装配式深水组合钢板桩围堰设计

由项敏 13818186389 撰写
发布于 2023年11月22日 23:32:43
最后修改于 2024年11月14日 11:36:40

▍摘要

摘要：以深中通道东泄洪区非通航孔桥9墩承台为背景#，从围堰结构形式、钢板桩截面型号、施工工序、支撑体系等方面，介绍采用先支法施工工艺的装配式组合钢板桩围堰结构，采用有限元法对围堰施工全过程进行数值分析。帽形钢板桩+H形型钢的组合截面大大提高了钢板桩的刚度；先支法施工工艺使板桩和内支撑受力更加合理，使钢板桩围堰适用于更大水深；装配式内支撑结构体系，降低了钢板桩换撑的安全隐患，且可操作性强、构件装配化程度高，提高了围堰内支撑体系转换和材料周转使用效率，缩短工期，降低施工成本。

关键词：围堰；组合钢板桩；先支法；装配式内支撑体系

▍0 引言

近年来，随着中国基础设施建设的快速发展，众多大跨径、深水基础桥梁应运而生，深水基础施工技术已成为大型桥梁建设的关键技术。围堰作为水中桥梁桩基础施工的重要结构，通过侧壁和底部结构为承台和墩身施工提供干施工环境。常用的有钢板桩围堰、单壁钢吊箱(套箱)、双壁钢吊箱(套箱)以及组合围堰结构。而钢板桩围堰以其施工便捷、止水效果好、成本低、可重复使用等优点得到广泛应用。本文以深中通道某深水埋置式承台施工为背景，介绍一种采用先支法施工工艺，装配式的内支撑体系，帽形钢板桩+H形型钢的组合围堰结构。运用数值模拟方法，建立有限元模型对围堰施工阶段展开研究，在计算结果满足规范要求条件下进行施工，可保证工程的安全，可为同类型项目施工提供借鉴。

▍1 工程概况

深圳至中山跨江通道东接机荷高速公路，跨越珠江口，西至中山马鞍岛，与规划的中开、东部外环高速公路对接，实现在深圳、中山及广州南沙登陆。项目全长约24.03 km，其中跨海段长22.39 km，是集“桥、岛、隧、地下互通”为一体的系统集群工程。东泄洪区非通航孔桥全长2 640 m，跨径布置为4×(6×110)m，5#~14#承台处于深水区，15#~27#承台处于浅水区，施工期最大流速1.57 m/s，最大浪高2.03 m。其中9#承台底标高-16.7 m，在设计高水位+3.01 m时水深19.71 m，属于超深水基础。承台尺寸横桥向16.5 m、顺桥向10.5 m、厚4.5 m，桩基采用6根ϕ2.5 m钻孔灌注桩，承台为低桩承台，底部位于河床底5 m。地质断面从上至下为淤泥、粉质黏土，其中淤泥呈流塑状，厚度近20 m。

▍2 钢板桩围堰方案

2.1 围堰形式比选

根据项目实际情况，承台施工拟选取双壁钢围堰、锁口钢管桩围堰、组合式双壁钢围堰、钢板桩围堰结构形式进行对比分析。双壁钢围堰刚度大、受力好，但是加工复杂、不方便周转和回收，且需要大型吊装设备。锁扣钢管桩相比单纯钢板桩刚度较大，但是钢管与围囹接触处压力大，钢管局部变形大，不适用于较大水头差的承台。组合可拆式双壁钢围堰将双壁钢围堰和锁扣钢管桩结合起来，刚度大，可周转，同样需要大型设备，下沉存在不均匀沉降风险，锁扣处刚度偏弱，容易发生变形及漏水危险。围堰结构平面布置图见图1。钢板桩围堰施工快捷、安全可控、成本低、方便周转使用，但是板桩刚度小，不适合在水深大、流动力较大的环境下使用。9#承台施工期最高水位至承台底的距离接近20 m，若采用钢板桩围堰施工承台，需从板桩刚度、施工工序及内支撑形式等方面来解决这一难题，其结构图

(图3)。将帽形钢板桩的挡土、止水功能和H形钢的强抗弯性能相结合，不同型号的帽形板桩与H形型钢可根据不同需求自由组合，据统计有200多种组合截面可供选择，每延米组合板桩的截面模量可达到3 000~19 970 cm3。9#承台钢板桩围堰拟采用NS-SP-45H+HN800×300组合钢板桩结构。经截面组合计算并考虑折减后，每延米截面模量为12 000 cm3，达到常用U形钢板桩的3倍以上，使钢板桩围堰能适应更深的水头。

