李家沙特大桥主墩围堰设计与施工

唐春阳

1 工程概况

1.1 工程概述

李家沙大桥位于广州番禺区和佛山顺德区交界的李家沙水道处，桥跨布置为(110+220+110)m三跨双塔四索面预应力混凝土斜拉桥，全长440 m，采用平行的上下行两幅桥，两主梁横向完全分离，斜拉索布置在主梁两侧成空间四索面。

主墩Z3，Z4在靠近大堤内侧。Z3号、Z4号主墩共4个承台，每个承台设置9根φ 2.5 m桩基，桩长约45 m～50 m。承台结构尺寸为14.2 m(长)×15.7 m(宽)×5.5 m(高)，封底混凝土厚为1 m。Z3号、Z4号主墩承台底标高改为一致，皆为-6.00 m。

1.2 工程水文地质条件

李家沙水道规划为国家1级航道。根据目前水位情况，最高水位2.2 m左右。水流速较缓，一般在1 m/s以内。

围堰范围内涉及的地质情况简述如下:①淤泥:该层主要分布在表部，厚度3 m～7 m。呈深灰、灰黑色，呈流塑状，饱和，该层属高压缩性土，力学强度低。②粉砂:Z4墩处有此层，Z3墩位处无。厚度变化大，为4 m～10 m左右，呈松散饱和状。含淤泥质约10%～30%，部分地层含贝壳约20%～30%。容许承载力[σ0]=80 kPa，桩极限摩阻力[τi]=30 kPa。 ③全风化花岗岩:桥位处厚度3.3 m～20.5 m。黄色，红褐色。原岩矿物已基本风化变异，岩芯呈砂土状，稍湿，硬塑～坚硬状，手捻易碎。该层天然状态下力学强度较高，工程性能较好，但该层具有泡水易软化、崩解，使强度降低的不良特性。容许承载力[σ0]=250 kPa，桩极限摩阻力[τi]=70 kPa。④强风化花岗岩，层厚不均匀，为 2 m～20.2 m。黄色、黄绿色，花斑状，以土状为主，手捏易散，局部夹弱风化碎块，呈薄饼及碎块状，岩质稍硬。容许承载力[σ0]=500 kPa，桩极限摩阻力[τi]=120 kPa。

2 Z3号、Z4号承台方案比选

2.1 方形钢板桩围堰

采用方形钢板桩围堰，从技术上讲，比较成熟。但其内支撑较多，给承台开挖及承台结构施工带来比较大的影响，特别是内支撑与模板钢筋相互妨碍，给模板的吊装、钢筋的吊装带来很多不便，施工效率较低。

2.2 无支撑圆形拱圈支护钢板桩围堰

除了常规的直线形支护结构，当基坑的平面形状较方正时，在平面上还可将支护结构布置成圆形或近似圆形，由于土体对拱圈的弹性约束，使圆拱具有更好的受力性能。另一方面，从理论上及工程实践数据来看，作用在圆形支护结构上的主动土压力较常规的直线形支护结构上的土压力小，且支护结构半径越小这种现象越显著，即可以降低支护结构的内力和变形。从而可减少围堰内支撑的复杂程度，为施工提供充足的工作面，提高施工效率。

李家沙大桥主墩承台平面尺寸为14.2 m×15.7 m，比较方正，采用圆形围堰进行承台施工是一种理想的选择。

3 承台总体施工方案

主墩承台采用φ 21.2 m圆形钢板桩围堰，共设4道拱圈进行支护，拱圈采用C40混凝土。第一层拱圈标高为2.0m，第二层拱圈标高为-1.0 m，第三层拱圈标高为-3.0 m，第四层拱圈标高为-5.0 m，基坑底标高-6.3 m。Z3，Z4主墩地质存在差异，其中Z3主墩覆盖层较浅，钢板桩底打入基坑底不小于3 m，打入全风化层不小于2 m。Z4主墩覆盖层较厚，板桩打入基坑底不小于5 m，打入全风化层不小于1 m。

其施工步骤为:钢板桩打设→围堰内开挖至标高2.0 m→浇筑第一层拱圈→开挖至标高-1.0 m→浇筑第二层拱圈→开挖至标高-3.0 m→浇筑第三层拱圈→开挖至标高-5.0 m→浇筑第四层拱圈→开挖至基坑底→浇筑封底混凝土→承台结构施工。

4 承台分步施工

4.1 钢板桩打设

4.1.1 钢板桩围堰施工要点

1)钢板桩插打方法。采用逐片插打，逐渐纠偏，直至合龙，以及先合龙，后插打进入岩层的方法。

2)钢板桩插打过程控制。为了确保插打位置准确，第一片钢板桩插打是关键。具体方法为:在定位桩上安装两层导向架，在导向架上设置限位装置，大小比钢板桩每边大10 mm，插打时钢板桩背紧靠导向架，边插打边缓慢下放。严格控制好钢板桩插打的垂直度，尤其是第一片桩要从两个相互垂直的方向同时控制，确保其垂直度，然后以第一片钢板桩为基准，再向两边对称插打。在插打过程中，钢板桩下端受土挤压，钢板桩锁口之间缝隙较大，上端总会产生远离第一片钢板桩方向的倾斜。因此，每打五片钢板桩就要用垂球吊线检查其垂直度，确保钢板桩垂直度控制在0.5%以内，超过此限度值时应采取措施予以纠偏。一次纠偏不能太多，以免锁口卡住，影响下一片钢板桩插打。当钢板桩偏移太多时，只能采取制作异形钢板桩的方法一次纠偏到位。每次插打完五片钢板桩并经纠偏后，将钢板桩点焊固定于内导向架上，减少累计偏移位移，利于围堰合龙。在插打过程中应做到:插桩正直，分散偏差，有偏即纠，调整合龙。

