▍摘 要‍

摘要：钢板桩围堰是水中大桥工程基础施工中常见的一种施工工艺。钢板桩围堰具有易于打入地层、止水性能好、用途广等优点，但也存在地层阻力较大不易插打、插打方向不易控制等问题。本研究结合汉江二桥卵石地层承台施工，主要从浅锚固式钢板桩围堰设计方案、施工难点、施工监控等方面进行分析，论证在卵石地层条件下采用浅锚固式钢板桩围堰的适用性、安全性和经济性。结果表明，浅锚固式钢板桩围堰在施工过程中的刚度、强度及稳定性均满足规范要求，其现场施工过程监测结果与理论计算结果基本吻合，完全可用在卵石底层中，并有减少成本、缩短工期等优势。

关键词：钢板桩围堰；浅锚固；有限元；砂卵石层土层；硬岩底层

▍1 研究背景

我国深水基础的应用始于20世纪50年代，在结构形式、基础尺寸、使用材料等方面都有不同的技术应用。钢板桩围堰是当前具有明显优势的深水基础施工技术，在公路桥梁建设中有着广泛应用，其设计计算方法大多基于简化计算和工程经验。通过对围堰各施工阶段的实时监测，对施工过程中出现的异常情况及时采取有效措施。

本研究依托汉江二桥39号、40号墩钢板桩围堰施工实例，总结及论证方案设计过程中的经验和不足，尤其对卵石层中浅锚固式钢板桩插打、开挖、监控的工艺进行研究分析。通过施工技术的研究，为今后类似工程钢板桩围堰施工提供参考和借鉴。

▍2 工程概况

宜城汉江二桥跨江主桥为110 m＋200 m＋110m跨径连续刚构桥，桥面总宽32．0 m，设计为分离式双幅桥。其中，39号、40号桥墩为主桥桥墩；承台属于低桩承台，埋置于河床中，如图1所示。主墩采用整体式承台接钻孔桩基础，承台结构尺寸(横向×纵向)为37m×17．5m，厚度为5m。承台下设置18根直径为2．6m的钻孔灌注桩，横向×纵向排列为3×6。

桥梁位于汉江中游崔家营~宜城河段的牛路口滩群，该滩群属丘陵平原地带。桥位处水深一般1．6~4．0m，最大水深8．0m，河底高程多为45．2~48．2m。承台处河床地质依次为砂卵石、强中风化砂岩、砂层，地质情况较为复杂。圆砾粒径为2~8cm，最大粒径为8cm，卵石层厚度达6．1 m~9m；中风化砂岩层厚2m，其下层为砂层。

▍3 方案设计

该项目在承台围堰工程施工方面，需要解决以下3个方面的技术问题。

(1)大粒径卵石层影响钢板桩施工质量和效率的问题。

(2)薄层硬质板岩地质钢板桩无法自然插打和开挖难度大的问题。

(3)钢板桩锚固深度受砂岩地质影响仅锚固2m左右，这种条件下确保钢板桩开挖阶段结构安全的问题。

3．1施工方案选择

为解决以上问题，经过多方案比选研讨、理论分析和现场实际情况研究，借鉴航道整治工程、码头吹沙回填工程等项目施工技术经验，制订了针对本项目围堰施工的施工流程方案，如图2所示。

3．2围堰结构布置

主墩围堰尺寸为39．8 m×20．30 m，围堰顶标高为＋55．00m，底标高为＋37．00 m。主墩采用水中钢板桩围堰，钢板桩采用拉森Ⅳ－W形钢板桩，单根长度为18 m。钢板桩最大开挖深度为11．338m，锚固长度为2．6m。共设置2道内支撑，支撑全部采用2HN700 mm×300 mm型钢。基坑底部水下封底厚度为2 m，封底混凝土底标高为＋39．662m，钢板桩锚固长度较小。钢板桩围堰结构布置如图3和图4所示。

3．3设计计算

根据主墩施工工序，均针对以下3个工况进行计算分析。

(1)工况1：安装完第一道内支撑开挖至最大深度。

(2)工况2：封底后抽水至第二道支撑位置下50cm。

(3)工况3：安装完第二道支撑后抽干水。

采用Midas建立空间模型进行模拟分析。对于内支撑，采用Midas建立平面模型，单独对其强度、刚度及稳定性进行计算分析。工况2的整体计算模型如图5所示。

建立Midas空间模型分析围堰整体受力情况。主动土压力荷载按朗肯土压力荷载公式计算，被动土压力采用支座弹簧刚度模拟。计算结果如图6所示。

根据计算，工况3受力最大，见表1。

▍4 施工技术研究

4．1河床面处理再利用技术

汉江水位变化大，围堰设计要满足最高水位要求，开挖深度达11 m；且施工要尽可能在汛期前完成，工期压力大。项目施工中，使用挖砂船提前清淤，降低了河床卵石层标高，从而减小了围堰闭合后的清淤难度以及钢板桩的插打深度；同时，将清淤材料运输到碎石场进行再利用，后期用作项目路基填筑材料，降低了施工成本，如图7所示。通过河床面处理，河床标高从＋45．72m降低到＋43．00m，降低约2．72m；采砂约1 700m3，节省成本约25万元。

4．2静压植桩机技术

河床存在较厚卵石及圆砾层，且桩基钻孔记录表明卵石层下为中风化砂岩层。通过现场采用振动钳试桩，发现钢板桩在卵石层很难插打且施工效率低。通过调研其他类似工程，提出了旋挖钻引孔、静压植桩机施工两种方案进行比选。旋挖钻引孔对平台、栈桥承载能力和空间的要求较高，且引孔回填后孔底渗水风险高。而带螺旋钻的静压植桩机主要为日本进口，设备集成了先进的自动化技术，相比传统旋挖钻引孔、回填、注浆法施工，其综合施工费用相差无几。最终决定采用静压植桩机(带螺旋钻)施工。

