淺談深水基坑單壁鋼板樁圍堰設計與施工

張鈺

摘要：深基坑工程涉及巖土力學、結構力學、材料力學、工程地質和施工技術等專業知識，是一項很強的學科。由于影響基坑工程不確定因素很多，基坑工程又是一項風險性很大的工程，稍有不慎就會釀成巨大的工程事故。因此，確?；庸こ痰陌踩强傮w方案設計的目標，也是施工的目標。本文對深水基坑單壁鋼板樁圍堰設計與施工進行了闡述。

關鍵詞： 深水基坑 單壁鋼板樁圍堰設計施工

中圖分類號：TU74文獻標識碼： A

一、工藝特點

1、“單壁鋼板樁+鋼支撐”的結構體系，采用標準和質量輕的鋼構件組成，無需大型的水上起重及插打設備，便于安裝及施工控制，降低了施工難度；鋼支撐采用“角撐+對撐”結合，為承臺施工預留了很大的空間，方便了施工。

2、通過設置封底混凝土有效地解決了圍堰抗滲、抗浮托等技術難題，環保效益顯著。

3、從上至下分層加支撐—分層抽水的“逆作法”施工工序，工序簡明，便于施工管理。

4、 鋼板樁100%的回收率，提高了材料周轉率；減少了用鋼量及封底混凝土數量，節約了成本；便于施工，縮短工期。

5、圍堰施工的一般要求

1）堰頂高度：宜高出施工期間可能出現的最高水位（包括浪高）50cm~70cm,用于防御地下水的圍堰宜高出水位或地面20cm~40cm；

2）圍堰外形：應考慮圍堰期間客流斷面被壓縮后，流速增大引起水流對圍堰、河床的集中沖刷及對航道、倒流、農用排灌等的影響；

3）圍堰面積：應能滿足基礎施工的需要；

4）圍堰斷面：應能滿足堰身強度和穩定（防止滑動、傾覆）的要求。

二、工程概況

某大橋跨度組成為5x25m+(48.5m+75m+48.5m)+6x25m，全長454. 4m，設計荷載:汽車一超20級，掛車一120，橋梁凈寬:2x凈一11. 25m，主橋采用掛蘭懸澆施工，6#,7#主墩位于水中，承臺尺寸為10. 3m x 6. 4m x 2. 5m，低樁承臺，左右幅共計4個，埋深在水下12m，河床下5一6m，采用4個圍堰單獨施工。主墩高度12. 6m，出水 3. 6m。望虞河為V級航道，連通太湖與長江，兼有泄洪和引水功能，河面寬130m，水深6一7m，泄洪和引水時漲落較大，水流較急，河床地質分布主要為亞砂土、粉沙、軟粘土和粘土，硬粘土埋藏較深，給鋼板樁人土部分的受力及計算帶來了一定的問題和困難(參見圖1)

圈1水中墩鋼板樁圍堰地質剖面圈

三、總體方案選擇

原定采用雙壁鋼圍堰施工，但考慮到堰體將高達16m以上，投入大、成本高、施工周期長，且在施工中涉及到加工、浮運、裝吊、定位下沉、對接、糾偏、封底、水下切割等一系列工序難題，而鋼板樁圍堰具有成本低、周期短、止水效果好、打拔容易，與內部支撐結合后整體剛度大，入土深度滿足后無需封底等優點，故選用鋼板樁圍堰施工。如圖2所示，堰體平面尺寸為11.6x8.4m，板樁長度22m，基坑深度達12m，設置4道支撐，其中第四道為雙排。如此長的單壁板樁作圍堰用于如此深的水中基坑較為少見，要求在技術論證、設計和施工中均要嚴密謹懊，加強控制和監測。