4.1.2 钢板桩围堰合龙

1)合龙前的准备。在即将合龙时，开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离，再根据钢板桩的宽度，计算出所需钢板桩的片数，按此确定钢板桩的下一步如何插打。2)钢板桩的合龙采取“先合龙，后插打到位”的方法，即根据在合龙侧，先将钢板桩逐块插打进入河床一定深度，而不直接一次性插打到位，打入深度以保证其自身稳定为度。因钢板桩进入河床较浅，可适当调整钢板桩的位置，合龙较容易。钢板桩合龙后，再将其逐块复打到设计标高。3)合龙时钢板桩的调整处理。钢板桩围堰在合龙时，两侧锁口不尽平行，可实测板桩上下间距，制作异形桩进行合龙。

4.2 围堰内开挖、拱圈浇筑及拱圈应力监测

1)挖方。围堰内工作面比较开阔，采用机械开挖。一个围堰内安设两台小挖机，围堰外用长臂挖掘机提升弃土。在弃土时，根据围堰周边地势，有意识填到低洼处，使土压力荷载平衡。在围堰周边地形较平整时，应用载重车拖走。2)拱圈浇筑。当开挖至拱圈标高时，对拱圈处进行整平，并铺设一层砂浆垫层，整个垫层的标高需严格控制，保证整个拱圈在同一个平面内。拱圈的钢筋骨架分段在加工厂整体制作，在现场焊接成型。模板采用1 m长钢组合模板。为方便以后拱圈的拆除，在拱圈与钢板桩接触面涂脱模剂，钢板桩凹槽处需用硬纸板隔离，防止水泥浆进入钢板桩连接缝中，导致拔桩困难。拱圈采用C40混凝土，并添加早强剂，缩短等待混凝土强度时间。在拱圈混凝土强度达到80%以上时，才能进行下一步开挖。3)拱圈应力及变形监测。在拱圈施工时，拱圈中预埋应力片，对拱圈应力进行监测。一层拱圈共8个断面内外层设置应力片，8个断面成45°角均匀布置。同时在这8个断面处设置变形观测点。在拱圈混凝土达到强度后，进行土方开挖施工。土方每开挖0.5 m～1 m对拱圈的内力和变形监测一次，了解拱圈内力情况。并对数据进行对比分析，了解与理论计算偏差情况，为下一步施工起到指导作用。由于拱圈受力从第一层到第四层是逐渐变大的，但拱圈截面是同等大小的，可以根据第一层、第二层监控结果与理论值进行比较，如果监控值偏大，对第三层、第四层拱圈受力进行同比例放大，检算拱圈承载安全性，如果超出安全范围，可通过加大拱圈截面来增大拱圈承载力。

5 设计与施工过程中的体会

1)施工方案设计与施工现场紧密联系:应该根据实际的地质情况和地下渗水情况确定合理的施工方案，选择排水或不排水开挖，计算灌注封底混凝土厚度。2)荷载计算是核心:钢板桩计算的核心内容就是基坑周围土压力的计算，根据实际施工需要，基坑周围的堆载、车辆荷载、水压力等都要考虑到计算中去，此外根据地质情况还要考虑水对基坑周围土体的浮力作用，以保证方案的安全系数。3)钢板桩围堰的施工过程计算:钢板桩围堰的计算工况要囊括整个施工过程，对于每一个施工工况都对应着不同的受力状况。4)内支撑的设计计算:内支撑的设计考虑到基坑开挖的方便性，合理的布置内支撑的形式，既要保证受力简单合理，又要使得基坑开挖有足够的操作空间。5)主墩承台现已经顺利施工完毕，由于基坑渗水情况比较理想，采用了排水开挖的方案进行基坑开挖。从总的施工过程来看，钢板桩围堰及内支撑是安全可靠的。由于实际的岩层埋深较浅，和设计提供的地质资料有差别，钢板桩入土深度未达到设计要求，再者两道支撑间的距离较大，钢板桩自身的刚度较弱，在基坑开挖未到第二道支撑标高时(差0.5 m)钢板桩的变形已经大于了100 mm，而内支撑的安装都采用的是被动撑的受力方式，这导致了第二道内支撑未达到设计标高，和设计状态差别比较大。因此，建议在施工中采用主动支撑的方式，这样可以消除开挖过程中钢板桩的变形，从而与设计状态相符。

[1] 母泽友.柳河双线特大桥钢板桩围堰施工工艺探究[J].山西建筑，2008，34(17):338-339.