青龙河大桥浅海区域拉森钢板桩围堰的设计及应用

青龙河大桥浅海区域拉森钢板桩围堰的设计及应用

采用拉森钢板桩围堰做水中墩承台时，确定钢板桩的强度、刚度和入土深度是保证承台顺利施工的关键。文中以青龙河大桥0#墩承台围堰为例，介绍了拉森钢板桩围堰的结构形式、内力和入土深度的计算方法，并对拉森钢板桩围堰的工艺流程和施工方法做了较详细的阐述，可为类似工程的施工提供一定的借鉴作用。

标签： 青龙河大桥;拉森钢板桩围堰;应力验算;施工

1.工程概况

青龙河大桥0#号墩承台位于0#桥台中心桩号位于K0+734.00处浅海中。结构形式为肋板式桥台，桥台盖梁高1.5m宽1.8m，墩位处地面标高-5.6m，平均高潮位2.47m，平均低潮位1.07m，平均潮差1.4m，平均海平面1.77m。沿海浪高一般在3级以下，个别区域会出现5级。

地层特征（见表1）

表1 与0#承台施工相关的各层土质特征表

地层编号 岩土

名称 年代成因 层顶埋深（m） 层厚

（m） 颜色 状态 压缩性 包含物及特征

1 海水 0 1.72-15.5 蓝

2 淤泥质粘土夹粉土 Q4l 1.72～15.5 1.4～7.59 深灰 软塑 高 局部为粉质粘土，软塑状，局部为淤泥，流塑状。粉土稍密状，粉土呈薄层状分布，分布不均，具水平层理。包含少量有机质及螺壳碎屑。有光泽，无摇振反应，干强度高，有韧性。该层分布于全场区。

3 粉质粘土夹粉土 Q4al 7～8.4 6～9 灰 可塑 中 粉质粘土可塑状，粉土稍密状，粉土呈薄层状分布，分布不均，具水平层理。含氧化铁，斑杂状。包含少量有机质及螺壳碎屑。有光泽，无摇振反应，干强度高，有韧性。该层分布于全场区。

2.钢板桩围堰设计

基坑底面位于淤泥质粘土层上，该土层易液化，属不稳定土层，为保证承台基坑开挖钢板桩围堰的稳定，选用20m长拉森IV型钢板桩插入下层粉质粘土层

不小于4m，水平支撑分5层。基坑底浇筑1.0m厚封底混凝土。由于第5道支撑影响承台施工，待封底混凝土达到20MPa强度后拆除第5道支撑施工承台和台身。设计的钢板桩围堰如图1、2所示。

