摘要 該文主要探討了在新橋梁建設(shè)過(guò)程中，鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、施工工序及其工程效益。研究的核心目標(biāo)是驗(yàn)證鋼板樁圍堰技術(shù)在提升橋梁施工的安全性、效率和成本效益方面的有效性。通過(guò)試驗(yàn)分析和案例評(píng)估，文章深入分析了在不同環(huán)境條件下，鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)要素、施工流程以及對(duì)環(huán)境的潛在影響。研究表明：經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的鋼板樁圍堰能夠有效管理施工期間的水域環(huán)境，確保施工場(chǎng)地的安全，同時(shí)減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。文章強(qiáng)調(diào)了鋼板樁圍堰技術(shù)在橋梁施工領(lǐng)域的重要性，并提出了針對(duì)施工方案優(yōu)化的建議，以供相似項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞 新建橋梁；鋼板樁圍堰；基坑開(kāi)挖；方案設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）15-0132-03

0 引言

在當(dāng)代基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展浪潮下，橋梁在交通網(wǎng)絡(luò)中扮演著極其重要的角色，其建造品質(zhì)與效能對(duì)整個(gè)交通體系的表現(xiàn)和信賴度有著直接的影響。技術(shù)革新為橋梁建設(shè)帶來(lái)了新的工程方法和技術(shù)解決方案，特別是面對(duì)復(fù)雜的地理及水文情況時(shí)。鋼板樁圍堰技術(shù)是一種高效的臨建圍堰方案，已被廣泛應(yīng)用于眾多橋梁項(xiàng)目中。該研究致力于深入探討新建橋梁鋼板樁圍堰施工方案設(shè)計(jì)的實(shí)踐價(jià)值，聚焦其在保障施工場(chǎng)地安全、提升作業(yè)效率和最大程度減小對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響等方面的貢獻(xiàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

新建橋梁設(shè)計(jì)分左右兩幅，主橋采用四跨連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋采用四跨連續(xù)現(xiàn)澆梁。新建橋梁對(duì)應(yīng)輔橋、主橋各4個(gè)橋墩位于水中，根據(jù)墩位出水深及承臺(tái)尺寸，采取鋼板樁圍堰形式，共計(jì)圍堰2座。

2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鋼板樁圍堰總體設(shè)計(jì)

第一個(gè)墩圍堰總體設(shè)計(jì)采用鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，平面尺寸為9 m×10 m（鋼板樁內(nèi)邊線），設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)12 m，入土深度6 m。圍堰頂標(biāo)高4 m，設(shè)計(jì)水位3.5 m，設(shè)計(jì)C30混凝土封底厚度150 cm，圍堰深度6 m。設(shè)一道支撐，中心支撐點(diǎn)的標(biāo)高為2.5 m。圍檁采用雙拼HM588×300×10×12 mm型鋼制作，支撐由4根鋼管φ500×13 mm主支撐組成。

第二個(gè)墩圍堰與第一個(gè)墩圍堰材料相同，平面尺寸為9 m×10 m（鋼板樁內(nèi)邊線），設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)12 m，入土深度5.8 m，設(shè)一道支撐，中心支撐點(diǎn)的標(biāo)高為2.5 m。

2.2 封底混凝土厚度驗(yàn)算

（1）封底混凝土總體受力計(jì)算

設(shè)圍堰內(nèi)外水位差Δh為8 m，封底混凝土厚H，經(jīng)計(jì)算圍堰內(nèi)面積為A=64 m2，共設(shè)直徑1.6 m樁基護(hù)筒4根。該方案根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)資料和理論研究，混凝土與鋼護(hù)筒之間的握裹力強(qiáng)度取0.2 MPa。

混凝土自重：Q=γ×h*A，其中Q ——混凝土自重，單位kN；γ——混凝土容重，取24 kN/m3；h——混凝土高度，單位m；A——封底圍堰底面積，單位m2；故混凝土自重：Q=1 536 h。

握裹力：T=0.2 Anh，其中T——握裹力，單位kN；A——鋼護(hù)筒周長(zhǎng)，單位m；n——鋼護(hù)筒個(gè)數(shù)；故T=4 019.2 h；封底混凝土浮力：P=64×10×（8+h）。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，按Q+T=1.05 P計(jì)算，其抗浮穩(wěn)定性系數(shù)為1.05。h=1.30 m。

（2）封底混凝土板強(qiáng)度驗(yàn)算

封底混凝土板強(qiáng)度等級(jí)為C30，取1 m寬混凝土板進(jìn)行計(jì)算（簡(jiǎn)支梁計(jì)算，水的浮力分項(xiàng)系數(shù)為1.0）：

