岩石力学与工程学报 V ol.28 No.11

2009年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2009

收稿日期：2009–07–01；修回日期：2009–10–13

作者简介：潘 泓(1967–)，男，1996年于浙江大学岩土工程专业获博士学位，现任教授，主要从事岩土力学方面的教学与研究工作。E-mail ：hapn@scut.edu.cn

广州猎德大桥钢板桩围堰的设计与监测

潘 泓1，曹 洪1，尹一鸣2

(1. 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 5100；2. 中航勘察设计研究院，北京 100098)

摘要：广州猎德大桥水中桥墩的支护方案采用钢板桩+钢支撑的支护体系，设计中采用钢管桩对钢板桩底部护脚的方法，解决钢板桩围堰可能由于嵌固深度不够而发生桩底位移过大的失稳破坏的问题，使工程顺利实施，为钢板桩在类似地质条件下的应用提供经验。施工监测中为监测钢板桩桩底位移过大(踢脚)的情况，采用监测对撑两端钢板桩相对位移变化的方法来预测踢脚情况。设计和监测方法均取得较好的效果。 关键词：水利工程；钢板桩围堰；嵌固深度；桩底位移；底部护脚；监测

中图分类号：TV 61 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)11–2242–07

DESIGN AND MONITORING OF STEEL SHEET PILE COFFERDAMS OF

LIEDE BRIDGE IN GUANGZHOU

PAN Hong 1，CAO Hong 1，YIN Yiming 2

(1. State Key Laboratory of Subtropical Building Science ，South China University of Technology ，Guangzhou ，Guangdong

5100，China ；2. AVIC Institute of Geotechnical Engineering ，Beijing 100098，China )

Abstract ：The cofferdams of Liede bridge pier are retained by steel sheet pile and steel struts structure. Steel pipe piles are used to support the bottom of steel sheet pile to avoid excessive bottom displacement and cofferdams unstability due to less embedment length of steel sheet pile cofferdams. The method to ensure safety of cofferdams not only assists the achieving of the project successfully ，but also offers the experience for the application of steel sheet pile on the similar geologic conditions. To find out excessive displacement of bottom of cofferdams ，relative displacement of steel sheet piles locating two ends of steel struts is monitored. Technique of design and monitoring is effective.

Key words ：hydraulic project ；steel sheet pile cofferdam ；embedment length ；displacement of pile bottom ；support of bottom of steel sheet pile ；monitoring

1 引 言

广州市猎德大桥位于广州市天河区猎德村南，海心沙东，北起临江大道东，横跨珠江，南连磨碟沙，将天河珠江新城和海珠赤岗连成一片。大桥近南北走向，全长为742 m ，采用自锚式悬索桥方案。

江有5个桥墩(见图1)。其中7#墩为主墩，由24根桩及承台构成，承台尺寸为16.50 m ×.25 m ×8.00 m(顺桥向×横桥向×承台高)，承台下混凝土垫

层厚为0.5 m ，垫层底面高程为－5.575 m(广州市政高程，下同)。桥墩所在处河底面高程约为1.0 m(见图2)，江水位受潮汐影响，水深为4.0～5.8 m ，挖土深度为6～7 m ，总深度在最高潮位时为12.4 m 。

第28卷 第11期 潘 泓，等. 广州猎德大桥钢板桩围堰的设计与监测 • 2243 •

图1 猎德大桥桥墩位置示意图 Fig.1 Location of Liede bridge piers

为保证承台开挖施工和浇筑混凝土，必须修筑围堰。通常可用单壁钢板桩围堰、双壁钢板桩围堰、钢吊箱、土石围堰等方法。根据地质情况、现场环境及工期要求，通过比较，考虑到造价和施工条件等因素，选择了单壁钢板桩+钢支撑形式的施工围堰。 5#

，6#

，8#

和9#

墩为副墩，其平面尺寸及开挖深度均较7#墩小。以下主要介绍7#墩的钢板桩围堰设计和监测情况。

2 工程概况

2.1 水文环境条件

施工场地位于珠江江中，江水位受潮汐影响每日约2次涨潮。5 a 一遇水位为6.8 m ，低潮水位常在5 m 以下。水流特点是低潮位时流速较大，高潮位时流速很小，有时甚至有较小的逆向流动。分析计算时按最不利条件：水位为6.8 m ，流速为0进行。