图1 钢管桩围堰支护平面图

图2 钢板桩围堰支护侧面图

3.围堰结构受力计算

3.1各土层物理力学参数

表2 0#墩各土层物理力学参数

序号 层号土名 层厚

（m） 底标高 重度

（kN/m3） 固快标准值 m

（kN/m4）

Φ（0） C（KPa）

1 填土 8.54 -2.11 18 20 0

2 淤泥质粘土 7.29 -9.4 17.8 6 8

3 粉质粘土夹粉土 17 -26.4 19.4 12 18

3.2钢板桩型号

围堰用钢板桩为日本产SKSP-SX27型，即拉森Ⅵ型高强度钢板桩，其截面尺寸见图2，性能参数见表3、表4。

图3 钢板桩截面尺寸

表3 钢板桩技术参数

型号（宽度×高度） 有效宽B

mm 有效高h

mm 腹板厚t

mm 单根钢板桩 每米板面

截面

面积

cm2 理论

重量

kg/m 惯性距Ix

cm4 截面

模量 Wx

cm3 截面

面积

cm2 理论

重量

kg/m2 惯性距Ix

cm4 截面

模量 Wx cm3

600×210 600 210 18.0 135.3 106 8630 539 225.5 177.0 56700 2700

表4 鋼板桩的机械性能

标准号 牌号 机械性能，不小于

屈服强度（N/mm2） 抗拉强度（N/mm2） 延伸率（%）

JISA5528 SY295 295 490 17

3.3深基坑钢板桩围堰验算

表5 0#墩工况表

工况编号 工况类型 深度（m） 支撑编号 预加轴力（kN/m）

1 开挖 0.7

2 加撑 0.2 1

3 开挖 3.2

4 加撑 2.7 2

5 开挖 5.7

6 加撑 5.2 3

7 开挖 7.7

8 加撑 7.2 4

9 开挖 9.7

10 加撑 9.2 5

11 开挖 11.328

（1）桩顶高程H1：6.43m，平均高潮位：2.47m。

（2）吹砂围堰地面标高H0：6.43m;基坑底标高H3：-3.398m;

（3）封底混凝土采用C30混凝土，封底厚度为1.0m。

（4）0#承台基坑包括封底混凝土厚度实际开挖10.828m。

（5）坑内、外土的天然厚度容重加权平均值吹填砂r=18.7kn/m3内摩擦角加权平均值σ=12.7°;粘聚力C=6.6KPa。

（6）地面超载：按70吨履带吊考虑，换算后为20KN/m2。

3.3.1内力计算

（1）作用在钢板桩上的土压力强度及压力分部见图4

根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P284页（5-89、5-90）公式得：Ka=tg2（45°-12.7°/2）=0.63

Kpi=tg2（45°+12.7°/2）=1.56

鋼板桩均布荷载换算土高度：

=q/r=20/18.7=1.06m

（2）支撑层数及间距

按等弯矩布置确定各层支撑的间距，则拉森Ⅳ型钢板桩顶部悬臂端的最大允许跨度，根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P284页（5-96）公式得：

==3006mm=3m

h1=1.11h=1.11*3=3.33m

h2=0.88h=0.88*3=2.64m

h3=0.77*h=0.77*3=2.31m

根据施工需要调整支撑布置0#墩承台基坑钢支撑采用h0=0.2m，h=2.5m，h1=2.5m，h2=2m，h3=2层数为5层。26#—30#墩承台基坑钢支撑采用h0=0.2m，h1=2m，层数为两层。

受力简图见图4

图4 钢板桩受力简图

3.3.2入土深度计算

用盾恩近似法计算钢板桩入土深度

主动土压力系数，被动土压力系数从上可知：Ka=0.63，Kpi=1.56

图5 钢板桩计算简图

根据假定作用在钢板桩AB段上的荷载ABCD，一半传至A点上，另一半

由坑底土压力EBF承受，由图5所示，几何关系根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P288页（5-99）公式得：

（1.56-0.63）x2-0.63*10.24*x-0.63*10.24*1.7=0

X=8.6m

故钢板桩的总长度至少为L=10.828+8.6=19.428m，即钢板桩长度为19.428m，入土深度为8.6m时能保证桩体本身的稳定性，实际选用20m钢板桩，实际入土深度为9.172m，满足要求。

3.3.3钢板桩稳定性检算

（1）管涌检算

管涌的原因主要收水的作用影响，平均高潮位2.47m，基坑抽水后水头差为h1=6.01m，入土深度h2=x，最短的渗流途径为h1+h2×2，不产生管涌的安全条件，根据根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P284页（5-107）公式得：

式中为安全系数，基坑安全等级为一级，取K=2.5;

水容重取;

土的浮容重为18.7-10=8.7KN/m3;

