水中墩深基坑钢板桩围堰设计

杨惠芳

(中国水利水电第四工程局有限公司第二分局，河北涿州 072750)

1 工程概况

1.1 设计概况

宁杭客运专线NHZQ-Ⅱ标徐舍特大桥跨钟张运河连续梁(60+100+60)m，正线里程为DK111+911.320 ～DK112+133.020。线路采用无砟轨道，设计时速350 km/h，其中415号，416号主墩基础采用11φ200 cm 钻孔桩，承台设计尺寸为18.8 m×12.4 m×4 m，均为低桩承台，埋于河床以下。挡水围堰均采用钢板桩围堰，钢板桩长度15 m，封底混凝土厚度1.0 m。

1.2 水文资料和地质情况

水文资料:徐舍特大桥与钟张运河斜交60°，钟张运河为Ⅴ级航道。主要流量、流速等要素如下:Q1/100=655 m/s，H1/100=3.0 m，V1/100=0.89 m/s。

地质情况:连续梁415号，416号墩处水深约3 m，河床地质从上向下为3.3 m粉土，5.2 m 淤泥质粉质粘土，6.1 m 粉土，18 m粉质粘土，1.6 m 粉砂，4.3 m 细圆砾石，7.1 m 泥质砂岩(全风化)，8.9 m 泥质砂岩(强风化)，8.8 m 泥质砂岩(弱风化)。

2 钢板桩围堰设计

2.1 方案选择

以415号墩为例，一边靠岸，一边靠河，土质为淤泥质粉质粘土，呈流塑状，且固结时间长，抗剪力低，针对以上特点，考虑采用钢板桩围堰施工，此方案有施工成本低、工艺简单、安全等优点。

2.2 结构设计

根据水文资料确定围堰标高为+3.162 m，预留出2.0 m工作空间，围堰平面尺寸为20.8 m×14.4 m矩形，见图1。

以415号墩承台钢板桩围堰为例，水中钻孔桩成孔后，选用拉森Ⅳ型钢板桩，单根长度15 m，套型锁口，防渗性能较强。拆除钻机平台后，在钢护筒上搭设施工平台，进行定位测量。安装三道围囹，第一道设在标高+1.235 m处，第二道设在标高－1.965 m处，第三道设在标高－5.165 m处 。 四周支撑采用H型钢(400×400×16×21)，内部支撑采用钢管，外径D=600 mm，厚度 δ=16 mm。为了在基坑开挖时围囹与桩头错开，以及有效抵抗钢板桩的整体变形，所以内部支撑设计为“井”字形，钢管交叉处用传力架连接。基坑进行有水开挖，灌注1.0 m厚封底混凝土，钢板桩围堰受力按静水压力和主、被动土压力计算。

2.3 钢板桩围堰的计算

主要施工程序为:1)搭设钢板桩;2)有水开挖，边开挖边下放第二道围囹，抽水至第一道围囹下50 cm，安装第一道围囹;

3)有水开挖至第二道围囹设计标高之下50 cm，按照设计标高安装第二道围囹，重复以上工序一次;

4)有水开挖至基坑底，浇筑1.0 m的封底混凝土;

5)拆除第三道围囹，承台施工，施工完毕后，基坑回填至承台顶面，拆除第一、第二道围囹。以上工序中4)较危险，经过计算此工序能安全通过。

土压力计算:

2.4 封底混凝土厚度、强度计算

2.4.1 封底混凝土厚度计算

以415号为例，最高水位取+3.0 m，钢板桩围堰顶标高+3.162 m，底标高－11.838 m，承台底标高为－6.465 m。封底混凝土厚度为h，则封底混凝土底标高为(－6.465－h)，水深为(3+6.465+h)。11个φ200 cm桩基钢护筒部分按不受力计算。钢板桩与土之间的摩擦阻力取12 kPa，钢护筒与封底混凝土之间的摩阻力取100 kPa。

1)围堰整体浮力:

2)钢板桩围堰自重:

3)封底混凝土重量:

4)桩基钢护筒抗拔力:

5)钢板桩抗拔力:

F2=(20.8+14.4)×2×(4.55+11.7)×12=13 728 kN。

6)封底混凝土厚度计算:

建立方程:1.05F浮=G1+G2+F1+F2。

解得:h=0.78 m(取h=1.0 m)。

2.4.2 封底混凝土强度验算

1 m厚C20封底混凝土被桩基分切成若干块，可以按照简支双向板计算，最大跨径为3.9 m(取相邻桩间距)，取1 m宽一条作为研究对象，来验算封底混凝土的弯曲应力。

其中，l为封底混凝土最大计算长度，m;q为封底底面静压力，kPa;W为封底混凝土每1 m宽截面的抗弯模量，m3;h为封底层顶面处至水位面高度，m;d为假定的封底混凝土最小厚度，m;γw为水的重度，kN/m3;γc为混凝土的重度，kN/m3;[f]为封底混凝土容许抗弯曲强度，采用C20混凝土，考虑荷载作用时间较短，可取1 540 kPa。

γw=10 kN/m3，γc=26 kN/m3，h=8.3 m，d=1 m，将以上数据代入公式得:

f=764 kPa＜[f]，满足要求。

3 钢板桩围堰施工工艺和方法

在打设钢板桩后，安装围囹。在围堰内设置三道围囹，围囹与钢板桩之间焊接，上下围囹之间用型钢将三道围囹焊接成整体，这样钢板桩围堰就形成一个整体，抵抗整体倾覆的能力大大增加。

1)将钢板桩运到工地后，认真做好检查、丈量、分类、编号工作，同时对两侧锁口用一块同型号长2 m～3 m的短桩做试验，以2人～3人拉动通过为宜。

组桩及单桩的锁口内，涂以黄油混合物油膏(重量配合比为:黄油 ∶沥青 ∶干锯末 ∶干粘土=2∶2∶2∶1)以减少插打时的摩阻力，并加强防渗性能。

2)导框安装。在进行安装导框时，先进行定位测量。导框采用现场分段制作，固定在定位桩上。

3)钢板桩的吊运、插打与合龙。钢板桩检查合格后，允许堆放最多四层，每层用垫木隔开，高差不得大于10 mm，上下层垫木中线在同一垂线上，允许误差不得大于20 mm。

4)围囹安装。钢板桩打设完成后，安装第一道围囹，围囹各节点均采用钢结，焊接时应采用不小于1 cm厚钢板作为缀板。开挖至第二道围囹标高处时安装第二道围囹，重复以上工序一次即可。

5)封底混凝土。封底混凝土灌注，封底混凝土采用C20，厚度为1.0 m，要求初凝时间为12 h以上，坍落度为18 cm～22 cm，为保证封底混凝土质量，要求混凝土灌注连续不间断进行，并且在尽可能短的时间内完成。

4 结语

徐舍特大桥钟张运河连续梁415号墩承台钢板桩围堰施工证明，对于靠岸的深水承台施工，在周围压力不平衡的情况下，用钢板桩加围囹可以解决，且具有施工进度快、占用空间小、安全又经济，对于淤泥质粉质粘土及粉质粘土等地质状况，采用钢板桩施工是成功的。

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