根据水位观测数据，江水位在一天的大部分时间低于5.5 m ，该高程可作为抽水前的施工作业面

控制值。

2.2 工程场地的地质情况

根据勘察报告和地形测量，7#墩河床高程为0.53～2.22 m ，基岩顶层高程为－3.71～－12.46 m 。钻孔资料揭示7#墩场地分布土层主要为：海陆交互

相沉积层(mc 4Q )、

残积亚黏土层(Q el )、上白垩统基岩(K 2)。

场地地层自上而下分布为：淤泥、淤泥质亚黏土、亚黏土、淤泥质粉砂、中砂、亚砂土、硬塑状残积亚黏土、强风化泥质粉砂岩。图2所示为7#墩承台北侧的一个地质剖面。5#，6#，8#和9#墩场地的地质情况与7#墩类似。 2.3 本工程钢板桩围堰存在的问题

钢板桩用于河床上围堰施工已是成熟技术，对于钢板桩的受力性能已有不少研究[1，2]

，一般工程

中要求钢板桩有一定嵌入深度[3

～6]

，但对于猎德大

桥场地，岩层埋藏较浅(见图2)，强风化泥质粉砂岩的顶面一般仅比垫层底面低1～4 m ，局部已接近垫层底面。由于钢板桩不易打入强风化岩层，部分地段钢板桩可能因嵌固深度不够而使其桩底位移过大，发生“踢脚”破坏。

针对这一问题，必须在结构工艺方面采取措施避免“踢脚”破坏，在监测方面找到可行的方法尽早发现“踢脚”破坏的迹象以保证安全。为此也必须在分析计算方法方面做出相应改进。

另外，由于本工程围堰尺寸很大，开挖较深，围堰内外压力大，且嵌固深度不够，按常规设计，支撑会很密，对工程施工带来很大的不便，如何在保证围堰安全的前提下，优化支撑体系，提供较好施工条件，也是围堰设计中需要考虑的重要问题。

图2 7#墩地质剖面图(单位：m)

Fig.2 Geological profile of pier No.7(unit ：m)

猎

德村

－ 5.6

－

• 2244 • 岩石力学与工程学报 2009年

3 钢板桩围堰设计

3.1 围堰体系的结构

施工场地位于珠江江中，需考虑江水位涨落、水流冲击、施工及航运船只对围堰体系的撞击等不利因素的影响，同时施工期跨越珠江的汛期，考虑留有一定超高，确定围堰顶高程不低于8 m 。围堰内第一层支撑是开始抽水的必备条件，需要在水面以上安装，但从多支撑受力特性方面考虑，高程越低越有效，因此按大部分时间露出水面为准，选择高程为5.8 m 。

为防止因嵌固深度不足引起的破坏(踢脚)，有3种可用方法：(1) 将围堰扩大，内部放坡；(2) 增加支撑层数；(3) 加固钢板桩底。

比较3种方法，由于围堰本身已经很大，按方法(1)会导致支撑体系增大造价增加，另外由于5个桥墩同时施工，对渡汛和行船会有影响；按方法(2)则在开挖到接近坑底时支撑层数大增，后续浇筑混凝土时换撑过程复杂；方法(3)加固钢板桩底原则上是可行的，但单纯用它不足以解决问题。

经过反复的研究论证，结合3种方法的长处，确定了对7#墩钢板桩围堰结构体系：(1) 钢板桩墙轴线定在距承台边3 m 处(见图3)，可提供一定的放坡空间，也有利于加固钢板桩底。钢板桩型号为

FSP-IV ，桩长为18 m ，以振打到岩面或达到－10 m 高程为准，围堰尺寸为70.67 m ×22.50 m(长×宽)；(2) 布置6层钢支撑(见表1)，上面4层的层间距为2 m ，下2层加密到1.8和1.6 m ；(3) 在岩面高程高于－

7.0 m 的地段内紧贴钢板桩钻孔设置长9 m 的钢管桩护脚[7](见图4)。

钢板桩围堰稳定的关键是支撑体系，考虑水位涨落、施工船只停靠挤压等不利因素，一般需要较大安全储备。另外，为了便于施工，支撑不能过密。因此本工程采用较强的围檩(腰梁)和强而疏的支撑。图3为7#墩钢板桩围堰平面布置图。围檩和支撑按各层受力不同分别采用：第1层围檩用2[36a 组合梁，支撑用φ 530 mm ×8 mm 钢管；第2，3，6层围檩用2[56a 组合梁，支撑用φ 800 mm ×10 mm 钢管；第4，5层围檩用2根I56a 工字钢与2条宽为580 mm ，厚为14 mm 的钢板组成组合箱梁，支撑用φ 800 mm ×12 mm 钢管。

