水中钢板桩围堰计算及施工应用

        摘 要：介绍临海大桥主塔横系梁钢板桩围堰设计计算和应用，供同类型桥梁施工借鉴。

　　关键词：潮汐地区；水中钢板桩围堰；设计计算；应用

　　1、概况

　　1.1工程概况

　　临海大桥位于浙江省临海市区中心，横跨灵江，是临海市江南分区与老城区的交通要道。桥梁总长度746m，其中主桥306m，北引桥216m，南引桥224m。主桥采用（36＋110＋160）m预应力砼独塔单索面斜拉桥，桥面宽31.2m。

　　主塔基础位于灵江江心，采用分离式承台钻孔桩基础，两承台之间设横系梁连接。横系梁按预应力构件设计，施加预应力用以平衡倾斜塔柱的水平推力，系梁为矩形截面，宽度为6.0m，高度为3.0m，长31.532m。

　　1.2水文地质情况

　　桥址段灵江为典型半日潮，既受洪水控制，又受潮水控制。5年一遇最高水位为+5.0m。横系梁顶面标高+1.8m，河床顶面标高-2.5m，地质报告中河床顶面以下约11m为淤泥质粘土。

　　2、钢板桩围堰结构

　　钢板桩围堰沿横系梁两侧设置，两端与承台钢套箱连接，围堰长31.532m，宽10.6m，钢板桩长15m。钢板桩围堰顶面标高设置为+5.5m，高出最高施工水位0.5m。钢板桩施工完成并抛填片石挤淤至-2.5m左右后，然后浇筑50cm封底混凝土。围堰内设置一层水平支撑梁和支撑柱，支撑梁采用2I40，支撑柱采用直径22.5cm、壁厚5mm的钢管。考虑到横系梁施工和施工后支撑拆除方便，支撑尽量设置在横系梁顶面以上。

　　3、设计计算

　　3.1设计说明

　　3.1.1计算水位取+2.5m； 钢板桩采用IV 型拉森桩，重量75kg/m，每1米宽截面模量W=2037cm3,允许应力为[σ]=180Mpa 。

　　3.1.2土质按地质报告提供参数。

　　3.2钢板桩入土深度验算

　　钢板桩围堰结构如图所示，围堰内抽水后水头差为7.5m，由此引起的水渗流，其最短流程为紧靠板桩的2h，故在此流程中，水对土粒渗透的力，其方向应是垂直向上。对于较薄且面积较大的封底混凝土，按不考虑封底混凝土作用时的涌流问题近似进行计算比较偏于安全。现近似地以此流程的渗流来检算坑底的涌流问题，要求垂直向上的渗透力不超过土在水中的密度，故安全条件如公式所示：　　

　　式中： -安全系数； -水力梯度；

　　-分别为水的密度及土在水中的密度， ；

　　，其中G 为土粒的比重;n 为土的孔隙率以小数计。

　　土层按淤泥质粘土，查地质报告中G=1.7、n=0.590，h=7m，安全系数取1.4。

　　0.755<1.71 ,满足要求，即在不考虑封底混凝土的情况下钢板桩内外侧的土层不会发生涌流现象。

　　钢板桩内外侧的土层基本水平，无土压力计算。

　　3.3钢板桩计算

　　钢板桩顶标高+5.5m ，入土深度7.0m，设置一道支撑，计算水位为+5.0m。围堰抽水后钢板桩承受水压力，钢板桩所受的水压力是一个线型变化的关系，计算按等弯距布置确定支撑的位置。把钢板桩当成一个匀质的钢梁，其E 和I 相等，这样板桩受力就是一根均质悬臂简支梁，把板桩上支撑梁作为简支点，而围堰底部封底混凝土作为简支点计算。取1m宽钢板桩作力学分析，采用Midas/Civil软件经过反复计算，当h1=4.25m、h2=3.75m时，支撑处及封底混凝土处的弯矩较合适且便于横系梁施工。

　　经计算钢板桩在支撑点处弯矩最大为-87.89kN*m。

　　，满足要求。

　　3.4支撑计算

　　根据上述计算，支撑梁可简化为承受均布荷载q的简支梁或连续梁。考虑到施工现场钢板桩施打完成后很难在一个直面上，所以按简支梁进行简化计算。支撑梁选用2I40，W=1085.7cm3，q=172.72kNm。

　　则支撑梁的最大跨径 ，取l=3.5m，横系梁围堰共设9到水平支撑。

　　每道支撑承受的压力为 。

　　支撑柱采用直径22.5cm、壁厚5mm的钢管，A=35.34cm2。支撑柱最大自由长度为9.8m，参照路桥施工计算手册， ， 。根据欧拉公式，支撑柱的稳定临界应力为:

　　安全系数 ，其承载力满足要求。

　　4、钢板桩施工及应用

　　4.1钢板桩的堵漏

　　一般的做法是在钢板桩施打过程中用棉絮、黄油等填充物填塞接缝；或者在钢板桩全部插打完毕开始抽水安装围囹时，采用一边抽水一边顺着钢板桩的接缝下溜较干细砂的方法，借助水压力将细砂吸入接逢内而达到堵漏的目的。由于受潮汐水的影响，在抽水前用棉絮填塞接缝后很容易在退潮时被冲走，经现场实施，在钢板桩施打完成后，退潮后抓紧时间将大的漏洞封堵好，涨潮时采用四台大的污水泵连续抽水，同时用塞棉絮和溜砂的办法堵漏，效果很好。

　　4.2钢板桩施打和支撑安装

　　钢板桩采用汽车吊配合液压震动锤进行施打，施打过程中需采用型钢制作的导向梁架进行导向，以保证钢板桩施打到位后位置以及竖直度和顺直度较好。钢板（下转第49页）桩施打完成后，抛填一定卵石挤淤，使围堰底部基本密实，随后浇筑封底混凝土。实际施工中封底混凝土能有效进入抛填的卵石中，能增强其稳定。支撑安装在退潮后或抽水过程中实施，安装过程中要密切注意河床水位的变化，并安排专人负责施工期间的抽水工作。值得注意的是工字钢与钢板桩的连接，由于钢板桩在插打过程中受多方面的影响，整个围堰的侧面顺直度较差，工字钢安装后与钢板桩之间有较大的间隙。为防止围堰的变形，将工字钢与钢板桩之间的间隙全部用型钢焊接支撑连接，支撑柱和支撑梁也相互焊接，围堰的四个角重点加强。

　　5、结束语

　　采用钢板桩围堰进行水中基础施工，具用施工速度快，安全可靠性较高的特点。运用设计计算软件Midas进行设计优化，提高了计算的效率和准确性，是施工设计中不可或缺的先进工具。临海大桥横系梁已成功施工完毕，进行优化设计的钢板桩围堰结构安全可靠，满足了施工需要。土压力、水流冲刷稳定、基坑底管涌或渗透等问题在此结构设计中不须考虑，但在不同类型的水中钢板桩围堰设计中的，须综合考虑各种情况，进行详细严密的设计计算，才能真正做到施工设计安全可靠且经济。这也是施工设计的出发点，也是落脚点。同时，也为以后类似桥梁水中基础施工积累了宝贵的经验。

　　参考文献

　　[1] 《斜拉桥建造技术》陈明宪 编著 人民交通出版社

　　[2]《深基坑支护设计与施工》 余志成、施文华编著 中国建筑工业出版社

　　[3]《桥梁深水基础》刘自明 主编 人民交通出版社