基于填土平台工艺的钢板桩围堰施工

张东山，李向东

(中交一公局第一工程有限公司，北京 102205)

0 引言

目前水中工程施工采用的围堰形式主要有钢板桩围堰、钢套箱围堰、混凝土围堰、锁口钢管桩围堰、钢吊箱围堰等［1-3］。其中，钢板桩围堰具有防渗性能好、容易打入、强度高、可重复使用等特点，被广泛应用在市政、公路、铁路桥梁的水下承台施工中［4］。国内很多学者也对钢板桩围堰的稳定性、施工技术及工艺进行了研究和总结，如徐辉等［5］应用有限元软件对钢板桩进行了受力和稳定性验算;王玉果［6］结合唐津高速海河大桥承台施工实例，介绍了钢板桩围堰结构设计与结构验算的方法;安关峰等［7］结合工程实践提出了深水逆作法钢板桩围堰综合成套技术;邢振华等［8］介绍了双层钢板桩土芯组合围堰施工技术;徐顺平等［9］基于东湖通道围堰工程实例，对双排钢板桩围堰“前短后长”和“前长后短”2种结构形式的变形特性进行了分析和探讨，分析了软土地基双排钢板桩围堰在5种不同抽水速率下的变形及受力情况。然而，目前所有介绍钢板桩围堰的文章都是基于钢平台进行的桩基施工;本文结合工程实践，首次采用基于填土平台工艺的钢板桩围堰，大大减少施工所需钢材的用量，同时缩短钻孔桩基施工平台的搭拆时间，并可解决钢板桩插打困难和垂直度不易控制的难题。

1 工程概况

西安泾河特大桥是联系泾河新城和西安市区南北大动脉的重要交通枢纽，也是西咸高速项目的控制性工程。桥梁全长1 300 m，共9联，其中跨越泾河堤坝的第3联、第8联和主河槽范围附近的第7联均采用50 m跨径，其余采用30 m跨径。全桥等宽，单幅桥面宽20.75 m，下部结构均采用柱式墩、桩基础。大桥的31号墩位于泾河河道位置，河道宽约50 m，最大水深为 2.5 m，水面标高 369.1 m，河面水流速度较小，无通航要求。水中施工内容主要包括12根直径1.8 m的桩基、2个低桩承台及6根立柱。桩顶标高359.1 m，承台顶标高361.6 m。此处水下地质断面从上至下依次为4 m厚的中砂层、5.5 m厚的黏土层、约50 m厚的黄土层。

2 施工方案及工艺流程

根据设计要求并结合现场实际情况，31号墩下部构造及桩基础施工采用钢板桩围堰方案，施工时间节点安排在泾河枯水期。

相比常规的钢板桩围堰施工工艺［10-16］，本钢板桩围堰施工方案中增加了围堰内设填土平台施工桩基的技术工艺，具体工艺流程如图1所示。

3 钢板桩围堰设计

本项目钢板桩围堰设计轮廓尺寸为42 m×10.8 m×18 m，围堰由264块钢板桩、4道内围檩、4道内支撑、1道外围檩及对拉精轧螺纹钢构成。钢板桩采用标准拉森 SP-Ⅳ型钢板桩，内、外围檩采用2I50a双拼工字钢，内支撑采用Φ630 mm钢管，对拉钢筋采用Φ32 mm精轧螺纹钢，此钢板桩围堰的具体平面布置见图2。

图1 钢板桩围堰施工工艺流程

图2 钢板桩围堰平面示意

根据设计计算和以往的施工经验，围堰钢板桩顶标高370.6 m，底标高352.6 m。封底混凝土厚2 m，钢板桩入土深度为4.5 m，其中外围檩和对拉精轧螺纹钢为填土平台施工过程中的临时支撑，在桩基施工完成并开始挖土时拆除，围堰立面布置如图3所示。

图3 钢板桩围堰纵断面示意

由工程现场实际情况和钢板桩的设计需求可知，该围堰施工的难点是钢板桩的插打和垂直度控制。

4 钢板桩围堰结构分析

4.1 围堰计算模型的建立

本文基于MIDAS/Civil有限元软件，结合围堰内设置填土平台的施工工艺，建立其钢板桩围堰施工的计算模型。其中，钢板桩与钢护筒采用板单元模拟，围檩、支撑、对拉精轧螺纹钢采用梁单元模拟，围堰内封底混凝土采用实体单元模拟。围堰的支撑、围檩、钢板桩、对拉精轧螺纹钢、封底混凝土之间采取共节点建模，钢板桩、钢护筒的底部采取全部固结约束，建立的计算模型离散后共有21 332个节点，17 974个单元。钢板桩围堰填土平台施工和挖除回填土阶段的计算模型见图4。

