任毓堯

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海 200030）

1 施工前準備及要點

1.1 施工組織工作流程

施工準備→測量定位→制作導向框→插打鋼板樁→第一道鋼板樁圍囹制作安裝→清淤→封底→第一道圍囹縱橫向支撐加固→抽水→第二道鋼板樁圍囹制作安裝→第二道鋼板樁內(nèi)支撐系統(tǒng)制作安裝→……→澆筑圍堰四周條形基礎→抽水→澆筑墊層→鋼筋綁扎→安裝模板→澆筑基礎混凝土→支撐體系轉(zhuǎn)換→拆除鋼板樁圍堰。

1.2 施工前準備工作

1.2.1 施工環(huán)境調(diào)查

根據(jù)工程具體位置，認真閱讀設計資料，將工程地點地質(zhì)情況研究清楚，如河床傾斜情況、坡度有多大、施工范圍最大高差多大、從河床表層往下依次是什么地層、分布情況、有多厚、承載力情況等，粗略估算將來鋼板樁將插入哪個地層，覆蓋層到鋼板樁底有多深，結(jié)構(gòu)物底部到鋼板樁底部有多深。掌握設計資料后到現(xiàn)場進行核查，查看現(xiàn)場實際情況是否與設計相符，進一步完善地質(zhì)資料，必要時加密勘探地質(zhì)孔，沿擬定圍堰四周按一定距離鉆取芯樣。同時，調(diào)查水文資料，施工地點水深和近段時間水流速度及變化規(guī)律，然后對比設計資料[1]。

1.2.2 鋼板樁圍堰設計及受力計算

根據(jù)水下基礎尺寸大小擬定圍堰尺寸，考慮到深水基礎不確定因素很多和特殊地質(zhì)條件，例如覆蓋層薄、河床坡面傾斜度大等等，針對實際情況擬采取的具體措施，要預留足夠大的工作空間，根據(jù)情況預留1.5～3.0m，定出圍堰尺寸。

1.2.3 圍堰封底混凝土厚度計算

只有先計算出封底混凝土厚度，才能最終確定基坑的挖掘深度、封底混凝土厚度應根據(jù)《簡明施工計算手冊》計算。先應考慮到施工時的最壞情況，即在圍堰封底以后，圍堰內(nèi)的水排干，封底素混凝土將受到可能的向上最大水壓力的作用，通常以此荷載（即地下水頭高度減去封底混凝土的重力）作為計算值。由于水下封底混凝土質(zhì)量較普通混凝土差，并與各樁基連成一個整體，按簡支雙向板計算，承受均布荷載時，跨中M1、M2可按下式計算：

其中：

a1、a2——彎矩系數(shù)。

P——靜水壓力形成的荷載（KN/m2）。

l1——矩形板的計算寬度（取最小跨）（m）。

按簡支雙向板計算，選擇受力最不利的雙向板作為對象，計算公式：

式中：

h——封底混凝土厚度（mm）。

K——安全系數(shù)，按抗拉強度計算的受壓受彎構(gòu)件，取2.65。

M——雙向板的最大彎矩（N . mm）。

b——雙向板的厚度。

fa——混凝土抗拉強度設計值。

D——考慮水下混凝土可能與圍堰底泥土摻混增加的厚度，一般取30~50cm。

將設計參數(shù)帶入計算出封底混凝土厚度。

1.2.4 鋼板樁入土深度計算

鋼板樁主要受水壓力（靜水壓力與動水壓力）及土壓力（外側(cè)為主動土壓力，內(nèi)側(cè)為被動土壓力），為了簡化且偏于安全計算，只考慮不透水層土壓力，土壓力按朗金理論計算，主動土壓力應力計算：

p主=tan2（45o-ф/2）×（γ土h1+γ水h2）-2ctan（45o-ф/2）

式中：

ф——土層內(nèi)摩擦角。

h1——鋼板樁的入土深度。

h2——水的深度。

c——土的粘聚力。

被動土壓力應力計算：

p被=tan2（45o+ф/2）×γ土h1+2ctan（45o+ф/2）

式中：

ф——土層內(nèi)摩擦角。

h1——鋼板樁的入土深度。

c——土的粘聚力。

流水壓力計算：

P=khbγ水V2/(2g)

其中：

k——形狀系數(shù)，槽型鋼板樁圍堰取18~20。

h——水深（m），取最高水位計算。

b——寬度，取1m 為單位計算。

γ水——水的容重。

V——水流速度，s/m。

凈水壓強計算：

P=γ水h

按淺埋法計算鋼板樁入土深度，即鋼板樁外側(cè)主動土壓力及動、靜水壓力與鋼板樁內(nèi)側(cè)被動土壓力對內(nèi)支撐端點（即第一道圍囹）的力矩平衡來確定鋼板樁入土深度，被動土壓力考慮1.25 安全系數(shù)。對于河床是土質(zhì)或沙質(zhì)地層容易計算出來，若覆蓋層薄下面又是巖層，鋼板樁入土深度只能按到巖層頂部的深度，受力計算要考慮封底混凝土參與受力，驗算是否滿足受力要求。

