基于施工阶段分析的先支法钢板桩围堰设计及施工技术

基于施工阶段分析的先支法钢板桩围堰设计及施工技术

徐威

徐威（四川路桥勘察设计分公司）

【摘要】钢板桩围堰广泛应用于水中桥梁承台及墩身施工，随着水深及流速不断加大，传统钢板桩围堰结构已不能适应。本文结合武汉二七长江大桥引桥墩身承台施工实例阐述了先支法钢板桩围堰设计和施工过程，通过实践取得了较大的社会经济效益，为同类工程提供参考借鉴。

【关键词】钢板桩围堰；先支法；施工阶段分析

1．先支法钢板桩围堰的提出目前，钢板桩围堰广泛应用于水中桥梁承台及墩身施工，如杭洲湾跨海大桥、广州新光大桥、广州珠江黄埔大桥南叉桥、京沪高铁济南黄河大桥等，随着水深及流速不断加大，传统法钢板桩围堰施工将面临许多设计、施工等问题。制约了钢板桩围堰向更大水深发展。虽然桥梁深水基础有比较成熟的钢套箱和钢吊箱施工工艺，但因其结构复杂，施工难度大，成本高及施工工期长等不利因素。因此，寻求一种结构简单，施工方便，工程成本低，施工工期短的施工方案是工程建设所要求的，也是符合工程经济建设需要的。

因此，在已有桥梁工程水下基础采用的传统法钢板桩围堰施工技术实践基础上，结合武汉二七长江大桥深水、大流速、冲刷及回淤严重等条件下承台施工实际情况，首次提出了先支法钢板桩围堰设计及施工方法，解决了深水大流速条件下桥梁水下基础采用钢板桩围堰施工的一大难题。取得了较大的社会经济效益。

2．先支法钢板桩围堰设计及施工传统的钢板桩围堰结构一般适用于10m以下的开挖或抽水深度，其设计方法国内主要为不计施工过程影响的单工况独立阶段分析，如简化法、等值梁法、等弯矩和等反力法等，要么充分发挥钢板桩的抗弯强度，使钢板桩材料最经济，要么考虑支撑受力相等，简化支撑系统，而不考虑钢板桩的抗弯强度。

而围堰结构受力跟施工过程密切相关，不同的施工工艺将导致不同的结构受力。近年来，随着钢板桩围堰往更大水深基础发展，国内对钢板桩围堰的结构计及施工方法进行了许多研究，以加虚拟拉力的全量方法模拟施工加撑过程，在一定程度上反映了不同的施工阶段结构受力。在日本，主要设计方法是确定下端假想支撑点位置，然后按简支梁法求解钢板桩截面应力，支撑反力按下方分担法计算。即认为各支撑间的土压力和水压力由上方的支撑分担。当钢板桩围堰应用于更大开挖或抽水深度时，以上方法由于没有考虑钢板桩刚度的影响，忽略钢板桩已有变形，会造成钢板桩的应力和围囹支撑反力的较大误差，从理论上无法反映支护结构的真实工作状态，见图1。因此，在深水围堰计算时应考虑钢板桩刚度在施工过程中的影响，为此，提出了基于施工阶段分析的全过程设计方法。同时，传统的钢板桩围堰施工都是采用先插打钢板桩后逐次抽水安装围囹支撑系统的施工工艺，从而使钢板桩的累积变形增加，应力增大，而这一应力基本是不可逆的，所以限制了钢板桩围堰抽水深度，图1，2示出了不同施工工艺下同一围堰结构在施工中的受力情况。加之传统钢板桩围堰施工因逐次安装内部围囹支撑系统，从而使施工工期较长，经济效益相对低下。

3.1先支法钢板桩围堰方案确定由于水中桥墩基础数量多，桥址处均为砂层，长江水位在施工期季节变化较大，长江水域随季节河床回淤严重，回淤深度达10米，加之长江水流速达2.05m/s，因此选择合适的施工方案，对工程建设至关重要。综合考虑桥址地质、水文、工程成本、结构安全、施工工期等因素，最终提出了采用先支法钢板桩围堰施工方案，见表1。

鉴于以上原因，基于施工阶段分析的先支法钢板桩围堰施工技术运用而生，大大提高了结构所承受的水位差，通过优化施工过程，调整支撑系统尺寸及间距，主动控制结构受力，使结构变形和受力更趋合理，结构更趋简单。由于支撑系统提前整体安装，施工简单方便，大幅缩短了工期，有较好的社会经济效益。