4.2 围堰结构仿真分析

根据工程实际情况，此钢板桩围堰施工荷载考虑内部填土压力、施工机械压力、外部静水压力、土压力及动水压力。对于围堰的施工过程模拟而言，最为关键的工作是根据合理的施工工序分析确定最不利工况［17-20］。此围堰的结构验算可按以下6种工况进行:围堰内填土及桩基施工(工况1);挖土并安装第1、2道内围檩及支撑(工况2);挖土并安装第3道内围檩及支撑(工况3);挖土并安装第4道内围檩及支撑(工况4);挖土至设计基坑底(工况5);浇注封底混凝土(工况6)。对以上6种工况进行分析可知，工况1和工况5为2个最不利工况，在施工中要特别注意，此2种工况下钢板桩、围檩、内支撑等的变形和应力计算结果见表1。

图4 钢板桩围堰结构计算模型

表1 最不利工况计算结果

从软件分析计算结果可知，围堰在施工全过程中，各构件都处于安全状态，围堰结构的整体强度、刚度也满足要求。在挖土至设计基坑底、封底混凝土浇注前，整个围堰处于最不利受力状态，设计与施工时都需特别注意。

5 施工应用与效益分析

5.1 关键施工技术

(1)本项目在监控量测的基础上，利用履带吊和振动锤以“钓鱼法”对围堰的四角进行定位钢管桩的插打，再在钢管桩上安装牛腿，布设围堰导向框架。

(2)为了解决钢板桩插打困难和垂直度不易控制的问题，围堰施工在加设导向框架的基础上采用了钢管桩引孔和钢绞线对拉工艺。具体施工布置见图5。

(3)为了保证填土平台及桩基施工过程的安全稳定，填土前应对围堰设置一道外围檩，并穿插精轧螺纹钢对拉锚固，安装时应严格控制对拉钢筋与桩基平面的相对位置，避免影响后序桩基的正常施工。

图5 钢板桩围堰现场施工

(4)外围檩与对拉钢筋安装完后进行围檩内抽水封堵作业。抽水时要检查钢板桩、导向框架、木楔、角桩之间是否顶紧，抽水速度不宜过快，要随时监控围堰的变化情况并及时做出相应处理。采用棉絮在缝内侧堵塞，缝外侧撒大量木屑或谷糠，以控制板桩锁扣渗漏。

(5)待抽水完毕后立即将围堰底淤泥清除干净，直至露出砂土层，再利用自卸车配合挖土机向围堰内填土。填土宜采用分层填筑、分层压实的方式，以保证土平台满足桩基施工的承载需要。

(6)桩基施工完成后，第一次挖土至对拉钢筋相应位置时，应拆除外围檩和对拉钢筋，同时安装好第一道内围檩及支撑，然后继续开挖，依次逐层安装余下几道内围檩及支撑。开挖至承台底标高以下2 m位置后，使用C25混凝土浇筑2 m厚的封底层，封底完成后即可割除护筒、破除桩头，继而进行承台墩身施工。

(7)墩身施工完成后，可进行围堰拆除工作，内支撑及围檩拆除时宜由下至上逐层拆除。拆除前应先向围堰内回填土，当内部填土面至剩余支撑底0.5 m时，方可割除该层围檩和内支撑，以此循环，依次拆除所有围檩及内支撑，然后按插打的逆顺序将钢板桩逐片拔出。

5.2 施工控制要点

(1)当钢板桩长度不够时，可采用同型号钢板桩焊接接长，焊接时先对焊，再焊加固板，相邻钢板桩接长焊缝应错开，经过焊接接长或是修整过的钢板桩应做锁口并通过试验检测。

(2)导向框架安装时需采用水准仪和经纬仪控制、调整其相应位置，且高度要适宜，不可随着钢板桩打入而出现下沉或变形的现象，导向框架应紧贴定位钢管桩，尽量保持垂直向下，且不能影响钢板桩正常插打。第1片钢板桩是整个围堰的基准，沿导向框架下插时必须反复测量检查，保证位置准确、方向垂直。

(3)考虑到钢板桩锁口间缝隙较大和插打的工作原理，每插打4～5根钢板桩就应进行测量校正，将钢板桩的倾斜度控制在1%以内，否则需进行倒链纠偏，如果一次性纠偏太多易引起锁口卡死，影响后续插打，因此只能采取多次纠偏逐步减小桩身的偏移量。

(4)围堰四角采用角桩锁接，以便让整个围堰更好地闭合。通过现场实测的角度和尺寸数据，将一块钢板桩纵向切割开后，在切缝处用角钢或弯制钢板焊接形成符合现场实际的角桩。

(5)为了使围堰合龙顺利，合龙处钢板桩应一高一低。另外，合龙时经常出现开口上小下大的情况，钢板桩插入前应借助2个“走四”滑车组将合龙口向两侧拉开，直至合龙桩两侧桩顶的距离与钢板桩等宽为止，再将合龙桩插入，打到设计标高。

