中铁十五局四公司

 杜万强

摘  要:结合凫洲大桥浅水区承台施工，介绍了钢板桩围堰的设计与施工，总结了钢板桩围堰在海工领域内施工应注意的主要问题。对今后同类桥梁施工具有一定的参考意义。

关键词:凫洲大桥;承台;钢板桩;围堰

1 工程概况

凫洲大桥位于南沙经济技术开发区，南北向跨越凫洲水道，是连接南沙环岛西路与龙穴岛港区龙穴大道的城市主干道，远期衔接虎门高速公路。起点里程K0+000，接现在处于施工中的环岛西路，终点里程K2+079，路线总长2.079Km。桥梁总长1394米，设计为双幅墩，均为钻孔桩基础、圆形承台、花瓶式矩形桥墩。

桥位处最高潮水位6.0m,最低潮水位3.8m,最大水流速度V=1.50m/s,河床标高为-1.5m。水中承台施工受潮汐、风力等自然条件因素影响较大，工期要求紧迫。根据所提供的地质勘察和水文资料，对多种方案进行比选，最终承台围堰施工方案选用钢板桩围堰。

2 承台围堰的施工组织设计

凫洲水道地处珠江口，风大、浪高、潮差大、流速急，给施工带来了很大难度，考虑凫洲大桥施工工期的紧迫性、结合钢平台的周转时间以及降低工程造价等因素，根据地质、水文资料，采用钢板桩围堰施工承台。

钢板桩围堰施工时，先在墩位钢护筒上焊钢牛腿，安装定位围囹，然后再打入钢板桩，合拢后堵漏，吹填砂至垫层砼底标高，抽水，破桩头，施工垫层砼，达到规定强度后进行承台施工。

钢板桩围堰施工流程如下：

测量施工放样    安装内支撑及围囹    第一根定位桩插打    钢板桩分组插打    钢板桩合拢插打    止水、吹填砂、抽水    割除上部周转钢护筒、凿桩头     垫层砼施工    承台施工    拆除围囹、拔除钢板桩。

3 钢板桩围堰施工技术

1) 钢板桩选型。结合现有的震动打桩锤，根据《钢板桩围堰受力计算书》选用拉森Ⅳ型钢板桩，长度为标准长度的12m。

2) 定位支撑、围囹制作安装。定位内支撑、围囹的加工制作安装，对钢板桩围堰的垂直插打及整体稳定起重要作用，必须准确稳固。围囹等分为2节，加工厂加工制作，运至施工现场拼接安装。围囹尺寸制作及现场拼接允许偏差均不大于10mm，施工误差不能累加；围囹安装时竖向要求必须同心，平面必须水平，其中心及水平安装允许偏差不大于10mm。

3) 钢板桩下沉。第一根定位钢板桩插打时，必须将钢板桩位置固定垂直后再进行插打。在插打过程中，及时认真地检查其垂直度。第一根定位钢板桩插打合格后，在围囹上焊钢短梁将定位钢板桩一侧卡牢，再在另一侧插打钢板桩，在施工中要求钢板桩插打垂直，分散偏差，有偏即纠，调整合拢。

钢板桩插打前在锁口内涂黄油、填塞锯末等混合物用来止水；组拼钢板桩时，用油灰和棉花捻缝，以防漏水。插打时在桩头处加焊钢板，以保护钢板桩头。围堰合拢后，经常观测围堰四周的冲刷状况，采取安装分水板及堆码砂袋的措施来减少潮水对围堰外测的冲刷，确保围堰施工的安全。

4) 吹填砂垫层。承台底标高为3.0m，而河床底标高为-1.5m。考虑到南沙地区的砂源广，吹填砂施工简单方便，因此在围堰内吹填一层砂垫层，厚度4m，砂垫层顶标高2.5m。吹填砂施工时，边分层填砂边抽水，缓慢均匀加载，既可提高砂垫层的密实度也确保地基的稳定性。

5) 浇筑垫层混凝土。垫层采用C25混凝土，厚度0.5m。利用在低潮位时，按陆上干封法完成垫层混凝土施工。并在钢板桩围堰四角设置集水井，抽排钢板桩间缝的漏水。垫层混凝土掺入早强剂，提高混凝土早期强度，以尽早抵抗涨潮时水压力。