所谓先支法钢板桩围堰施工即是先陆上整体拼装好各层围囹系统，然后依次将各围囹支撑系统顺着定位护筒下放至设计标高，再以围囹为导向依次插打钢板桩形成封闭结构，最终一次开挖或抽水形成干施工环境。

3．工程实例武汉二七长江大桥正桥工程全长2922米。主桥方案采用90＋160＋2×616＋160＋90＝1732m的三塔斜拉桥，汉口侧引桥深水区采用钢-砼结合梁方案，桥跨布置（6×90）m。

见图3。最大承台尺寸为26.55×19.3×6m。设计高水位18.5m，设计低水位14m。泥面标高4～8.15m，均为砂层。

3.2先支法钢板桩围堰结构设计先支法钢板桩围堰结构由钢板桩和钢围囹支撑系统组合而成。钢围囹支撑系统均采用钢管加型钢组合而成，占用空间小，各层围囹支撑间不设联系，方便后期承台施工。

通过对施工过程中支撑位置及尺寸的优化，既充分利用了钢板桩抗弯强度，又减少了支撑布置。传统法钢板桩围堰基本都是顾此失彼，无法达到两者间的平衡。

围堰采用日本产SKSP-SX27和欧洲产PU28两种型号的钢板桩，见表2。板桩长为27m和24m两种。不同围堰钢围囹布置根据水位差不同设置两层和三层。水位差在11米以下设置两层，11米以上设置三层。围囹支撑间距最大设计为7米，远大于传统法钢板桩围堰间距，见表3。限于篇幅，仅示出N1号墩围堰结构图，见图3。

3.3先支法钢板桩围堰结构受力分析计算以m法考虑桩土共同作用为基础，通过预设钢板桩变形来动态调整优化钢板桩和支撑受力，使结构在整个施工过程中均处于允许值范围。这一方法首次运用在深水钢板桩围堰结构，可以主动控制结构受力，使结构设计具有更强的灵活性。

由于钢板桩间是通过锁口相互咬合连接，而咬合关系随钢板桩的变形而发生变化，目前“变形—刚度”关系尚无明确的方法确定，因此存在明显的非线性，在钢板桩强度及刚度计算中，如何确定有效截面模量和截面惯性矩将对结果有重要影响，钢板桩锁口采用不同的处理方式，其抗弯刚度如何取值，国内外已有不少研究成果。南京水利科学研究院对蛇口集装箱码头采用的卢森堡ARB-ED的PU32型钢板桩锁口联结型式的抗弯性能试验表明，锁口不同联结处理对钢板桩应力影响可达20%左右。日本新日铁通过锁口效率来考虑钢板桩锁口的不同联结处理，锁口效率一般取为0.6～1.0之间。

本工程先支法钢板桩围堰考虑钢板桩底端插入一定深度，土对板桩有一定的约束，根据多个工程实测资料反算得出刚度计算时取原截面惯性矩的50%较为合理，而应力计算时截面系数调整为原系数的75%。图5显示了断面抽水开挖过程中的位移计算结果，真实反应了钢板桩围堰从吸泥、第一次抽水直至抽水到承台底全过程受力变形情况，与实际施工过程结构受力吻合比较好。

A为水下封底强度达到后工况；B为抽水至下层围囹下0.5m；C为抽水至底。

4．结论武汉二七长江大桥先支法钢板桩围堰工程单个承台施工仅需15天，施工方便，成本低，结构承载力明显提高，取得了很好的社会经济效益。设计中分别采用了刚度和强度不同的折减系数来考虑板桩间的锁口效率，符合结构实际受力情况。

参考文献：[1]潘泓,曹洪,尹一鸣.广州猎德大桥钢板桩围堰的设计与监测[J].岩石力学与工程学报,2009,28（11）.[2]郭广银.珠江黄浦大桥南汊桥南塔大型超深承台钢板桩围堰施工[J].广东公路交通,2007,4.[3]杨静伟.杭州湾跨海大桥钢板桩围堰设计与施工[J].国防交通工程与技术,2005,2.[4]景兆德.京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术[J].铁道标准设计,2010,4.[5]骆冠勇,曹洪,潘泓,周红星.新光大桥桥墩钢板桩围堰的优化设计与监测[J」.华南理工大学学报（自然科学版），2006.34（2）.[6]薛政群.复合作用力下U型钢板桩锁口联结度与其强度关系[J].海洋工程,1993,11(4).