岩层变水头区域水上钢板桩围堰施工关键技术

宋 晓

（广州工程总承包集团有限公司 广州 510310）

在跨江、跨河区域，桥梁下部结构施工常通过在水中设置钢围堰进行施工，深水承台基础施工技术难度大，桥梁水中下部结构施工是桥梁施工中的关键工序，围堰施工顺利与否是深水基础能否成功施工的关键，拉森钢板桩在中风化或微风化岩层中插打难度大的特点，同时受水位变化影响，施工难度加大，围堰变形、应力变化复杂。

1 概况

广州市荔湾区某跨河桥梁由西向东跨越花地河，结构形式为预应力连续箱梁。水中桥段采用独桩独柱墩。墩柱横桥向中心距约5.0 m，墩径ϕ1.6 m，墩底直接连接φ1.8 m 桩基础，墩顶及桩顶均设横系梁。该工程水中岩层覆盖层较薄，工程河段微弯，桥位处河宽约60.0 m，航槽位于河道中间，水深2.6 m。受西闸、北闸、南闸及葵蓬闸的限制，涌内水位变化较大。

2 围堰的方案设计

根据现场实际情况，该桥2#、3#墩采用拉森钢板桩围堰的施工方案如图1 所示。围堰尺寸定为：单个主墩为11.2 m×4.8 m，钢板桩选用德国拉森Ⅳ型，采用双排长度为15.0 m 的钢板桩，围檩采用双拼I25工字钢，设置三道水平内撑，采用ϕ377×8 mm 钢管，内支撑钢管支点处焊接钢板加劲；内支撑钢管支点处焊接钢板加劲。为防止施工过程中水位突然下降，围堰内抽水不及时导致围堰内侧水头高于围堰外侧水头［1］，在围堰外第一道圈梁等高位置设置一道圈梁，并与第一道圈梁对拉，同时在钢板桩围堰上增设连通管，以快速降低围堰内外水头差。封底混凝土采用50 cm 厚C25混凝土。

图1 钢板桩围堰剖面Fig.1 Profile of Steel Sheet Pile Cofferdam

3 钢板桩围堰施工方法

测量放线➝清理钢板桩➝设置导桩框架➝插打定位钢板桩➝插打钢板桩➝抽水➝设置第一、第二道内支撑➝水下吸泥➝水下混凝土封底➝等混凝土封底强度➝继续抽水➝设置第三道内支撑➝堵漏➝承台和墩身施工➝拆除内支撑➝拔除钢板桩。

3.1 岩层区域引孔、钢板桩插打与止水措施

根据现场实际情况，桥位处上游具有水库，河床部分为覆盖层以砂卵石为主，厚度0.5～2.0 m，覆盖层其下依次为泥质粉砂岩、泥岩、砂岩，为保证钢板桩工作稳定，钢板桩入土深度控制在桩长的1/3 左右（入土深度约5 m），需要打入岩层不少于2～3 m，施工难度较大。由于通常用的拉森钢板桩施工工艺、不能打入到中风化或微风化岩层中，钢板桩可能因嵌固深度不够而使围堰位移过大，影响正常使用和安全性。通过使用机械钻引孔在岩石区域下钢板桩，孔内浇筑混凝土固定，增强了钢板桩围堰在岩层区域的稳定性，保证了嵌入深度［2-4］。为将钢板桩插打至设计预定的深度，以插打钢板桩中心的延伸线作为导向线定位出引孔开槽孔位。拉森Ⅳ型钢板桩宽度为371 mm，为保证开槽的最小宽度满足钢板桩施工要求，控制旋挖钻钻孔间距为0.8 m。以先前插打钢板桩中心的延伸线作为导向线定位出引孔开槽孔位。孔位钻进采用跳钻的方式，引孔开槽完成后，槽口对接过程中，控制好钢板桩的垂直度，以保证钢板桩槽口对接平顺。