6) 拆除钢板桩定位支撑、拆除钢板桩。在垫层混凝土达到设计强度的70%时可以按陆地上的方法施工承台。承台混凝土浇筑完成后24小时，拆除承台模板，对承台施工时的拉杆孔进行处理后，拆除钢板桩围堰。拆除钢板桩自合拢口处开始依次进行拔桩。并在拆除钢板桩前振打钢板桩，使其与封底混凝土分开，再将钢板桩拔出。

4 钢板桩围堰检算

钢板桩主要承受水压力（静水压力与动水压力）及土压力（外侧为主动土压力，内侧为被动土压力），为简化且偏于安全计算,只考虑淤泥质亚粘土层(不透水层)土压力，土压力按朗金理论计算。

于围堰顶部6.0m标高(即最高水位处)设一道内支撑,承台底部铺筑50cm厚C25混凝土垫层,垫层底面标高即吹填砂顶面标高为2.5m。围堰内抽水填砂标高2.50m时且在最高潮水位6.0m时，钢板桩为最不利受力工况。

1) 静水压力计算。静水压力Pj=γH=10H(KN/m)=75kPa(河床处)。

2) 流水压力计算。作用在围堰的动水压力为水流动时对围堰产生的流水压力，根据桥梁规范其计算公式为

                                               (1)

式中

k——形状系数，槽型钢板桩围堰取18～20，本例取20

H——水深（m）,取最高水位计算即6.0+1.5=7.5m

B——宽度(m)，取1.0为单元计算

γ——水的容重，取10.0kN/m3

V——流速，1.5m/s   

g ——重力加速度，9.81m/s2

将各量值代入式(1)，计算得流水压力为：Pd = 172kN。作用点在水面下1/3处。

3) 土压力计算。根据朗金理论，钢板桩外侧的主动土压力和内侧的被动土压力的计算公式

               （2）

               （3）

式中，q为地面均载，当为透水土时，取0；γ为土的容重，应注意水中土的容重变化；z为土的深度；φ为土的内摩擦角；c为土体的内聚力。

在计算时偏于安全，主动土压力不考虑土的内聚力的影响，即取c=0，利用式(2)和式(3)可计算出不同土深的土压力的分布。

4）钢板桩入土深度计算

按浅埋法计算钢板桩入土深度t，即钢板桩外侧主动压力（主动土压力和动、静水压力的合力）与内侧被动压力（吹填砂层和土层的被动土压力的合力）对内支撑点A的力矩平衡来确定钢板桩入土深度。被动压力计算时按1.25安全系数考虑。钢板桩受力分析见图1。

由Mp(A)/1.25=Ma(A)解得:钢板桩最小入土深度为h=2.4m。

式中：Ma(A)为主动压力对A点的力矩，Mp(A)为被动压力对A点的力矩

钢板桩入土深度取最小入土深度1.5倍，即t=1.5h=3.6m，取4m。

因此钢板桩长度为6.5-(-1.5-4)=12m(标准件)。

5) 钢板桩桩身计算。将钢板桩作为在顶撑和地基上的简支梁来计算其弯矩。对于在地基中的支点的位置在混凝土强度达到规定的要求后，可取垫层混凝土的顶面。把静水压力，流水压力分别施加。可得钢板桩上的最大弯矩为101KN.m(每米钢板桩)，最大剪力为136KN。钢板桩是安全的。

5 围堰内地基承载力检算

河床底的地层为淤泥质亚粘土，其地基容许承载力[δ]=50 KPa。

主墩承台共分三层浇筑，底层、第二层及顶层厚度分别为1.5m、1.25m及1.25m，设计要求”每浇一层间隔时间7～12天，同时下层混凝土应达到80%强度才能浇筑上层混凝土”。

因此地基承载力验算，如果底层混凝土能承重第二层混凝土，则地基承载力可只考虑底层混凝土的施工荷载。

1) 计算底层混凝土强度达到80%设计强度即强度为28MPa的承载力,容许抗拉应力[σ]=1.23MPa（按C25取值）。因为主墩承台为群桩，底层混凝土为双向板，但为简化计算（且偏于安全），按桩的最大间距5.6m单向简支板计算，取板宽1m。

