钢板桩围堰设计与有限元分析

毕晓林，张 杰，王 兵，刘海亮，李元一

(中建八局西南公司 成都市 610041)

钢板桩围堰是常用的一种基坑支护结构，施工具有机械化、快速化、施工简单等特点，具有造价低、强度大、阻水效果好、可回收利用等优点，在市政公用工程、桥梁基础建设等工程领域中得到广泛应用。然而由于水中施工情况复杂，钢板桩围堰设计通常需要进行计算，围堰是空间受力体系，并且由于地质条件差异，河床面下钢板桩嵌固模拟与实际情况差异较大，围堰虽为临时结构，但其安全性极为重要，须重视其结构设计计算和施工质量。

1 工程概况

某工程斜拉桥主墩位于沱江河床中，主墩基础为28根直径2.5m的钻孔灌注桩，采用4×7行列式布置，中心间距5.0m，设计桩长25m。

承台尺寸34×19×4.5m，位于沱江河道内，河道宽度约220m，河床标高+427.3m，施工常水位+431.8m，承台顶与河床基本齐平，承台底标高+422.847m，施工拟采用筑岛+钢板桩围堰进行防护的施工方案进行，筑岛顶标高+433.120m，围堰设防水位+434.0m。

2 地质资料

河床顶部为前期施工的约5m厚的土石方筑岛平台，实测压实度为90%。根据设计院提供的地勘报告并结合钻孔桩施工过程留取地层芯样，主墩河床桥墩基础范围地质及相关参数见表1：

表1 土层参数表

3 围堰构造设计

3.1 围堰尺寸拟定

(1)围堰平面尺寸

围堰平面净尺寸考虑承台模板厚度、人员操作预留空间、钢板桩偏位等因素，板桩距承台边缘预留控制在1.0～1.5m范围，并结合栈桥尺寸，确定主墩围堰平面净尺寸为36m×21.6m。

(2)板桩选择

围堰立面尺寸考虑水上外漏安全高度(1m)、施工期间最大水深(7m)、河床以下基坑开挖深度(4.5m承台+1.0m垫层)、板桩入土深度(4m)、冗余长度(0.5m)，钢板桩穿越土层主要为卵石土和强风化岩。结合市场上常用钢板桩规格及常规长度，选择长度18m的拉森IV型钢板桩。

3.2 圈梁及内支撑设计

围堰内设置圈梁和内支撑，首先估算钢板桩在三角形载荷下最大跨径，尽量发挥板桩自身抗弯强度大的特点，同时限制其挠度，一般不超过跨径的1/400，通常设置三道内支撑。第一道围堰一般设在施工时常水位附近，如果设置在水位以下过低，则钢板桩变形过大。第二道围堰设在承台顶面以上0.5m左右，便于下塔柱分段施工，适当发挥土的抗力，节省围堰材料。第三道围堰支撑设置桩顶1.8m以上预留空间，便于桩头凿除和垫层浇筑。

围堰采用三层圈梁及内支撑。结合现有材料和型钢参数，圈梁拟采用2HN900×300(局部位置贴上下盖板)，内支撑斜撑拟采用2HN700×300，横撑拟采用Φ820×12钢管桩；圈梁及内支撑材料均为Q235B。

表2 围堰构件参数表

3.3 围堰布置型式

结合上述结论，钢围堰顶高程取值+435.847m，围堰底高程取值+417.847m，围堰共设置三道内支撑，三道内支撑的标高分别为+432.347m、+427.847m、+424.847m，其中第三道内支撑为开挖过程临时支撑，在垫层混凝土浇注达到设计强度后拆除。主要施工顺序是先安装钢板桩并合龙，再进行围堰内抽水作业，从上至下依次安装内支撑，同时进行钢板桩堵漏，再开挖河床以下基坑。

主墩基础钢板桩围堰布置见图1、图2：

3.4 施工方法简述

主墩基础的钢板桩围堰施工步骤如下:

