板桩最小入土深度ｔ。＝ｘ Ｙ，其中ｘ根据Ｐ。和反 弯点以下部分的被动土压力与主动土压力之和对桩底端力 矩相等求得。钢板桩受力分析见图３所示。 Ｐ ＝ ｈｌ＋ ｈ２Ｋ ＝１０×６．８＋１８×６．４×０．５８ ＝１３４．８２ ｋＮ／ｍ Ｐ ＝１０１．６６ｋＮ 由Ｐ。×ｘ：（ ｋＫｐ一＾， Ｋ ｘ）ｘ ／６ 计算得ｘ＝３．１５ ｍ则ｔ０＝ｘ＋ｙ＝３．３３＋３．１５＝６．４８ ｍ 安全系数取１．１５，计算理论人土深度为ｔ＝６．４８×１．１５ ＝７．４５ｍ＜７．８ｍ（实际入土深度），入土深度满足要求。 计算理论桩长：７．４５＋１．３＋２．８＋２．３＋２．３＋２．２＋３．３ ＝２１．６５ｍ＜２２ｍ（实际桩长），经检算实际桩长满足要求。 ５．３ 内支撑受力验算 ５．３．１支撑及钢板桩在各工况下的受力分析 工况一：第１道围囹支撑安装完成，抽水至待安装第２ 道围囹支撑下６０ ｃｍ处，此时第１道围囹支撑受力最大； 工况二：第２道围囹支撑安装完成，抽水至待安装第３ 表２ 每道支撑受力及钢板桩最大弯矩 工况 支撑处受力（ｋＮ／ｍ） 钢板桩最大弯矩 类别 第１道 第２道 第３道 第４道 第５道 （ｋＮ・ｍ） 工况一 １１．８９ ２７．７６ 工况二 ６．０７ ７３．３９ ３９．４４ 工况三 ９．８３ ７１．６８ １６９．６３ ４４．３７ 工况四 ７．７８ ９３．０４ ５０．０９ ２４６．９８ ５２．３９ 工况五 ５．６７ ８１．５３ ６２．０４ ９１．２２ ２８２．７８ １５１．９２ 表３ 围囹及支撑各杆件受力 围图 长边围囹 短边围囹 斜撑 支撑 材料 抗弯 抗剪 材料 抗弯 抗剪 材料 抗压 （ＭＰａ） （ＭＰａ） （ＭＰａ） （ＭＰａ） （ＭＰａ） 第１道 ２Ｉ４Ｏｂ ７．３ １．４ ２Ｉ４Ｏｂ １Ｏ．２ １．７ ２Ｉ４Ｏｂ １２．３ 第２道 ２１４０ｂ ３０．４ ７．２ ２Ｉ４Ｏｂ ２Ｏ．８ ６．４ ２Ｉ４Ｏｂ ５Ｏ．２ 第３道 ２Ｉ４０ｂ ５６．４ １３．４ ２１４０ｂ ３８．６ １２．Ｏ ２Ｉ４Ｏｂ ８６．９ 第４道 ２Ｉ４０ｂ ９０．２ １８．７ ２Ｉ４Ｏｂ ６１．８ １７．３ ２Ｉ４０ｂ １２５．６ 第５道 ２Ｉ５５ｃ １９５．６ ３２．９ ２Ｉ５５ｃ １４２．１ ２３ 日阱２６×８ｍｍ １９６．８ 以上的受力计算中采用了一种简化的模型，实际施工 中受力比理想化的模型要复杂得多。查Ｑ２３５钢的抗弯、抗 压（拉）强度为２１５ ＭＰａ，抗剪强度为１２５ ＭＰａ，经与表３ 的计算结果比较得出各杆件的受力是满足要求的。 ５．４钢板桩强度验算 查表２可知，当第５道围囹支撑安装完，开挖到设计的 基坑底标高一９．４ ｍ时钢板桩抗弯强度最大，此时弯矩为： Ｍ ＝１５１．９２ ｋＮ・ｍ，则ｆ＝Ｍ ／Ｗ＝１５１．９２／２０３７ ＝７４．５８ＭＰ＜［ｆ］＝２００，满足强度要求。 ５．５钢板桩围堰抗管涌验算 淤泥质粘土的透水性较好，所以要进行抗管涌验算。 Ｋ＝（ｈ水＋２ｔ） 浮／（ｈ水 水） ＝（１３．２＋２×７．８）×（１９—１０）／（１３．２×１０） ＝２．０≥１．５ 满足不发生管涌的要求。 式中Ｋ一抗管涌安全系数，一般取１．５—２．