钢板桩插打过程中直接以下放到位的内支撑圈梁作为导向，使得钢板桩插打后与圈梁间贴合更紧密，闭合线形更好，钢板桩间互相咬合止水效果更好，能更好地保障钢板桩插打精度和质量。为保证钢围堰在深水区域底部的止水效果，根据工程现场的实际情况和水文地质条件，通过在钢围堰内四周和钢护筒焊接一圈钢板与封底混凝土浇筑封底，防止钢结构与混凝土接缝位置的渗漏，降低了钢围堰施工期间渗水量。封底技术手段选用垂直导管法。导管作业时以4 m 为半径进行导管布置，封底顺序为从桩基护筒周围从上下游侧对称向中间封底，最后在护筒中部合龙，完成封底［5］。

3.2 内撑安装

本项目设置三道内撑，为施工方便，采用逆作法的顺序自下而上安装内撑。

⑴ 将围堰底部淤泥清除至封底混凝土底部标高，首先安装最底部（第三道）围檩和内撑。

⑵圈梁采用双拼I25a 工字钢，内撑采用ϕ377×8 mm钢管，围梁和内撑起吊并水平安放后焊接固定。

⑶安装围檩和内撑时，内水头应低于内撑底部50 cm，内外水头应尽量保持一致。

传统的内撑采用从上到下的方式依次安装，围檩和内撑安装时空间受限，吊装及安装难度大。本项目结合围堰外侧变水头的特点，通过调整内外最小水头差前提下进行施工。

3.3 连通器设置

内外连通器联通围堰内部与外部，围堰内撑施工过程中保持围堰内外侧水头一致［6-7］。最下一道支撑安装时，内往外排水，为防止在施工最底部一层内支撑时，施工过程中水位突然上升，应确保涨潮前两端焊接固定如图2所示。

图2 第三道内支撑安装Fig.2 Installation of the Third Inner Support

最上一道支撑安装时，最高水位时关闭连通器如图3所示。

图3 第一道内支撑安装Fig.3 Installation of the First Inner Support

传统的抽水方式进行围堰内外水位调节的方式不仅效率低，还增加了施工成本。通过在钢板桩围堰侧壁增设联通阀，消除涨落潮和周边水库开关闸引起钢围堰内外水位差对施工不利影响［8］，同时灵活应对水头差循环动荷载作用下对围堰位移和应力的影响，具有广阔的应用前景。

3.4 有限元分析

利用Midas Civil 建立三维有限元分析模型［9-10］，如图4所示。以便更好地了解钢板桩围堰应力状态和支撑内力分布规律。荷载包括模型自重、静水压力、主动土压力、被动土压力以及作用在封底混凝土上的浮力，对不同部位的最大组合应力、剪应力、挠度等进行计算分析。最不利工况为在只有第三道内撑（最下面一道内撑与围檩焊接牢固，起到顶撑的作用）施作，受水库开闸门影响，内外水头差达到最大，荷载这时候达到最大的水土压力。

图4 有限元分析模型Fig.4 Finite Element Analysis Model

整个围堰的位移（含钢板桩和第三围檩和第三道内撑）工况二时钢板桩围堰中钢板桩板板单元位移最大，最大挠度12.6 mm＜L/400=16.75 mm，满足要求如图5所示。

图5 围堰变形分析Fig.5 Analysis of Cofferdam Deformation

钢板桩围堰最大应力σ=92 MPa＜210 MPa，满足要求，如图6所示。

图6 围堰应力分析Fig.6 Stress Analysis of Cofferdam

4 结语

本文对岩层变水头区域钢板桩围堰设计和施工方法进行了介绍，并对最不利工况下的围堰进行了计算分析，得出以下结论：

⑴使用机械钻引孔在岩石区域下钢板桩，孔内浇筑混凝土固定，增强了钢板桩围堰在岩层区域由于入土深度不足的稳定性问题。

⑵采用逆作法施工钢板桩围堰内支撑，解决了围堰内施工围檩和内支撑空间受限问题，提高了施工效率。

⑶在钢板桩围堰侧壁增设联通阀，消除涨落潮和周边水库开关闸引起钢围堰内外水位差对施工不利影响。