截面模量：W=1/6×h2，其中h為混凝土高度，單位m；彎矩：M=1/8×q×l2 ，其中q為圍堰底水的浮力，單位為N。

抗拉強(qiáng)度：[σ]=M/W，根據(jù)混凝土材料特性，C30混凝土[σ]為=1.39 MPa，將上述公式代入，得h=1.32 m。

綜合考慮澆筑混凝土的不利因素，按上述計(jì)算的有效混凝土厚度不低于1.32 m，取封底混凝土厚度1.5 m。

2.3 鋼板受力計(jì)算

鋼板樁受力采用支點(diǎn)法計(jì)算，土反力ps=Ksv+ps0作用于鋼板樁內(nèi)側(cè)。

鋼板樁內(nèi)錨固段上土水平反力系數(shù)：

ks=m（z-h） （1）

初始土反力強(qiáng)度：

ps0=σpkKp （2）

式中：v——擋土構(gòu)件在分布土反力計(jì)算點(diǎn)的水平位移值（m）；m——土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)（MN/m4）：m=" "（0.2φ2-φ+c），z——計(jì)算點(diǎn)距地面的深度（m）;h——計(jì)算工況下的基坑開(kāi)挖深度（m）。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120—2012），對(duì)鋼支撐剛度系數(shù)和封底混凝土剛度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于鋼支撐剛度系數(shù)：

式中：kR——支撐結(jié)構(gòu)水平剛度系數(shù);α ——與支撐松弛有關(guān)的系數(shù)，取 0.8～1.0;E——支撐構(gòu)件材料的彈性模量;A——支撐構(gòu)件斷面面積;l——支撐構(gòu)件的受壓計(jì)算長(zhǎng)度;s——支撐的水平間距;

對(duì)于封底混凝土：kR=1 067 MN/m

建立MIDAS模型：基坑開(kāi)挖施工分為3種工況進(jìn)行分析，如下所示：

工況1：抽水至第一道支撐中心標(biāo)高1 m以下（標(biāo)高-2 m，鋼板樁頂為±0），安裝第一道支撐與圍檁。

工況2：回水至內(nèi)外水位齊平，圍堰吸泥至-3.7 m，水下澆筑1.5 m厚封底混凝土。

工況3：圍堰內(nèi)抽水至坑底（標(biāo)高-4.2 m，鋼板樁頂為±0）。

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果得出，鋼板樁最大彎矩M=71 MPa，3種工況下的土反力數(shù)據(jù)均符合規(guī)定要求。

2.4 鋼板樁嵌固深度計(jì)算

支擋結(jié)構(gòu)的嵌固深度應(yīng)滿足下式嵌固穩(wěn)定性的要求：

（3）

式中：Ke——嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，安全級(jí)別為1、2、3級(jí)的懸臂式支撐結(jié)構(gòu)，Ke分別不應(yīng)小于1.25、1.2、1.15；Eak、Epk——基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；aa1、ap1——基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離（m）。

經(jīng)計(jì)算" " " " " " " " " ，滿足嵌固深度要求。

2.5 基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算采用瑞典條分法，條分法中土條寬度取1 m，應(yīng)力狀態(tài)選擇總應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。

整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.692；圓弧半徑R=9.903 m；圓心坐標(biāo)X=-1.346 m；圓心坐標(biāo)Y=3.947 m；抗傾覆安全系數(shù)：Ks=Mp/Ma

其中，Mp——被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩，內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定；對(duì)錨桿或錨索來(lái)說(shuō)，支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma——主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

經(jīng)計(jì)算三種工況下的抗傾覆安全系數(shù)，得出最小的安全系數(shù)工況為工況3。

即：最小安全Ks=1.224≥1.200，符合規(guī)范要求。

2.6 圍檁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算

（1）內(nèi)支撐反力

通過(guò)計(jì)算可知，工況3出現(xiàn)的第一道內(nèi)支撐最大支撐反力為85 kN/m，安全系數(shù)取2，按照85×2= 170 kN/m的支反力計(jì)算圍檁系統(tǒng)。

（2）強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算

圍檁的彎矩圖、剪力圖、應(yīng)力圖、變形圖均采用MIDAS模型進(jìn)行分析。

（3）穩(wěn)定性驗(yàn)算

對(duì)于鋼管柱，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，經(jīng)計(jì)算鋼管支撐軸最大軸力625 kN，屈曲穩(wěn)定系數(shù)2.77。

