阜六铁路颍河特大桥拉森钢板桩围堰设计施工

王建军

1 工程概述

1.1 工程概况

新建阜六铁路按客货共线铁路160 km时速设计，同时预留200 km时速条件。颍河特大桥主跨采用一联(70+120+70)m连续梁跨越颍河主航道，桥梁法线与河流中心线夹角15°，颍河主航道规划为国家Ⅳ级航道，通航净空不小于8.0 m，通航宽度为90 m，常水位为23.45 m。颍河特大桥跨越水域宽度约200 m。墩位编号32号～55号，其中46号、47号主墩位于颍河主航道内，设计为20根φ2.0 m群桩基础，设计桩长分别为83 m和86 m。

主墩承台设计为矩形二阶钢筋混凝土低桩承台，承台尺寸为(24.6×19.3×4)m+(13×10×2)m。46号、47号墩承台位于水中泥面以下，为节约成本，拟采用30 m拉森钢板桩围堰支护系统施工，为全线的控制性工程，且钢板桩围堰尺寸大、拉森钢板桩长为国内最大。本文主要介绍颍河特大桥主跨拉森钢板桩围堰的设计与施工。

1.2 地质

颍河特大桥桥址区域属淮河冲积平原地貌单元，主要为颍河河床、漫滩及一级阶地，地势平坦开阔，相对高差在0.5 m左右，多为耕地。

根据设计提供的钻孔勘探资料，地质资料力学指标参数如表1所示。

表1 地质资料力学指标参数

1.3 水文

桥址处河槽宽180 m～210 m，河深8 m～12 m。河道较顺直，上、下游不远处各有一弯道，河段基本稳定，滩岸无崩塌现象。

阜六铁路颍河特大桥桥址处颍河百年一遇设计洪水位为H1/100=32.84 m，最大流量 5 160 m3/s，最大流速 1.79 m/s;五年一遇设计洪水位为H1/5=28.41 m，流量1 900 m3/s，断面平均流速0.97 m/s。

2 钢板桩围堰施工系统的设计

2.1 钢板桩围堰结构形式

钢板桩围堰的1/2平面图与立面图如图1所示。

颍河特大桥主跨46号、47号墩围堰采用30 m长拉森Ⅳ型钢板桩，内支撑系统采用H40a型钢及L160角钢。

2.2 钢板桩围堰计算

2.2.1 钢板桩

钢板桩围堰内设置了6道内支撑，每道支撑均为钢板桩的支撑点，封底混凝土也是其支承，按简支端考虑，把钢板桩按6跨连续梁计算，取1 m宽钢板桩进行计算，其计算简图见图2。

这里应该特别注意:围堰内基坑的开挖应当在水下进行，即采用湿挖法进行，可以用吸泥机能设备将基坑内土抽出，封底混凝土应当采用水下灌注混凝土的办法进行封底。

采用有限元软件MIDAS/CIVIL进行钢板桩的内力计算，采用梁单元进行模拟，计算模型如图3所示。

经有限元软件MIDAS/CIVIL进行拉森Ⅳ型钢板桩的内力计算得最大弯矩值79.4 kN·m，拉森Ⅳ型钢板桩的截面模量为W=2 037 000 mm3，应力 σ =39.0 MPa＜［σ］=180 MPa，支座反力作为荷载作用在内支撑周侧。

2.2.2 围囹

选取受力最大的一道围囹进行计算，由钢板桩各支座的反力可知第6道围囹受力最大，周侧作用在围囹上的荷载为383.5 kN/m，采用有限元软件MIDAS/CIVIL进行围囹的受力分析，采用梁单元进行模拟，计算简图如图4所示。

经有限元软件MIDAS/CIVIL进行围囹的内力计算得正应力最大值 σ =138.48 MPa＜［σ］=145 MPa，剪应力最大值为50.07 MPa，小于允许剪应力85 MPa，围囹的变形最大值为7.06 mm，小于允许变形 11.5 mm。

2.3 封底混凝土厚度计算

以承台底标高最低的围堰计算封底混凝土厚度，假设封底混凝土标号为C20，取其抗拉设计值 f=1.10 MPa。考虑施工阶段混凝土的允许弯拉应力取1.5倍安全系数，则［σ］=0.73 MPa。钢护筒与封底混凝土间粘结强度也取1.5倍安全系数［τ］=0.473 MPa。混凝土封底厚度取为3.5 m，考虑到封底混凝土顶面浮浆的存在，则封底混凝土在计算时取有效厚度为3.0 m。