2.2 板桩型号选择

目前中国常用U形钢板桩，每延米截面模量为874~3 820 cm3。根据经验，承台底标高到设计水位的距离大于12 m时，普通钢板桩的强度和刚度难以满足要求。9#承台的最大水头差19.71 m，经多次计算比选，决定采用帽形钢板桩+H形型钢的新型组合（图3）。将帽形钢板桩的挡土、止水功能和H型钢的强抗弯性能相结合，不同型号的帽形板桩与H形型钢可根据不同需求自由组合，据统计有200多种组合截面可供选择，每延米组合板桩的截面模量可达到3 000~19 970 cm3。9#承台钢板桩围堰拟采用NS-SP-45H+HN800×300组合钢板桩结构。经截面组合计算并考虑折减后，每延米截面模量为面组合计算并考虑折减后，每延米截面模量为桩围堰能适应更深的水头。

另外，与钢板桩相比，中国产H形型钢的成本相对较低，而组合板桩截面中H形型钢的质量比例达50%~70%，大大降低了材料成本。H形型钢与钢板桩之间的连接可以采用简单的断续角焊焊接，可在施工现场或附近的工厂进行加工，使用普通的振动锤进行打桩，施工成本低、效率高。

2.3 围堰施工工艺

围囹和内支撑构成的内支撑体系，在围堰抽水过程中，作为钢板桩结构的支撑点，其支点数量、支点布置、支点支撑的先后次序，对整体结构的受力影响至关重要。传统法钢板桩围堰施工又称“后支法”，先施打钢板桩，后逐层抽水安装各层围囹，最后抽水至承台底实现干施工环境。板桩随着抽水过程的进行，变形逐渐累积增加，内力增大。为了控制其抽水过程中钢板桩的变形及内力，一般通过加密设置围囹支撑系统。因此，围囹支撑较多，施工复杂，工期长。先支法是预先安装各层内支撑，然后一次性抽水到位。在抽水过程中，相同荷载下，板桩的支撑点增多，跨度减小，能有效减小板桩和支撑系统的内力，并且能减少钢板桩在抽水过程中累积变形而导致的内力增大。而且支撑系统提前下放，有助于钢板桩在流速大的情况下施工定位。一次性抽水到位大大简化了施工，大幅缩短了工期。

9#承台水头差约20 m，采用“先支法”施工工艺。首先在护筒上焊接牛腿及定位下放装置，利用临时牛腿现场拼装围囹及内支撑，利用起重设备分层整体下放内支撑体系并放置于临时固定架，见图4。全部下放定位后插打钢板桩，然后带水开挖，水下浇筑封底混凝土。待封底混凝土强度达到设计强度后逐级抽水，并抄垫每层围囹与钢板桩之间的缝隙。抽水至封底混凝土顶部后割除钢护筒，处理桩头，支撑承台侧模，绑扎钢筋，浇筑承台混凝土。承台混凝土达到强度后，拆除侧模，在承台与钢板桩空隙间回填砂土分层夯实，顶部浇筑0.5 m高混凝土圈梁。墩身施工前，安装每道内支撑体系的四角斜撑，拆除中部与墩身冲突的直撑，完成体系转换。墩身出水后，围堰内回灌水，由下至上逐层拆除内支撑体系。最后围堰内回灌水与外部水位齐平，逐根拔出组合钢板桩。

2.4 便于体系转换的装配式内支撑体系

目前钢板桩围囹与内支撑大多采用焊接连接，安装和拆卸麻烦。采用分块预制、现场焊接，现场劳动强度高、作业风险高，且需要消耗大量的焊接材料；采用整体预制，起吊设备整体吊装下放，对预制场地和运输、起吊设备有较高要求。体系转换、支撑体系拆除时，多采用气割法，不利于支撑结构的周转使用，造成材料浪费。

为提高装配化程度，避免材料浪费，可将围囹及内支撑分块加工，用螺栓连接成整体。但是后期墩身施工，需要拆除与墩身相冲突的内支撑并安装新支撑，进行体系转换时，由于板桩及支撑体系在前期施工过程中已产生变形，新安装的内支撑结构长度难以调节和适应。而且围囹及内支撑大多是有应力施工，旧支撑拆除时因无法释放弯矩和压力，容易造成拆除困难，引起施工安全隐患。

9#承台钢板桩围堰采用一种便于体系转换的装配化内支撑结构体系。根据结构形式以及起重设备起吊能力，围囹和内支撑均分块预制，块与块之间采用螺栓连接。拼装节点处预先焊接连接板、预留螺栓孔，在拼装平台通过螺栓装配成整体。内支撑换撑处，预先在围囹上设置双向连接接头，一头连接原内支撑，一头连接新安装内支撑。墩身施工前，先安装每道内支撑体系的四角斜撑，再拆除中部与墩身冲突的直撑，完成体系转换。换撑接头支座处设置液压千斤顶，施加预顶力，使旧支撑释放部分弯矩和压力，降低旧支撑拆除困难。同时抵消部分板桩和支撑体系的已有变形，保证安装新支撑后各构件受力更安全有序调整和分配，使换撑工作能安全进行。9#承台钢板桩围堰体系转换前后结构形式见图5。