圖2鋼板樁圍堰平面示，單位:cm

四、圍堰設計及施工工藝

1、圍堰設計

1）圍堰材料

考慮鋼板樁長度較長，選用截面剛度較大的拉森Ⅲ型鋼板樁。

2）圍堰邊線

由于左右幅承臺不在一條直線上，鋼板樁沿單個承臺布置，圍堰邊距離承臺輪廓線最小距離為120cm。

3）標高

根據潮汐表，鋼板樁圍堰頂標高設為＋4m，高出最高潮水位80cm；鋼板樁長度為18m，底標高－14m。

4）支撐

由于承臺高度不大，僅為4m，為節約工期起見，縮短承臺基坑開挖后的暴露時間，承臺混凝土施工考慮一次完成。

圍堰內土方開挖共設置三層內支撐。由于19＃、20＃墩承臺標高不一致，支撐標高也有差別。其中19＃墩第一層支撐設在圍堰鋼板樁頂標高以下100cm標高＋3m位置，第三層支撐設在承臺面標高以上60cm即標高－1.7m位置，第二層支撐設在標高＋1.0m位置；20＃墩第一層支撐設在圍堰鋼板樁頂標高以下100cm標高＋3m位置，第三層支撐設在承臺面標高以上60cm即標高－3.0m位置，第二層支撐設在標高＋0.0m位置；為結合使用鉆孔灌注樁平臺材料，支撐采用直徑600mm，壁厚8mm的鋼管；為保證鋼管支撐的穩定性，三層鋼管間用[16槽鋼做剪刀撐連接。內支撐平面之間使用I36工字鋼作為系桿連接，另外，在圍堰轉角位置每層圍檁設與圍囹材料一致的工字鋼斜支撐，支撐與鋼板樁直線邊的角度為1：1。

圍堰內降水時邊抽水邊支頂，抽水到支撐標高位置做好支撐后才開始繼續抽水直先在樁基護筒上如圖焊接鋼板牛腿，在牛腿上架設I36工字鋼做支撐梁，然后按照圍堰設計邊線放樣，架設間距為40cm的兩根I36工字鋼分別作為內外導向桿，中間預留鋼板樁施工軌道。即完成鋼板樁的定位及導向系統。鋼板樁的施打如圖施打始點位置開始，順著軌道施打，在兩端合攏點合攏。當鋼板樁施打到支撐梁位置時，要調整支撐梁位置，在已施打鋼板樁位置處加焊聯系桿，使內外導向桿連接牢固，鋼板樁插打時，單樁逐根打入法施打鋼板樁，先行插打單根鋼板樁，待全部合攏以后再進行加接鋼板樁，相鄰的鋼板樁的焊接借口不宜在同一斷面，相錯1米左右。鋼板樁圍堰施打時，委派專門人員跟蹤，記錄每根鋼板樁的入土深度，確保鋼板樁都能達到預定設計底標高。 在圍堰轉角位置,將一條鋼板樁豎向剖成2條,并按照圍堰轉角的角度900重新等強度焊接后使用；圍囹在該位置分別將長邊和短邊的材料切割成450角度后焊接。

2、水下吹砂及、抓斗船挖泥

采用水下吹砂挖泥結合抓斗船，將砂層底面降低到封底混凝土的底面，由潛水工在封底混凝土高度范圍內的鋼板樁表面人工布置瀝青油毛氈用于隔離鋼板樁與封底混凝土，同時將封底混凝土范圍護筒壁上泥沙要清理干凈，使封底混凝土與護筒結合緊密。

3、澆注水下封底混凝土

1）混凝土供應系統

水下混凝土質量及灌注順利與否，很大程度取決于混凝土的供應量。根據20#墩右幅承臺鋼板樁圍堰的面積計算，該圍堰封底混凝土的灌注方量大約為：17.6*10.6*1.2=223（m3），封底混凝土供應由南岸1臺150m3/h攪拌站完成，6臺10m3混凝土運輸車運送至圍堰邊，用1臺37m混凝土汽封底混凝土施工圖每根導管長約12.5m，利用吊機控制以便在封底過程中控制導管移動位置，并在導管底節焊接兩個卡環，灌注時穿上細鋼絲繩，便于準確調整導管口位置及拖動導管控制位移。砼灌注前將灌注用導管準確測量并做好標記以便控制標高。

2）封底混凝土強度驗算

封底混凝土在上浮力作用下的內力，可近似簡化為簡支單向板計算，封底混凝土抗拉強度：

? =1/8 × Qι2/W=3ι2［rw(h+d)－rc×d］/4×2d。

其中，?為封底混凝土抗彎曲強度；ι為基坑底小邊尺寸；Q為 封底底面靜水壓力；W 為封底混凝土每1m 寬截面的抗彎模量；h 為封底頂面處水頭；d為假定的封底混凝土最小厚度；rw為水的容 重；rc為混凝土的重度。