护脚的钢管桩直径为128 mm 、壁厚为5 mm 、长度为9 m ，采用钻机钻孔，注浆成桩(见图4)。其他4个墩情况类似，但随挖深减少，其围堰尺寸扩大量、钢板桩长以及钢管桩布置量均相应减少。 3.2 设计计算方法

计算以陆培炎[8]的研究为基础，以加虚拟拉力的全量方法模拟施工中加支撑的过程。土弹簧的刚

度由土的参数E ，

μ确定；荷载包括主动土压力和水压力，嵌固部分土按被动土压力作为土弹簧力的上限。

施工中若某个支撑设置前其支撑点已发生位移

图3 7#

墩钢板桩围堰平面布置图(单位：mm)

Fig.3 Layout plan of steel sheet pile cofferdam of pier No.7(unit ：mm)

7–9测斜孔

7–8测斜孔

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表1 7#

墩钢板桩围堰内支撑高程

Table 1 Elevation of supports of steel struts of steel sheet pile

cofferdam No.7 m

支撑层数

高程/m

1 +5.8

2 +3.8

3 +1.8

4 －0.2

5 －2.0 6

－3.6

图4 钢管桩护脚结构及计算示意图[7]

Fig.4 Structure and calculation model of steel pipe piles [7]

s 0，设置支撑后继续开挖后的位移达到s ，支撑刚度为k ，则支撑轴力为F

=

k (s －s 0)，将ks 0以虚拟拉力

加在支撑点，用全量方法计算可得ks ，进而算出s 与F 。

钢板桩墙的刚度在施工中是一个变化的值，计算时须作一定的折减。根据多个工程的实测资料反算，设计计算时取钢板桩铭牌值的50%作为桩墙刚度的设计值较为合理[9]

。

有钢管桩加固的钢板桩墙计算时将两者分别考虑：对于钢管桩，它受到一个由钢板桩底施加的水平集中力作用；对于钢板桩，其底部的钢管桩视为一个变刚度的弹簧(见图4)。

首先计算钢管桩的水平刚度：对钢管桩在岩面以上10 cm 处施加不同大小的集中力F 1，F 2，可计算出相应的位移s 1，s 2，由此可以算出在相应位移区域的弹簧刚度。将该弹簧加在钢板桩底10 cm 处，与其他荷载和土弹簧一道计算，得到的该弹簧的力和位移值并与钢管桩计算刚度时的力和位移范围比较，若在范围内，则将该力作用在钢管桩上，计算相应的位移。若钢管桩的位移与钢板桩协调，则计算完成，否则须作迭代调整。

加在钢板桩上的弹簧，一般可用一层特殊土层代替，其变形模量与钢管桩的刚度对应，需迭代决定，其c ，ϕ值取大值(不发生破坏)。

3.3 围堰设计施工工序

首先设置钢板桩导向架，插打钢板桩，安装第一层围檩及支撑(避开高潮位)。然后试抽水并对河床以上水中桩缝进行塞堵。

从第2～6层，依次抽水或开挖到待安装支撑标

高以下0.5 m 处，安装围檩及支撑。从第5层开始

逐步缩小开挖面形成放坡。分区开挖到垫层底面，浇注混凝土垫层，最终形成完整平底施工面。承台分4层浇筑，每浇筑完一层，在周边回填砂后拆除一层支撑。最后2层支撑在浇筑桥墩上部时视需要拆除或换撑。