在坚硬砂卵石及硬岩地层中，静压植桩螺旋钻利用“除芯理论”，在钢板桩压入的同时通过螺旋钻钻进降低贯入阻力，从而实现插打作业，适用于砂岩、花岗岩等中硬岩层。静压植桩机的工作系统组成示意如图8所示。

因地质条件的不可预见性，植桩机工作时通常使用手动操作。为保证施工安全，设定施工相关压力、速度参数的上限值，施工过程中如超上限值，则设备暂停施加压力。主要设定参数见表2。

静压植桩机对于水中坚硬地层施工钢板桩具有较大优势，体现在施工设备轻、不占用平台、施工质量高等方面。植桩机施工现场如图9所示。

4．3吸泥机＋长臂挖机技术

汉江水位变化大，围堰设计要满足最高水位要求，开挖深度达11 m，且施工要尽可能在汛期前完成。因此，提高围堰开挖速度是关键点之一。

围堰内清理时，采用吸泥机吸泥，使用大功率柴油水泵抽水将泥沙带出，排水流量约为1 000m3／h，泥沙排出量约为200 m3／d，可以吸出粒径为10cm以下的砂砾。吸泥机平台需离水面近，施工时将平台设置在钢护筒上，割除钢护筒顶部，使平台比水面高出1m。吸泥机基座尺寸为9m×2．3m。

在吸泥机施工2d后，发现泥沙排出量远小于预估值。为提高施工效率，对大功率吸泥机进行了设备改造，增加了60型振动锤，并制作了夹具夹住排泥钢管，钢管端部采用钢筋焊接成尖锥状。为提高吸泥效果，加装了高压射水装置，吸泥管带动射水管一起上下移动，边冲边吸，射水装置压力控制为1．0~1．5 MPa，如图10(a)所示。同时，利用振动锤将河床砂石激振松散，边抽水边振动，提高了泥沙排量，如图10(b)所示。

施工中发现，当吸泥机工效降低到110m3／d时，吸泥机工效、成本已不能满足施工需求。经研究，决定同时采用28 m长臂挖机，如图11所示。28m长臂挖机工作稳定，斗容量为0．2 m3，每天工作10h，每天可开挖120 m3。同时，长臂挖机还可兼顾挖除桩基护筒内的泥浆结块。

虽然在桩基施工完成后已经对桩基钢护筒内泥浆进行了抽除，但当时由于护筒口内桩头深度太大且泥浆泵扬程有限，因此仍然留有桩头以上4m高度的残留黏土混杂水泥浆硬块需要清除。如不及时清除，而是留在封底破桩头后再清除，将会大大增加清理难度，同时会延长清理时间。因此，在围堰清理期间，必须及时清除钢护筒中的泥浆硬块。

4．4深水围堰封底技术

39号、40号主墩围堰的设计封底厚度为2 m，施工预留0．2m作为找平层，底标高为＋39．662m，顶标高为＋41．462 m，封底面积为833．2 m2，一次性浇筑混凝土的理论体积为1 500 m3。采用C25混凝土浇筑。浇筑导管按照影响半径5 m布设，导管布置的影响半径要大体相同。导管底口距围堰内河床顶面的高度控制为25cm左右。

封底混凝土浇筑过程中，需对混凝土面进行测量，测点主要布置在围堰四周、钢护筒四周、混凝土浇筑点交叉部位及各浇筑点。

▍5 分布式光纤围堰施工监测技术

运用分布式光纤传感技术监测钢板桩在开挖过程中的内力以及变形情况，为围堰施工提供监测数据以及工程预警。

在钢板桩内两边各布置两根保护钢筋，在保护钢筋上布置一个光缆回路，如图12(a)所示；对两根钢筋形成的凹槽进行打磨，用环氧树脂胶水把光缆固定在钢板桩上，保护光缆，如图12(b)所示。

用熔接机对光纤的接口进行熔接，如图13(a)所示，让光缆与APC接头连接，使其成为一条完整的回路。最后，把光缆固定在钢板桩上，如图13(b)所示，方便打桩。

根据该基坑施工实际情况，设计了围堰监测点方案，确定了监测频率及监测报警值。本工程钢板桩围堰开挖深度超过了10m，监测频率按照一级钢围堰确定，见表3。

运用分布式光纤传感技术监测了施工过程中钢板桩与钢支撑的应力、应变、内力、位移等。监测结果表明，39号墩和40号墩的钢板桩围堰顶部桩身水平方向位移最大为23 mm，小于预警值；钢板桩围堰桩身最大应力为97 MPa，小于预警值，围堰施工各阶段结构处于安全可控状态。39号墩钢板桩围堰的应力和位移的监测结果如图14和图15所示。

▍6 结 语

通过对汉江二桥深水卵石地层浅锚固式钢板桩围堰施工技术的研究，得到以下结论。

(1)技术安全方面：施工监测与理论计算结果基本吻合，表明在深水卵石地层采用浅锚固式钢板桩围堰施工方案是安全可靠的；分布式光纤传感技术能监测钢板桩桩身的整体受力变形情况，弥补常规监测技术的不足，为围堰工程的动态风险评估提供精确、可靠的监测数据。

(2)技术经济性方面：在卵石层钢板桩围堰施工过程中采用采砂船、吸泥机、长臂挖机、静压植桩机等施工技术措施，具有很好的经济性、适用性。这些技术措施可为今后深水卵石层围堰施工技术提供借鉴和参考。

来源：《公路》

作者：王海涛