2.3.1 混凝土抗浮力计算

根据计算得封底混凝土自重与封底混凝土与钢护筒粘聚力及封底混凝土与钢板桩粘聚力之和为346 760.9 kN＞水的浮力106 624 kN，封底混凝土抗浮满足要求。

2.3.2 封底混凝土抗裂计算

由于承台封底混凝土与钢护筒及钢板桩形成握裹支撑，其力的传递较为复杂，根据本承台桩基布置情况，将封底混凝土看成承受均布荷载的四边简支板，简支板边长为混凝土灌注桩间距5.3 m，考虑到封底混凝土顶面浮浆的存在，则封底混凝土在计算抗裂时取有效厚度为3.0 m。按照四边简支双向板计算得混凝土拉应力为0.19 MPa ＜［σ］=0.73 MPa，满足抗裂要求。

2.4 钢板桩入土深度

封底混凝土下部为粉质黏土，因此需要根据地基的抗隆起稳定性来确定钢板桩的入土深度，根据计算可得钢板桩长度为30 m。

2.5 整体稳定性验算

钢板桩围堰的整体稳定性表现围堰在动水压力作用下的抗倾覆能力。该动水压力与钢板桩入土深度范围内所受的土压力相平衡。作用在钢板桩上的动水压力，简化为作用在水深1/3高度处的集中力，由封底混凝土以下的被动土压力来平衡，计算得稳定系数为3.83＞2，整体稳定满足要求。

3 钢板桩围堰的施工及拆除

3.1 钢板桩围堰施工

3.1.1 施工工艺流程

钢板桩围堰施工工艺流程为:插打钢板桩→钢板桩合龙及封底→安装围囹支撑体系→浇筑底层承台→体系转换→墩台身施工→拆除钢围堰。

3.1.2 主要施工方法

1)钢板桩插打。

利用安放在初始作业平台上的50 t履带吊机配合振动锤插打。钢板桩插打应从一角开始，先打入角桩，然后以第一根角桩为基准，再向两边对称插打钢板桩。钢板桩插打要随时以导梁为准，检查所打的钢板桩的位置是否准确，垂直度是否合格，及时实施纠偏。插打钢板桩前对钢板桩槽内塞黄油、掺锯末，以增强止水效果。

2)钢板桩的合龙施工。

钢板桩合龙应选择在角桩附近(一般离角桩4片～5片)，如果距离有差距，可调整合龙边相邻一边离导向架的距离。为了便于合龙，与合龙口相邻的10片～15片钢板桩采取先插至桩的稳定高度，主要有利于钢板桩的调整。并且合龙处的两根钢板桩应保持一高一低，便于插桩，待合龙后，再将钢板桩振设至设计标高。

3.2 钢板桩围堰拆除

水中墩施工结束，立即拔除钢板桩。拔桩前向围堰内填筑砂砾石，自下而上拆除内支撑，先拆除下部支撑，将砂砾石灌入一层，再拆除上部支撑。

拔桩时先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1 min～2 min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化”，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。

4 结语

颍河特大桥46号、47号主墩30 m长拉森Ⅳ型钢板桩围堰支护系统于2010年1月完成设计并通过专家审查，2010年5月开始施工，2011年2月完成承台浇筑。

该项拉森钢板桩围堰施工为目前全国最大，钢板桩围堰工法悬臂长度达18 m、平面尺寸达28 m×22.4 m，属特大型基坑，施工技术属国内先进水平。

颍河特大桥主墩拉森Ⅳ型钢板桩围堰支护系统的顺利实施，证明在水流较小的河道中大型承台的施工采用拉森Ⅳ型钢板桩围堰支护系统是可行的，具有较好的技术和经济效益，可以为同类桥梁大型水中基础施工提供借鉴。

［1］中国铁建中铁十五局集团有限公司阜六铁路I标项目部.颍河特大桥主墩承台施工方案［Z］.阜阳:中国铁建中铁十五局集团有限公司，2010.

［2］周永兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］交通部第一公路工程局.桥涵［M］.北京:人民交通出版社，1985.

［4］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［5］干昌洪，何 伟.深水墩钢板桩围堰设计与施工技术［J］.山西建筑，2010，36(5):304-305.