最不利荷载组合为第二层混凝土重量+底板自重+振捣荷载

q=24×1.25(第二层混凝土重量)+26×1.5(底板自重)+2.0(振捣荷载)=71kPa/m

则最大弯矩Mmax=1/8×71×5.62=278.32kN·m

不考虑底层钢筋的作用,以混凝土作为受力截面,其最大拉应力为

σl=M/(bh2/6)=6×278.32/(1×1.52)=742.2kPa=0.74MPa＜[σ]=1.2MPa,故安全，底层混凝土不会出现裂缝。

2) 验算基底承载力，基底荷载为δ=1.5×24+2=38kPa＜[δ]=50kPa。故基底承载力完全满足要求(尚未考虑4.2m砂垫层的应力扩散作用)。

施工时,基底填砂应边分层填砂边抽水,缓慢均匀加载,既可提高砂垫层的密实度也确保地基的稳定性。

6 钢板桩围堰施工注意事项

1) 施工过程中水位的变化对围堰结构受力影响十分巨大，因此施工过程中应密切注意水位和潮水位的变化，当超过规定的数值时，应及时向围堰内补水，保持水头高差不超过设计值。

2) 插打钢板桩时必须备有可靠的导向设备，以保证钢板桩的垂直沉入。一般先将全部钢板桩逐根或逐组插打到稳定深度，然后依次打入至设计深度。插打的顺序一般自上游分两头插向下游合拢。插打前在锁口内涂以黄油、锯末等混合物，组拼桩时，用袖灰和棉花捻缝，以防漏水。

3) 在施工过程中，密切观察冲涮深度，及时在围堰外侧堆码砂袋，防止冲涮；另外在潮水流动方向设分水板减少水流冲击力，确保在施工过程中钢板桩围堰的稳定和安全。

4) 钢板桩项达到设计标高时的平面位置偏差，在水上打桩时不得大于20 cm，在陆地打桩时不得大于10 cm。在插打过程中，应随时检查其平面位置是否正确，桩身是否垂直，发现倾斜应立即纠正或拨起重插。每次插打完10片后，用短钢筋头将钢板桩点焊固定于内支撑上，得围堰合拢。

5) 为便于拔除钢板桩，浇筑封底砼时，在钢板桩上涂刷沥青漆隔离层或用毛毡把混凝土与钢板桩隔开。沥青漆隔离层在钢板桩插打前或垫层混凝土浇筑前涂刷。

6) 钢板桩拔除前向围堰内灌水，使堰内水位高于围堰外水位1.0～1.5 m。拔桩时从下游开始拔除钢板桩，拔钢板桩时先开振动锤，振动至钢板桩松动后再拔出钢板桩。

7）围令与钢板桩之间、与横（斜）支撑之间均为焊接，确保焊接质量；且钢板与围令之间的凹口用木楔塞紧；凸板如有变形与围令工字钢间有间隙则应补焊钢板（或型钢）；特别应重视围堰四角的加固焊接不得有松动；钢板桩合拢后应迅速安装内支撑系统。

8）大型钢板桩围堰插打过程中，控制好每片桩的位置和垂直度。围堰合拢位置应选在河床较低处，钢板桩露出河床愈多，受土压力影响愈小。钢板桩插打将至合拢时，应精确丈量尺寸，严格控制合拢面钢板桩的位置。

7 结束语

钢板桩围堰在凫洲大桥水中承台施工中得到成功的应用，实践证明效果良好，加快了施工进度，节约了成本。钢板桩围堰使用棉絮在外侧塞缝堵漏后，围堰内基本无水状态，完全按照陆地承台施工工艺施作，保证了承台的施工质量。单个小承台围堰的钢板桩的周转周期为10天，加快了施工进度，节约了施工成本。取得了良好的经济效益。

[参考文献]

1、铁道部大桥工程局编.桥梁设计手册(第二版).中国建筑工业出版社.1963年

2、交通部第一公路工程总公司编.桥涵(上册).人民交通出版社.2000年

3、周水兴等编.路桥施工计算手册.人民交通出版社.2001年下载本文