3.4 7#墩围堰的计算结果

设计计算时选用场地中地质条件较差的几个钻孔资料进行计算。施工工序分为向下抽水开挖的6

步以及浇注拆撑的5步。最危险工况是开挖到底的时候。图5显示一个典型断面(7–2测斜孔)抽水开挖的6步中钢板桩的弯矩及位移计算结果。

图5 7#墩各工况下钢板桩的计算结果 Fig.5 Calculation result of steel sheet pile of pier No.7

由图5可见，钢板桩最大弯矩约为345 kN ·m ，最大弯矩出现的位置随开挖深度增大而下移，并且出现反向变化。位移的最大处也是下移，最大值约为100 mm

。从曲线特征看，当开挖较深时，钢板桩下部表现类似简支梁受分布荷载作用。

7#墩各层支撑的轴力计算结果见表2。最大轴力出现在4，5层支撑。对每一层支撑本身，最大轴力出现在安装后第一级开挖时。

－高程/m

钢管桩

围堰内

围堰外

钢板桩墙

表2 7#墩各工况下支撑轴力计算结果汇总Table 2 Calculation result of axial force of pier No.7

under different conditions

工况各层对撑的轴力/kN 支撑层数抽水或开挖深度/m 1层2层3层4层5层6层

1 3.3 972

1，2 1.3 582 971

1～3－0.7 441 8 1 398

1～4 －2.5 468 382 9822 390

1～5 －4.1 490 358 7222 0512 263

1～6 －5.6 494 363 61 8832 2851 249

支撑体系需要有足够大的安全系数，以备各种不确定因素的作用，依工程经验，支撑的安全系数可取为2。按前述支撑布置，各层支撑的设计值为：第1层2 262 kN；第2，3，6层4 797 kN；第4，5层5 742 kN。与表2对比，可满足安全系数＞2的要求。

4 钢板桩围堰施工监测

4.1 监测方法及测点布置

对本工程，最需要把握的是钢支撑的轴力、钢板桩的变形、钢板桩底的位移等3项内容。

支撑轴力监测采用自制的大标距应变计进行，其结构式：用与支撑相同材料的钢杆(长约1 m)，一端焊接固定在支撑表面，另一端托在一个焊接在支撑表面的参考支架上，可自由滑动。只需测量钢杆自由端与参考支架的相对距离变化，即可换算出支撑由于轴力引起的应变。与此同时，由于温度变化引起的应变数值将自动抵消。该方法简单、价廉，很适合围堰的恶劣环境。测间距由人工用卡尺读数，精度不高，误差约为10%。但对工程来说还是可以接受的。

钢板桩的变形用测斜仪测定。将φ 75 mm钢管焊在钢板桩凹槽内，随钢板桩一同振入。将测斜管插入钢管并用细砂填充固定。测斜仪可测得水平位移，但对钢板桩的安全性判别意义不大，这是由于围堰对位移有很大的容许量(可达100～300 mm)。有意义的是弯曲变形，可以利用测斜数据通过数值微分求得曲率，这是判断钢板桩是否达到塑性变形的可靠判据[10～12]，也可用它与计算结果中的弯矩进行比较，间接获得钢板桩墙的组合刚度变化信息。

钢板桩底的位移是判别踢脚破坏的关键信息。由于钢板桩上部位移很大，不可能采用通常陆上基坑由桩顶向下计算测斜数据的方法。因此改利用支撑的刚性，将测斜管布置在有对撑的部位，仍以测斜管底为起点计算位移。由于支撑刚度很大，相对于测斜数据可认为是不变长度，如果桩底发生向堰内移动，从对应2条测斜管测得支撑点位移会出现相对远离现象，这个相对位移值就可作为是否踢脚的判据曲线。本围堰有6层支撑，可利用上面4层进行监测并相互校对。

图3中显示了7#墩测点实际布置情况。7#墩共有10个测斜孔，其中有2对可作为钢板桩底的位移判别；共有36个应变计，每层选一个角撑和一个对撑，对撑为圆管，左右各装一支，角撑为组合工字钢，需要4支。其他各墩也相应作了监测布置，数量相对少些。

监测从第一层支撑完成时开始，至承台浇注施工后结束，历时约6个月。

4.2 施工情况及监测成果

各桥墩围堰于2005年4月开始插打钢板桩，2005年12月份拔出钢板桩。

4.2.1 支撑的监测

支撑轴力监测是在每层支撑安装后立刻开始，测试数据基本与计算预测的规律相符，各层支撑的轴力均表现出开始大，安装下一层支撑后逐渐减小的特点。限于篇幅，表3仅列出实测轴力最大值与计算值进行比较。