(1)桩基施工结束后在筑岛平台安装静压植桩机，植入定位桩及反力桩；

(2)依次植入钢板桩直至合龙；

(3)在+432.347m处安装第一道内支撑，进行承台基坑开挖；

(4)围堰内开挖至+427.3m，在+427.847m处安装第二道内支撑；

(5)围堰内开挖至+424.3m，在+424.847m处安装第三道内支撑;

(6)围堰内开挖至+421.847m，及时浇注100cm厚C25混凝土垫层；

(7)待垫层混凝土达到强度后拆除第三道内支撑，破除桩头进行承台施工;

(8)承台施工后在其顶面与钢板桩间回填中粗砂，并在承台顶四周浇注50cm厚混凝土冠梁作为临时支撑;

(9)拆除第二道内支撑；

(10)待主墩塔柱底节施工出水后，拆除第一道内支撑；最后依次拔出钢板桩。

4 钢围堰有限元模型分析及结果

4.1 建立模型

采用容许应力法对钢板桩围堰进行计算。利用MIDAS/Civil软件按照施工阶段法对主墩基础的钢板桩围堰进行有限元分析，钢板桩围堰的入土(岩)约束条件按照m值法加设。

围堰施工采用的材料均为钢材，根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)取值。

荷载组合取静水压力+土压力+水流力。

钢板桩围堰计算模型如图3。

4.2 工况分析

设防水位为+434.0m，围堰第一层圈梁及内支撑在设防水位以下安装。按照施工工序，主墩基础的钢板桩围堰分为以下五种计算工况：

工况一：开挖至+432.0m标高，安装第一层圈梁及内支撑。

工况二：然后抽水至标高+427.347m(此时开始围堰设防水位为+434.0m)。

工况三：安装第二层圈梁及内支撑，然后抽水至标高+424.347m。

工况四：安装第三层圈梁及内支撑，然后抽水至标高+421.847m，施工100cm厚垫层混凝土。

工况五：垫层混凝土强度达到设计要求后，拆除第三层圈梁及内支撑，施工承台混凝土。

各种工况分别建模计算，以工况五为例，建模分析图示及结果如下：

(1)钢板桩应力计算图示如图4。

(2)钢板桩位移计算图示如图5。

(3)圈梁及内支撑应力计算图示如图6。

(4)圈梁及内支撑变形计算图示如图7。

各工况计算结果统计表如表3。

4.3 钢板桩入岩深度计算

钢板桩在基岩顶面处的最大剪力248.0kN，钢板桩在基岩顶面处的最大弯矩181.6kN·m。

表3

钢板桩入岩深度按照《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》(JTJ285-2000)中4.3.2进行计算。

钢板桩入岩深度计算：h=1.4m<4.0m，满足要求。

4.4 圈梁及内支撑稳定性验算

圈梁最大轴力N=3070.9kN，最大弯矩My=659.3kn.m，圈梁面内、面外计算长度均为4.2m，其回转半径为ix=363.7mm，iy=163.2mm，长细比为λx=11.5, λy=25.7，查b类截面稳定系数为φx=0.99，φy=0.951,截面面影响系数η=0.7，等效弯矩系数βmx=βmy=1.0，βtx=βty=1.0，

结算结果表明，圈梁稳定性满足要求，同理可计算得出内支撑稳定性亦满足要求。

4.5 验算结果

通过对主墩围堰进行有限元数值分析，强度和变形、稳定性进行了分析，围堰结构件强度及压杆稳定基本满足要求。根据地质资料、现场施工情况及计算数据，钢板桩端嵌岩约束可以形成，围堰抗倾覆稳定满足要求。围堰底部为岩石，围堰底抗渗流稳定性满足要求。

5 结束语

根据工程基础资料，结合工程特点和实际情况，在沱江中选择钢板桩围堰施工主墩承台，合理选择构件型式、规格、布置方式等，并采用有限元进行验算，各项指标满足规范要求，实践证明应用效果良好，钢板桩围堰的应用，顺利地完成了主体工程施工，并安全度过汛期，类似工程可参考借鉴。