(6)围堰拆除时必须边填边拆，回填的高度以保证围堰内外压力基本平衡且不影响最低一层内支撑的拆除为准，待填土与河床平齐后，要边往围堰内抽水边拆除。

(7)围堰施工的整个过程中要进行实时监控，掌握钢板桩围堰的变形和受力情况，通过监控及时发现钢板桩、围檩、内支撑可能出现的异常情况，以便采取相应的加固措施。

5.3 工程效益分析

围堰内设置土平台代替钢平台所带来的效益主要体现在材料和工期2个方面。为了更加直观地说明采用土平台施工的经济效益，笔者对满足实际施工需要的2种平台进行了工程造价对比分析，填土平台与钢平台的工程造价见表2。

表2 填土平台和钢平台的工程造价

由表2可知，设填土平台的工程造价明显比钢平台低。另外，采用填土平台可以缩短工期，搭设钢平台增加的工期为40天，设填土平台增加的工期只有10 d。所以围堰内设置填土平台，不仅节约了成

本，又缩短了工期，具有良好的社会和经济效益。

6 结语

(1)通过MIDAS/Civil软件对钢板桩围堰进行仿真分析，结果表明，围堰整体结构的强度、刚度、安全性均满足要求，围堰内设填土平台的施工工法安全可靠，对于构件变形和应力较大的位置，应在施工中重点控制。

(2)泾河特大桥31号墩成功采用本方案施工，证明了围堰内设置填土平台的做法可行。相比搭设钢平台而言，本方案大大缩短了工期，节约了成本，取得较好的社会和经济效益。

(3)钢板桩围堰施工采用钢管桩引孔及钢绞线对拉工艺，成功解决了钢板桩插打困难和垂直度不易控制的难题，保证了围堰施工的进度和质量。

参考文献:

［1］ 李迎九.钢板桩围堰施工技术［J］.桥梁建设，2011(2):76-79.

［2］ 陈开桥.钢板桩围堰在滠水特大桥施工中的应用［J］.施工技术，2009(S2):239-242.

［3］ 胡风明，蔺鑫磊，李 响，等.乐清湾滩涂区淤泥地质埋置式承台钢套箱施工技术［J］.公路，2016(8):66-70.

［4］ 张良荣.穗莞深城际轨道东江北特大桥76号墩钢板桩围堰施工技术［J］.公路，2016(7):133-136.

［5］ 徐 辉，李吉勇.深水单层钢板桩围堰设计与分析［J］.施工技术，2013，42(17):78-80.

［6］ 王玉果.海河特大桥钢板桩围堰设计与验算［J］.公路，2013(9):95-101.

［7］ 安关峰，刘添俊，张洪彬.深水逆作法钢板桩围堰设计与施工［J］.施工技术，2014，43(19):57-60.

［8］ 邢振华，沈王铁，周斌科.深厚淤泥条件下超长围堰施工技术［J］.施工技术，2016，45(17):114-117.

［9］ 徐顺平，戴小松，张安政，等.软土地基双排钢板桩围堰稳定性分析及应用［J］.施工技术，2017，46(1):13-17.

［10］ 蒋红星，潘江波，叶以挺.新型锁口钢板桩围堰在之江大桥施工中的应用［J］.混凝土与水泥制品，2011(8):68-71.

［11］ 张 玥，杨 敏，徐 宏.马鞍山长江公路大桥基坑开挖支护施工方案研究［J］.筑路机械与施工机械化，2012，29(5):34-38.

［12］ 刘永明，任文峰，李 苗.杭州九堡大桥承台施工工艺及技术控制［J］.筑路机械与施工机械化，2014，31(2):71-73.

［13］ 郭若杨.水利工程中钢板桩围堰施工工艺［J］.科技创新与应用，2014(16):180.

［14］ 李国锋.倒序安装围囹工艺在24 m深水钢板桩施工中的应用［J］.铁道建筑技术，2015(5):49-51.

［15］ 李明莉.钢板桩围堰施工工艺浅析［J］.甘肃科技，2015，31(15):113-114.

［16］ 张 骏.桥梁深水基础钢板桩围堰受力分析与应用［J］.桥梁建设，2012，42(5):74-81.

［17］ 皇甫海军，梁雪莲.海河特大桥钢板桩围堰施工监测［J］.公路，2013(9):84-90.

［18］ 潘 泓，王加利，曹 洪，等.钢板桩围堰在不同施工工序下的变形及内力特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32(11):2316-2324.

［19］ 杜 闯，丁红岩，张浦阳，等.钢板桩围堰有限元分析［J］.岩土工程学报，2014，36(S2):159-164.

［20］ 林胜德.浅谈钢板桩围堰施工工艺［J］.黑龙江科技信息，2007(23):279.