水力梯度：

计算得x=8.7时，不会发生管涌。

所需桩长L=10.828+8.7=19.528m

选用20m钢板桩，则入土深度为9.172m，故不会发生管涌。

（2）基坑底部隆起验算

基底抗隆起稳定性分析采用，，抗隆验算方法。

根据《基础工程》中国建筑工业出版社P308页（8-30）公式：

x=9.172m、H=10.828m、q=20KN/㎡、j=12.7°、C=6.6KPa安全系数K=2.5

（18.7*9.172*2.7+6.6*7.4）/18.7*20+20=4>2.5

即钢板桩打入深度9.172m，地基土稳定，不会发生隆起。

3.3.4利用理正深基坑支护软件对工况进行计算

利用理正深基坑支护软件对在基坑开挖过程中最不利的情况计算结果如下，即工况六，安装好第五道支撑，继续开挖至标高-3.27m处，即基坑9.7m深，此时钢板桩可看作为在桩顶、第一、二、三、四、五道支撑处简支，在基底以下2m处固结的连续梁结构。

（1）单桩位移计算：

单桩计算位移结果：

桩顶=0.47（mm）坑底=3.09（mm）桩底=0.59（mm）最大=3.67（mm）

钢板桩位移最大为3.67mm。满足要求。

图6 单桩弯矩图

计算得钢板桩：181.1KN-m，则此时钢板桩的应力为

181.8*103/2043=88.99MPa<[d]=200Mpa

故此工况下钢板桩强度能够满足要求。

（2）腰梁及支撑分析计算

630钢管截面特性：

I40型钢截面特性值：

（3）第一、二、三、四、五道腰梁

计算取最不利情况即工况六，基坑开挖至封底混凝土底标高，基坑开挖深度最深，最大轴为957.3kN。

弯矩图：

剪力图：

轴力图：（见下图）

第一、二、三、四、五道腰梁采用2根I40b工字钢，支撑采用直径630mm*110mm厚钢管。

腰梁验算：

经计算，最大弯矩值为271.1kN.m，最大剪力值769.9kN。

（271.1/1140*2）*103=118.9MPa<1.3[σ]=188.5MPa

769.9*103/（35.57*20）=108.22MPa<1.3[τ]=110.5MPa

8.2mm<L/400=12.5mm。

腰梁采用两根40b工字钢强度、刚度均满足要求。

支撑钢管验算：

支撑钢管最大轴力为1373kN。

钢管长细比1055/21.92=48.12，查表得压杆稳定系数j0.921

1373*10/（0.921*194.68）=76.57<1.3[σ]=188.5MPa，支撑采用630*1cm厚的钢管，强度满足要求。

斜撑钢管验算：最大轴力为1373kN，最大弯矩为62.41kN.m。

钢管长细比521.7/21.92=23，查表得压杆稳定系数j0.976

1373*10/（0.976*194.68）+62.41/2972.69*103=93.25MPa<1.3[σ]=188.5MPa

斜撑采用630*1cm厚的钢管强度满足要求。

4.钢板桩施工工艺

4.1导向架安装

在板桩施工中，为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力，要设置一定刚度的、坚固的导架。

钢板桩插打导向架设计：导向架采用两根拉森钢板桩水平放置在支护结构边线上，两根钢板桩间距1根拉森钢板桩宽度+2cm。水平钢板桩外侧每隔4m设置一根工字钢固定柱与水平桩焊在一起，固定住待钢板桩完成后拔除。

图7 钢板桩施工导向架示意图

4.2钢板桩插打

a.板桩用吊机带振捶施打，认真放出准确的支护桩中线。

b.打桩前，对板桩逐根检查，剔除连接锁口锈蚀，变形严重的普通板桩，不合格者待修整后才可使用。

c.打桩前，在梳桩的锁口内涂油脂，以方便打入拔出。并在钢板桩尖端锁口内部塞置木楔，防止钢板桩沉入过程中有泥土进入锁口。

d.在插打过程中随时测量监控每块桩的斜度不超过2%，当偏斜过大不能用拉齐方法调正时，拔起重打。

f.钢板桩施打采用屏风式打入法施工。屏风式打入法不易使板桩发生屈曲、扭转、倾斜和墙面凹凸，打入精度高，易于实现封闭合拢。施工时，将10-20根钢板桩成排插入导架内，使它呈屏风状，然后再施打。通常将屏风墙两端的一组钢板桩打至设计标高或一定深度，并严格控制垂直度，用电焊固定在围檩上，然后在中间按顺序分1/3或1/2板桩高度打入。