表3 支撑轴力计算值与监测值比较

Table 3 Comparison of calculation and monitoring of the maximum axial force

支撑层号实测轴力最大值/kN 计算轴力最大值/kN

1 949 972

2 82

3 971

3 1 257 1 398

4 1 169 2 390

5 2 321 2 285

6 583 1 249

表中可见，上面3层支撑的轴力与计算值吻合，下面3层有一定差异。这也是合理的，因为上面3层基本位于河床以上的水中，荷载明确。下面3层与实际开挖情况有关，也与计算模式和假定的合理性有关。实际开挖到底层时分块开挖比较浅，垫层减薄，放坡也做得较好。总体来看，计算结果还是满意的。

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4.2.2 钢板桩位移监测

图6(a)，(b)分别为位于支撑两端一对测斜管

7–2和7–8(见图3)的位移测值曲线以及计算出来的曲率曲线(由于曲率计算需要计算点两端多个点的数据，刚板桩两端附近的曲率不能提供)。

(a)

7–2测斜管

(b)

7–8测斜管

图6 钢板桩监测结果汇总

Fig.6 Monitoring results of steel sheet piles

7–2测斜管处岩面浅(－5.5 m)，有钢管桩护脚。7–8测斜管处岩面深(约为－9 m)，钢板桩嵌固深度大，未加钢管桩。

通过比较6(a)和6(b)可明显看出差异：

(1) 两者下半部分的位移曲线不同，7–8测斜管表现为有一定嵌固深度的正常形态，有反弯点，而7–2测斜管不存在反弯，显出类似于简支端的性质，说明其依赖钢管桩护脚才能稳定。

(2) 两者上半部也不同，7–2测斜管在后退而7–8测斜管在向前。这主要是由于支撑连接两边，位移协调所致。这是钢板桩围堰的常见现象。

(3) 曲率图也可看出差异。7–8测斜管下半部有着正常的反向曲率，表示嵌固土体在起主要稳定作用。7–2测斜管下半部分开始有曲率反向，随着开挖加深而转为没有反向，与图5所示计算预测情况相合。

综合可见，岩面较浅，嵌固不足，依赖钢管桩护脚的现象明显出现。

4.2.3 钢板桩底位移的判断

图7为利用7–2和7–8测斜管计算的在各支撑点高程的相对位移。以第3层支撑安装后为基准。由图7可见，在开挖到第4层支撑以下0.5 m ，开始安装支撑时，相对位移约有10 mm ，而进一步开挖到第五层支撑以下0.5 m 并开始安装支撑时则相对位移增大到约20 mm 。对照图6(a)，应该判断

7–2测斜管所处部位钢板桩底发生了移动。在此之后，相对位移趋于稳定，图7中未给出。

图7 7–2与7–8测斜管处钢板桩相对位移增量(2005年) Fig.7 Increment of relative displacement of steel sheet piles at

gradient pipes 7–2 and 7–8(in 2005)

钢管桩护脚要发生一定的位移方可提供抗力，因此在此期间桩底相对位移量有一定的增加，同时

刚板桩底部的抗力由围堰内土体逐步向钢管桩护脚提供的转化。当刚板桩底部的抗力基本由钢管桩护脚提供时，就达到了新的平衡，桩底相对位移量重新趋于稳定。说明采用钢管桩护脚的方法发挥了重要作用。

如果相对位移量不稳定，继续发展，则应考虑发生踢脚破坏的可能，需要报警并作必要的处置了。

5 结 论

(1) 猎德大桥桥墩钢板桩围堰工程已成功实施，设计计算结果与工程实施情况吻合较好，保障了工程的顺利完成。

－

高程/m

－1)－

高程/m

－m －

1)高程/m

－－－2

6

4

8

1

5

9

3

7

日期/月日

相对位移增量/m m

层支撑处

4层支撑处

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(2) 猎德大桥钢板桩围堰场地局部岩层埋藏较浅，钢板桩不能打入岩层，可能会发生踢脚破坏，设计采用钢管桩护脚的方案，较好地解决了这个问题，使工程能够顺利实施，也为钢板桩围堰在类似地质条件下使用提供了成功的案例。

(3) 工程施工过程中，对钢板桩的变形和支撑的轴力进行了监测，施工后期又采用测试围堰内同一对撑两端对称的钢板桩相对位移变化量来监测桩底位移的方法判断是否发生踢脚破坏，保证了工程的安全，也为钢板桩围堰的监测拓展了新的思路；整个监测值变化过程与工程设计值较为吻合。

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