Ｏ； ｔ一钢板桩人土深度，为７．８ ｍ； ｈ７ｋ一水头差，为１３．２ｍ； 浮一土的浮容重； 一水的容重。 ６钢板桩围堰的施工 ・ｌ０２・ Ｉ・』 材 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｆ ２ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０１０年第５期 第３６卷总第１５７期 ２０１０年１Ｏ月 ６．１施工准备 整好角桩方向，让其一面锁１２１与对面的钢板桩锁口尽量保 持平行。 ６．４围囹支撑的安装 ６．１．１配齐主要施工设备 钢板桩围堰施工水上用到的主要设备有２０ ｔ高架浮吊１ 台、１０ ｔ高架浮吊１台、运输船２艘、机动舟２艘、振动锤 ２台。１０ ｔ高架浮吊最大吊距为１５ ｍ，最大起吊高度为２Ｏ ｍ。２０ ｔ高架浮吊最大吊距为１８ ｍ，最大起吊高度为２６ ｍ。 当围堰合拢后要安装围囹支撑。围囹支撑的设置除了 考虑受力外，还要不妨碍施工。围囹支撑自上而下安装， 在围堰顶部以下１．３ｍ处开始安装第１道双拼４０ｂ工字钢围 运输船由８节标准舟节拼组而成，最大运量为１２０ ｔ，最大 顶推力为３ ｔ。 ６．１．２钢板桩检查与修整 囹，此道围囹兼作导向梁。按“先支撑后抽水，分层支撑分 层抽水”的原则进行，施工顺序为：设置第１道围囹一安装 第１层支撑一抽水至第２道围囹处一设置第２道围囹一安 装第２层支撑一抽水、开挖至第３道围图处。如此反复直 （１）锁口检查。将钢板桩全部运到施工现场，清除锁 口内杂物（如电焊瘤渣、废填充物等），对缺陷部位加以整修。 选一根长２ ｍ的同类型、同规格的标准钢板桩作标准件， 用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾将所有要使 用的钢板桩作锁口检查。对检查出的锁口扭曲及“死弯”进 行校正。 （２）宽度检查。对每片钢板桩分上、中、下三部分用 钢尺测量其宽度，使每片桩的宽度在同一尺寸内，每片相 邻数差值小于１ ｃｍ，以保证每片钢板桩两侧锁口平行、宽 度都在允许的误差范围内。对于肉眼能看到的局部变形要 进行加密测量，超出偏差的钢板桩尽量不用。 （３）锁口润滑防渗处理。为确保钢板桩在施工过程中 能顺利插拔，增加围堰的防渗漏性能，每片钢板桩锁口要 均匀涂抹混合油，混合油的配合比（体积比）为：黄油：干膨 润土：干锯沫＝５：５：３。 ６．２钢板桩的施打 用全站仪准确测出围堰的位置，将加工好的定位桩 （ ３０ ｍｍ钢管桩）精确垂直安设于上游中心，在定位桩上 焊接导向梁（４０ｂ工字钢），导向梁上设置一个限位架，大小 比钢板桩每边放大１ ｃｍ，在导向梁上画出每根要打人的钢 板桩的位置。施打第一片钢板桩时用经纬仪在互相垂直的 两个方向上观测，钢板桩下端系两根揽风绳，浮吊吊起钢 板桩接近垂直状态时，用揽风绳控制正反方向。施打时钢 板桩背紧靠导向梁，边施打边将吊钩缓慢下放，直到钢板 桩下沉到设计标高。其它桩以第一片钢板桩为基准，向两 边插打钢板桩。施打前要先对准锁口，控制好方向，然后 用振动锤振动下沉。施打一片或几片后将已插好的钢板桩 点焊固定于导梁上。