φ609×16 mm鋼管面積：298.07 cm2，慣性矩Ix=131 117.33 cm4，抵抗矩Wx=4 305.99 cm3，回轉(zhuǎn)半徑ix=20.97 cm，慣性矩Iy=131 117.33 cm4，抵抗矩Wy=4 305.99 cm3，回轉(zhuǎn)半徑iy=20.97 cm。

長(zhǎng)細(xì)比：λx=18.60；軸心受壓整體穩(wěn)定系數(shù)：φx=0.984。

按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范公式：NφxA=26.603 9 N/mm2。

計(jì)算得出安全系數(shù)k=26/205=8.8。

2.7 基坑底土抗隆起驗(yàn)算

該工程基坑開(kāi)挖時(shí)在水下作業(yè)，基坑開(kāi)挖至底部時(shí)，基坑內(nèi)部水深5.2 m，故在計(jì)算基坑抗隆起穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)考慮基坑內(nèi)部壓力的作用。將上述公式修改如下：

（4）

式中：Kb——抗隆起安全系數(shù);K分別不應(yīng)小于 1.8;γm1、γm2分別為基坑外、基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的天然重度（kN/m）;ld ——擋土構(gòu)件的嵌固深度（m）;h——基坑深度（m）;Nc、Nq——承載力系數(shù)。

c、φ均取圍堰底面以下土層的地質(zhì)參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，圍堰底面處c=5kpa、φ=23°，式中：

γw、γw分別為驗(yàn)算最不利狀態(tài)下圍堰內(nèi)側(cè)水容重和水深，計(jì)算得：

基坑底土抗隆起驗(yàn)算，符合要求。

3 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)施工

（1）施工準(zhǔn)備

技術(shù)準(zhǔn)備：在鋼板樁圍堰施工之前，需要進(jìn)行一系列的技術(shù)準(zhǔn)備步驟，包括對(duì)施工圖紙的熟知、深入理解設(shè)計(jì)元素以及現(xiàn)場(chǎng)勘查等[1]。施工團(tuán)隊(duì)需要深入分析和理解施工圖紙，包括圖紙上的標(biāo)記、說(shuō)明和參數(shù)，以及圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的構(gòu)造。其后工作人員需要對(duì)設(shè)計(jì)元素和設(shè)計(jì)目標(biāo)有深層理解。設(shè)計(jì)元素包括整個(gè)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的布置、尺度、材料選型、施工方法等信息，而設(shè)計(jì)目標(biāo)則是設(shè)計(jì)過(guò)程中的核心出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)。還應(yīng)注重現(xiàn)場(chǎng)勘查和核對(duì)施工圖紙，讓施工團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)確把握施工現(xiàn)場(chǎng)的具體狀況，如地貌、土質(zhì)、周邊環(huán)境等。施工開(kāi)始前，還需進(jìn)行技術(shù)交底，以確保每個(gè)工作人員都能對(duì)施工流程和標(biāo)準(zhǔn)有明確的理解，從而提高施工效率，確保施工質(zhì)量。

物資設(shè)備準(zhǔn)備：鋼板樁、工字鋼、鋼管及鋼板等施工材料進(jìn)場(chǎng)，鋼板樁插打和拔除采用80 t履帶吊以及配合施工的DZ120型振動(dòng)錘。

（2）導(dǎo)向安裝

設(shè)[16槽鋼為導(dǎo)向器，以鋼護(hù)筒為導(dǎo)向式安裝平臺(tái)，定位鋼護(hù)筒坐標(biāo)，根據(jù)鋼護(hù)筒的邊線計(jì)算出鋼板樁的位置，再折算成槽鋼長(zhǎng)度。在鋼護(hù)筒上焊接槽鋼，定位出鋼板樁的位置，在角點(diǎn)位置插打兩根定位鋼板樁，隨后依次打設(shè)[2]。

（3）鋼板樁插打

在施工鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)時(shí)需進(jìn)行插打鋼板樁。從承臺(tái)中心開(kāi)始，遵循“重錘輕擊、低錘慢擊、邊打邊調(diào)”的原則，自中心向外逐漸展開(kāi)。在此過(guò)程中，要注意“樁要正、散要糾、合要調(diào)”等基礎(chǔ)準(zhǔn)則。其中，“樁要正”是指鋼板樁應(yīng)垂直插入以保證其穩(wěn)定性和均勻受力；“散要糾”意味著在打樁過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)鋼板樁有偏差，應(yīng)立即進(jìn)行調(diào)整；“合要調(diào)”則強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行合龍操作時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)狀不斷對(duì)鋼板樁的位置和角度進(jìn)行微調(diào)。在接近合龍之前，當(dāng)剩下最后2～3片鋼板樁未插打時(shí)，應(yīng)開(kāi)始測(cè)量并計(jì)算鋼板樁底部的直線距離，根據(jù)鋼板樁的寬度，計(jì)算出所需的鋼板樁片數(shù)。通過(guò)鋼板樁插打方式確保最終的鋼板樁能準(zhǔn)確地插入預(yù)定位置，進(jìn)而保障整個(gè)圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性[3]。