屏风式打入法的施工順序选择原则是：当屏风墙两端已打设的板桩呈逆向倾斜时，应采用正向顺序施打;反之，用逆向顺序施打。当屏风墙两端板桩操持垂直状况时，可采用往复顺序施打，当板桩墙长度很长时，可用复合顺序施打。施工中应根据具体情况变化施打顺序，采用一种或多种施打顺序，逐步将板桩打至设计标高，一次打入的深度一般为0.5-3.0米。

4.3基坑开挖、设置支撑

钢板桩插打完后，利用长臂挖掘机取土。开挖深度到达支撑设计位置时安装腰梁和支撑。水平支撑采用φ630×10mm钢管支撑，腰梁采用2根40b工字型钢。腰梁与钢板桩之间的空隙采用废旧型钢支垫。钢支撑采用整根φ630×10mm钢管制作，尽量避免接头。当支撑钢管接头无法避免时，必须采用不小于同等厚度钢板或同型号废旧钢管切块沿接头四周进行加固。钢板尺寸不小于100×200mm，沿接头四周均匀布置8块，钢板与钢管之间严格按照焊接规范进行满焊。焊接前注意钢管轴线顺直，偏差不得大于0.5%。

4.4基坑降水

在渗水较小的情况下，采用汇水井排水，在基坑内承台范围外侧较低处挖4个汇水井，并在周围挖边沟，使其低于基坑底面。对汇水井井壁要加以支护，井底铺一层粗砂或者碎石，采用抽水机从汇水井抽水来排除渗水;地面上通过主管与抽吸设备相联进行抽水，以降低基坑四周的地下水位。

4.5封底混凝土及承台墩身施工

基坑开挖、支撑设置完毕后，观察围堰内部结构稳定性及渗水情况，要准备

水泵对基底随时抽水。若围堰满足施工要求，可进行下一道工序，即封底混凝土垫层。待封底混凝土强度达到200MPa后拆除0#墩的第五道支撑施工承台墩身施工。

4.6板桩的拔除

基坑回填后，要拔除板桩，以便重复使用。拔除桩前，应仔细研究拔桩方法，顺序和拔桩时间及土孔处理。否则，由于拔桩的振动影响，以及拔桩带土过多会引起地面沉降和位移。

（1）钢支撑拆除

承台施工完毕后，对承台四周采用砂砾进行分层回填，回填过程中保证每层回填厚度不大于1.0米。回填采用水密法密实，在基坑的4角安放水泵将密实用水抽出。回填至钢支撑底部，经检测回填沙压实度达到90%以上后方可进行钢支撑的拆除工作。钢支撑拆除时先将支撑与腰梁之间的焊接进行切割，对钢板桩向外侧适当施加外力后，将钢管撑拆除。全部拆除完毕后再依次拆除斜撑、腰梁、牛腿等构件。

（2）拔桩方法

本工程拔桩采用振动锤拔桩，利用振动锤产生的强迫振动，扰动土质，破坏板桩周围土的粘聚力以克服拔桩阻力，依靠附加起吊力的作用将桩拔除。

5.结语

在青龙河大桥工程施工中，采用经济的围堰结构形式，正确计算其结构内力和入土深度，严格按照拉森钢板桩围堰施工的技术要求施工，有效地保证了浅海0#墩施工的安全性以及高质量、快进度和低费用要求。使用这种拉森钢板桩围堰施工水中墩，取得了良好的效益，在在建的几座跨海河桥水中墩施工中得到了广泛的推广。

参考文献：

[1]江正荣，朱国梁.简明施工计算手册.第三版.中国建筑工业出版社，2005.