1.2.5 鋼板樁長度及標高計算

鋼板樁頂要高出施工水位1m 以上，防止河流漲水淹沒圍堰。鋼板樁底標高為基礎底標高減去鋼板樁的埋深，鋼板樁頂標高減去底標高就待鋼板樁長度。

1.2.6 管涌安全系數(shù)計算

按《簡明施工計算手冊》，管涌安全系數(shù)：

K=（h+2h土）γ浮/(hγ水)≥1.5 時，則坑底安全，不會出現(xiàn)管涌現(xiàn)象

式中：

h——水頭差。

h土——鋼板樁入土深度。

γ浮——土的浮容重。

γ水——水容重。

1.2.7 鋼板樁內(nèi)支撐受力驗算

本工法采用先封底后邊抽水邊做內(nèi)部支撐，最不利工況是整個支撐系統(tǒng)做完圍堰內(nèi)水全部抽完。事先根據(jù)圍堰的深度按一定間距設定幾道支撐，間距可以是等間距也可以是不等間距，求解幾道支撐受力情況，按多跨連續(xù)梁計算。運用結(jié)構(gòu)力學求解出個圍囹支撐受力情況和鋼板樁所受的剪力和彎矩，驗算鋼板樁彎應力和剪應力是否在允許范圍及撓度大小內(nèi)，需滿足受力要求。

圍囹支撐受均布荷載作用，按等跨連續(xù)梁查《路橋施工計算手冊》計算出圍囹最大剪力、彎矩以及各個中間橫向支撐桿受力情況，驗算圍囹是否滿足彎應力和剪應力及撓度要求。

中間支撐桿受自身重力和端部壓力作用，是一個彎壓構(gòu)件，重力產(chǎn)生最大彎矩按公式計算：

Mmax=1/8×qL2

式中：

NEx——歐拉臨界力，為π2EI/L2。

фx——彎矩作用平面的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)λ=L/i=L/(I/A)1/2 ≤[λ]=100,查表得到。

W——截面抵抗矩。

βx——等效彎矩系數(shù)，取1.0。

Υx——W 相應的截面塑性發(fā)展系數(shù)，取1.05。

A——截面面積。

采用常規(guī)手算過程繁瑣，計算結(jié)果不直觀、全面，隨著科技提高、技術進步，用電腦采用大型有限元軟件處理，例如MADIScivil 建模計算，能夠準確掌握整個結(jié)構(gòu)受力情況，最大應力出現(xiàn)在什么部位；也可隨時根據(jù)施工過程中不同工況進行受力計算。

2 施工流程

2.1 鋼板樁插打

鋼板樁的插打順序從水流的上游開始，這樣可以減少后面鋼板樁因水流阻力而導致的插打不便，且有利于鋼板樁的合攏，順水流兩側(cè)連續(xù)插打，直至下游處合攏。從第一塊角樁開始，在圍堰上下游一定距離及兩岸陸地設置兩臺經(jīng)緯儀從不同方向交匯觀測，開始插打的一、二塊鋼板樁的位置和方向應確保精確，以便起到導向樣板作用，每打入1m 應測量一次，檢查鋼板樁的位置及方向，且隨時糾偏，打至預定深度立即與圍囹支撐（也是導向框）電焊臨時固定，然后逐個插打至下游合攏。施工過程中必須保證鋼板樁的垂直度，及時用平臺上或岸上的儀器、垂球吊線檢查，以及人工掛倒鏈糾偏。插打時利用限位夾具準確定位使鋼板樁在插打過程中不左右偏移，插打完成鋼板樁穩(wěn)定后臨時與導向框聯(lián)接電焊，然后再插打其余的板樁。

合攏時應提前確定合攏位置，精確計算合攏段長度，滿足整樁寬度倍數(shù)。圍堰在合攏時，兩側(cè)鎖口不一定在一條直線上，左右偏移，合攏口上下大小不一，也不能滿足整樁寬度，因此在合攏前將合攏處5～7 片鋼板樁不打入河床設計位置，只需打入少許深度使之穩(wěn)定即可，用20t 倒鏈分別拉兩側(cè)鎖口，使之變大或變小，然后將板樁緩緩插入，再分塊打之，使之沉至設計位置，若用倒鏈調(diào)整仍不奏效用異形鋼板樁插打合攏。提前配置相應規(guī)格的異形鋼板樁，現(xiàn)場實測攏口的角度和尺寸，切割焊接異形鋼板樁，確保整個圍堰的密封性。合攏后，用振動錘將鋼板樁逐根全部復震一遍，然后將鋼板樁與圍囹型鋼焊接，使整個圍堰上部連接成整體[2]。