（4）鋼圍檁及內(nèi)支撐施工

在圍堰內(nèi)挖土（或抽水）至每層內(nèi)托下50～100 cm范圍內(nèi)，安裝鋼釬及內(nèi)托，將圍堰內(nèi)側(cè)鋼管樁焊接牛腿，用800 mm×820 mm×10 mm角鋼焊接成三角托，與鋼管樁直接焊接成牛腿，其中焊縫為環(huán)焊，焊高為連續(xù)角焊縫 8 mm。單根鋼圍檁安裝完成后，再焊接成整體形成矩形框架，在圍檁對(duì)接倒角處應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)處理[4]。

（5）圍堰內(nèi)挖土、吸泥

在圍堰時(shí)還需進(jìn)行土方開(kāi)挖和吸泥清理。土方主要由挖掘機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，隨后，將開(kāi)挖出的砂土放置在圍堰外側(cè)，確保與圍堰的水平凈距離至少為3 m。對(duì)于挖掘機(jī)無(wú)法作業(yè)的區(qū)域，采用吸泥設(shè)備進(jìn)行基坑清理，去除基坑內(nèi)的泥沙，為施工工作鋪平道路做準(zhǔn)備[5]。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，要及時(shí)檢查圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果檢測(cè)到圍護(hù)結(jié)構(gòu)有任何問(wèn)題，必須立即進(jìn)行調(diào)整，保證施工過(guò)程的安全。包括加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，或者采取其他必要的措施以避免圍堰受到損壞。進(jìn)行圍堰內(nèi)土方開(kāi)挖和吸泥清理的操作需要專業(yè)性和謹(jǐn)慎性，同時(shí)需遵循嚴(yán)格的安全規(guī)范[6]。

（6）圍堰封底

采用垂直提拉導(dǎo)管法進(jìn)行封底混凝土灌注設(shè)備施工，灌注設(shè)備以導(dǎo)管、混凝土儲(chǔ)料斗等為主。導(dǎo)管接頭采用壁厚φ=12 mm、直徑φ=300 mm、規(guī)格段長(zhǎng)3 m、上接導(dǎo)管2 m的剛性導(dǎo)管，接口為絲口式。測(cè)量長(zhǎng)度的標(biāo)碼等工作應(yīng)在導(dǎo)管使用前進(jìn)行水密壓和接頭抗拉試驗(yàn)[7]。

（7）圍堰內(nèi)抽水

當(dāng)封底混凝土強(qiáng)度滿足要求后，開(kāi)始利用水泵抽水直至圍堰內(nèi)的水完全排干。對(duì)圍堰積水及少量滲水，需安排專人看護(hù)，可用水泵將水抽至基坑外，將水引至集水坑內(nèi)[8]。抽水時(shí)，鋼板樁和內(nèi)支架必須有專人觀察、堵漏。應(yīng)注意邊抽邊堵漏，可用棉紗、棉絮、板條或麻絨嵌塞。圍堰抽水后，對(duì)鋼板樁、鋼支撐嚴(yán)禁切割和電焊[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該研究突顯了鋼板樁圍堰技術(shù)在橋梁建造過(guò)程中的關(guān)鍵角色，尤其在鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。對(duì)比現(xiàn)有研究，該文研究成果在一定程度上與之相符，并在此基礎(chǔ)上提出了新穎的觀點(diǎn)和對(duì)策，特別是在處理復(fù)雜地理和水文環(huán)境時(shí)。此外，該研究揭示了鋼板樁圍堰技術(shù)在理論和實(shí)際應(yīng)用中的顯著地位，并為橋梁建設(shè)提供了重要的參考。除此之外，仍存在未解決的問(wèn)題，如技術(shù)實(shí)施中的特殊挑戰(zhàn)和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。因此，該文建議后續(xù)研究應(yīng)更深入地探索此領(lǐng)域，特別是在不同地質(zhì)和水文條件下圍堰的設(shè)計(jì)和施工。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-02-27

作者簡(jiǎn)介：葉超（1990—），男，本科，工程師，研究方向：公路與橋梁工程施工。