整个施工过程中，要用锤球控制每片 桩的垂直度。每片桩的允许误差为：桩顶标高偏差±１００ ｍｍ、轴线偏差±１００ ｍｍ、垂直度偏差１％。在施打过程中 应监测偏差，超出允许范围及时用千斤顶、倒链进行调整。 开始施打时将每一片钢板桩打到设计位置，到剩下最后３— ５片时要先插后打。施打过程中遵守“插桩正直，分散即纠， 调整合拢”的施工要点。 ６．３围堰合拢 由上游分两头向下游合拢。在快合拢时，测量计算出 钢板桩底部的直线距离，算出所需钢板桩的片数，确定是 增加钢板桩或施打时向外绕圆弧。为了便于合拢，合拢处 的两片桩应一高一低。施打完的每一片桩都要沿导向梁的 法线和切线方向垂直，在角桩附近（一般离角桩４—５片）合 拢，如果距离有偏差，可调整合拢边相邻一边离导向梁的 距离。为了防止合拢处两片桩不在一个平面内，一定要调 到抽水、开挖至设计标高（包括混凝土封底）。 ６．５围堰拆除 水中墩施工完毕就可拆除钢板桩围堰。拆除顺序正好 与围堰施工顺序相反，用水泵向围堰内灌水至第５道围囹 支撑标高处，拆除第５道支撑围囹；灌水至第４道支撑围 囹标高处，拆除第４道支撑围囹，如此反复直至全部支撑 围囹拆除完。 钢板桩拔除由下游开始，对称施工至上游方向。拔桩 时先用拔桩机夹住钢板桩头部振动１～２ ｍｉｎ，使桩周围的 土松动，产生“液化”，减少土对桩的摩擦力，然后慢慢往上 振拔。拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难或拔不 上来时，应停止拔桩，先振动１—２ ｍｉｎ后再往下锤０．５— １．０ ｍ，再向上振拔，如此反复直至将桩拔出。同时观察浮 吊吃水情况，逐渐加快拔起速度。 ７围堰施工中遇到的困难及处理措施 （１）钢板桩施打过程中遇上大石块或其它不明障碍物， 打人深度不够或发生偏斜，则采用转角桩、弧形桩绕过障 碍物，或将桩上拔１．０～２．０ ｍ，再往下锤进，如此反复数 次，可使大石块等障碍物被振碎或使其发生位移； （２）钢板桩沿轴线倾斜度较大时，采用异形桩来纠正， 导形桩可根据实际倾斜度进行焊接加工； （３）由于淤泥承载力小，施工中有时发生将邻桩带人 的现象，解决的措施是把相邻的数根桩焊接在一起，同时 在施打桩的锁口上涂上黄油等润滑剂以减少阻力； （４）受各种原因的影响，围堰的侧面顺直度较差，围 囹安装后与钢板桩之间有较大的间隙。为防止围堰的变形， 将围囹与桩之间的间隙全部用型钢焊接支撑连接，围堰的 四个角要加强。 ８结束语 ６５ 水中墩钢板桩围堰的成功施工，为南疆特大桥其他 水中墩的施工提供了方案及相关参数，确保了通航要求， 更重要的是赶在汛期来临之前完成了全部水中墩施工，达 到了业主的节约工期要求。其成功经验及技术参数值得海 域特大型低桩承台施工时借鉴。 ［ＩＤ：６１５４］ 参考文献： ［１］刘玉彬，白秉三，等．结构力学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４ ［２］刘成宇．土力学［Ｍ］．北京：中国铁道出版社出版，１９９０． ［３］顾晓鲁，钱鸿缙，等．地基与基础［Ｍ］．２００３，（第３版）．