2.2 圍堰封底

在深水坡面巖上施工，覆蓋層比較薄，鋼板樁入土深度不大，并且樁底高低不一，再加上巖層面高低起伏或有孤石、裂隙、溶槽、溶洞，很容易涌水，不能采用常規(guī)的施工順序，基坑支撐施工與基坑降水或基坑清泥交替進行，即“先支撐后抽水、挖泥，分層支撐分層抽水、挖泥”。

巖面上一般是淤泥和沉淀固結(jié)層，固結(jié)層非常的硬，開始就采用抽或吸的方法不能將圍堰內(nèi)的固結(jié)土清除到設計標高，可采用抓泥斗下水抓泥。用吊車在平臺上或浮船上起吊抓斗抓泥，泥土丟放在圍堰外覆蓋層薄的地方。從一邊斗斗緊挨，重疊，不留間隙，S 折回直至清理完畢。施工過程中派潛水員下水摸排清理情況，發(fā)現(xiàn)有漏挖的部位立即補挖。抓斗不能將圍堰內(nèi)的泥土清理干凈，遺留一層松散的泥土，此時用大功率的沙石泵在出水口端連接φ150mm 鍍鋅鋼管伸出水面，彎折一定長度再連接5m 左右白色加筋塑料管，以便于觀測抽淤情況，將泥沙排除圍堰；進水端連接8m 左右加筋塑料管，尾部連接用鋼板焊接的簸箕，潛水員潛入水底，拿著簸箕像掃地一樣抽取底部泥沙。在挖泥和抽泥過程中，技術人員用測繩探測標高，滿足最小封底砼厚度。

泥沙抽取干凈后派潛水員摸排圍堰內(nèi)清淤情況，特別是鋼板樁和鋼護筒四周清淤，不能留泥沙隔離層，對清淤不徹底地方再次清理，直至全圍堰內(nèi)滿足封底砼厚度[3]。

水下灌注封底砼采用導管法，采用一副導管，上口接料斗用吊車吊住，下口插入水中距離河床底20cm，料斗底部用鋼板蓋住，用砼泵車將砼泵入料斗，當料斗將滿時吊車小鉤快速起吊蓋板，混凝土迅速進入導管，灌注一定范圍派潛水員下水摸排灌注情況，對灌注欠佳的位置補澆，達到規(guī)定標高后停止，進行下一點的灌注，直至灌注完畢。在封底前對一些認為地質(zhì)情況不好的位置插入側(cè)壁鉆有φ50mm 注漿孔的導管，伸出水面，以便封底混凝土后注漿堵漏。當封底混凝土達到2MPa 以上，根據(jù)圍堰封底混凝土厚度情況，必要時在圍堰四周水下立模板。

2.3 作圍堰內(nèi)支撐系統(tǒng)

當封底混凝土達到強度要求繼續(xù)做圍堰內(nèi)支撐，第一道圍囹提前做完，根據(jù)設計位置焊接角斜撐、縱橫向支撐，圍囹型鋼和內(nèi)支撐接頭部位用三角加勁鋼板焊接，同時加強焊縫質(zhì)量檢查。第一道圍囹支撐系統(tǒng)做完開始抽水，在剛開始抽水時加大抽水量，采用2.2KW 水泵4 臺同時抽水。抽水至第二道圍囹位置下30cm，開始制作第二道圍囹支撐系統(tǒng)，按照設計標高，在鋼板樁圍堰的每個側(cè)面用3 個厚15mm 的鋼板制成的40×40cm 三角形牛腿焊接在鋼板樁上，作為圍囹的臨時支撐結(jié)構(gòu)，并安裝圍囹型鋼并焊接，角斜支撐和縱橫向支撐按第一道圍囹支撐系統(tǒng)方法加固，再進行抽水和焊接，直至所有圍囹支撐系統(tǒng)做完為止。

圍囹及內(nèi)支撐系統(tǒng)安裝完畢抽水至封底混凝土面，在抽水過程中密切觀察水位變化，如出現(xiàn)漏水，找到漏水點，將漏水處封堵完再繼續(xù)抽水。抽水至封底混凝土面，少量滲水沿圍堰四周開鑿的小槽流入低洼處用水泵抽出圍堰外，保證基礎施工在無水的環(huán)境中，按正常施工進行。

3 結(jié)語

本文對深水坡面巖基礎進行了探討，但施工時需要專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠家加工成型，生產(chǎn)廠家較少，選擇面窄，產(chǎn)品運輸距離遠；圍堰耗鋼量大，造價高；施工條件高，河床底平整；整體拼裝一次下沉，起吊設備多，協(xié)同作業(yè)，整體沉放施工難度大，因此在實際施工時還需加強質(zhì)量管理。