高潮差环境下承受正逆水平压力的钢板桩围堰施工技术

梁宏顺

摘要:泉厦漳联盟路A3标安海湾特大桥主桥主墩承台钢板桩围堰受湘汐、承台结构影响,施工过程中形成循环的内外正逆压力转换,影响钢板桩结构稳定及止水效果,项目创新性地采取拉撑结合型内支撑.内外压差平衡阀等多种有效措施,最终克服了在这种复杂水文环境下钢板桩围堰施工难点,并取得了良好的经济技术效果,为其他类似工程提供参考。

关键词:桥梁;钢板桩围堰;高潮差:正逆压力;技术措施

泉厦漳联盟路A3标安海湾特大桥主桥位于晋江市东石镇安海湾浅滩区,主桥为135 m+300 m+135 m混合梁连续刚构桥,见图1。主墩133号、134号承台平面尺寸均为39.4 mX21.6 m,高6m,分2层浇筑,每层3m。设计均为高桩承台,承台底距离海床面约3m,海床主要为海相淤泥层,厚达20余m。

日前，钢板桩围堰是极具经济优势的水中基础施工技术,尤其是当承台体积较大、开挖深度中等的水中水台施工,常规钢板桩围堰其坑承受向内的土压力或水压力,在钢板桩内侧设置足够的内支撑,平衡压力,形成稳定的围堰结构。

因安海湾主要受洋流影响,潮汐为正规半日潮，潮差达7m,在钢板桩围堰施工过程中,潮位在承台底以上约5m及承台底以下约2m循环涨落，钢板桩围堰内外形成每天2次承受正逆水平压力转换，对钢板桩结构稳定及止水效果、基坑封底的可靠性、工序转换产生了巨大的影响,这种工况下钢板桩围堰施工技术,国内几乎处于空白状态。现通过安海湾特大桥主桥主墩承台围堰的施工实践,在高潮差环境下承受循环正逆水平压力,对其多项施工技术措施进行剖析和总结。

承台设计钢板桩围堰尺寸42mX25m,采用18m长SP-IV型钢板桩;共设2层围檩,采用双拼HN500X200型钢,分别位于承台分层浇筑的混凝土顶面0.5 m;对撑、角撑、八字撑采用HN400X200型钢,封底前围堰内采用海砂充填约2m,然后进行0.8m厚钢筋混凝土封底浇筑,见图2。

图2 主桥墩围堰示意

(1) 围堰失稳、止水失效

受地形及外海潮汐、风浪的影响,潮汐较大,每天有2次固定周期性涨潮和落潮,高潮位时钢板桩围堰内外会形成水位高度差,平均水头5 m.最大达到5.86 m,外部水压力挤压钢板桩,内支撑抵抗外侧水压力,形成平衡状态;低潮位时水头差平均-2m,最大达-2.32m,也就是封底未完成的工况下,最低潮位时，钢板桩内部产生较大的逆向土压力,钢板桩外侧无外力抵消,钢板桩会往外侧偏移。在潮位有规律涨落的环境下,加上海湾内风浪较大，钢板桩不断晃动并压紧、松脱,结构稳定性难以保障,且钢板桩止水效果非常差。

(2) 封底混凝土扰动

为保证良好的封底效果,在河床上填筑2m海砂垫层后，其上采用0.8 m厚钢筋混凝土封底,且在钢护简.上设置剪力键,采用低潮位干封,封底浇筑持续时间20h。封底混凝浇筑完毕后未达到设计强度之前,封底混凝土难以抵抗高潮位时其封底混凝土隆起压力及基底浮力,封底混凝士存在扰动破坏的风险。

(3) 下层支撑体系无法转换

承台浇筑完下层混凝土后,需要将下层内支撑进行拆除,常用的方法是在下层承台外侧回填砂袋或水,将围堰压力传递至已浇筑完成的承台上。在高潮差环境下循环变化的正向及逆向压力工况下，该工艺会在低潮位时加剧围堰向外的压力,导致围堰失稳。如直接拆除下层内支撑，下层围檩抗弯强度及刚度均不能满足要求,体系转换难以实施。

(1) 设置钢板桩外圈梁

在钢围堰围檁的外侧设置外圈梁,来提高钢板桩抵抗外倾覆能力,外圈梁设置方法为:在钢板桩外侧用HN400型钢焊接—圈,与内侧围檁位置一致，并在纵横支撑节点处,加焊加劲肋,提高焊接处的抗拉能力,见图3.

(2) 设置拉撑结合型内支撑

为抵抗钢板桩围堰在低潮位时向外压力,设置拉撑结合型内支撑,除内支撑与围檩焊接固结外,在主要受力对撑及角撑上,设置φ32精轧螺纹钢筋对拉,锚固于外圈梁上，见图4.

(3) 封底顶部拉筋

在封底顶面的钢板桩处焊接抗拉钢筋,用来抵抗钢板桩底部由于内部高水位带来的侧压力,采用长3mp20钢筋,一端煤接在主桥桩基的永久钢护筒上，另—端与钢板桩进行焊接,设置间距1m,见图5。

(4) 设置内外压差平衡阀

为预防封底隆起压力.在承台封底混凝土顶面以上20 cm处,在钢板桩周边设置平衡排水阀门,用来保持内外压力差在可控的范围内,待封底混凝土强度满足要求后,方可封闭平衡阀，围堰内抽水作业，见图6。

平衡阀设置原则，确保内外水头差在1m以内,保证封底混凝靠自身能抵抗底部的隆起压力及浮力。

(5) 承台下层转换支撑梁

承台下层混凝土浇筑完成后,需将下层围檩受力传递至已浇筑的承台，上,确保下层内支撑拆除后围堰整体稳定性。在下层内支撑节点处设置HN400X200型钢斜撑,锚固于下层承台上,承台下层混凝土达到强度后,拆除下层内支撑,型钢斜撑承受下层围檩荷载,实现下层转换内支撑与原有的下层内支撑之间的受力体系转换，见图7。承台全部浇筑完成后,在围堰内部注水,平衡内外压力情况下切除斜撑伸出混凝土的部分,并对切口进行防腐处理。

(6) 钢板桩、封底堵漏措施

通常止水措施在钢板桩打人之前应在锁口内涂以黄油、锯末等混合物。当锁口不紧密漏水时,用棉絮等在内侧嵌塞,并在抽水时同时在外侧水中漏缝处撒大量木屑或谷糠炉渣的混合物或棉絮等,使其:由水压带至漏水处自行堵塞,或往锁扣处灌细砂,让其堵死间隙。

由于主桥首个钢板桩围堰未意识到高潮差环境:下循环正逆压力工况对钢板桩围堰施工的影响,在内部压力较大的情况下,钢板桩与封底形成分离裂隙,封底混凝土隆起产生少量裂缝,常规的止水措施难以封堵。在分析对比后,采用低潮位时用土工布将裂缝深处封堵,然后采用凝结速度快,凝结强度高的“新型堵漏王”进行封堵,经实测“新型堵漏王”初凝时间<3min,终凝时间<60min,抗压强度>15 MPa.3 d抗压强度>30 MPa,封堵效果良好。

高潮差环境下正逆压力工况与常规钢板桩工况的本质区别是会出现内部水头高于外部水头的工况,常规钢板桩内支撑体系无法抵抗向外的侧压力。项目针对性地采取措施,解决内外压力差变换产生的诸多问题,从实施结果看,取得了良好的成效,为类似高潮差环境下承受正逆水平压力围堰施工提供了一些借鉴。