钢板桩围堰在桥梁深水基础施工中的运用

林志威，陈晓琳 

（1.湖北省交通规划设计院，湖北 武汉 430051；

2．武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034）

摘要：本文介绍了钢板桩围堰在深水基础的运用，对其设计、计算进行了分析，而且提出了施工工艺。对钢板桩围堰的应用有很强的指导意义和良好的工程实践参考价值。

关键词：  钢板桩 ；围堰；桥梁；基础；

Application of steel sheet pile cofferdam in deepwater foundation construction of bridge

 Lin Zhi-wei ¹, Chen Xiao-lin ²

(1. Traffic planning and Design Institute of Hubei Province,Wuhan,Hubei,430051

(2. Wuhan Bridge Science Research Institute Company Limited, Wuhan, Hubei, 430034)

Abstract：This paper introduces the application of steel sheet pile cofferdam in deepwater foundation，. The design, calculation,，and puts forward the construction technology.。There is a strong guiding significance and good engineering practical reference value to application of steel sheet pile cofferdam。

Key words: steel sheet pile  cofferdam  bridge   foundation

一、概述

随着经济的发展，大量跨越江、海的特大桥纷纷兴建，而这些特大桥往往需要在深水中修建巨大的桥墩基础。必须考虑在墩身和基础的结合部必然安设一构筑物——承台的施工。当前桥墩基础的深水施工围堰绝大多数采用钢围堰，就深水基础施工而言，目前常规采用的施工方法有钢板桩围堰施工^[1-2]。

钢板桩具有可重复利用，节省材料，节约成本等优点特别最近几年的施工机械设备大力改进和钢板桩的性能有很大提高，大型HN型高I字钢的使用能提供钢围檩足够的强度和刚度也推进了钢板桩围堰施工方法的迅速推进。

二、钢板桩的性能和分类

钢板桩是带有精密锁口槽能密切匹配组装成型，既可以挡土也可止水的一种常用工程施工设备，钢板桩必须具有足够的强度和抗弯刚度。钢板桩的材质一般均采用中碳钢或低合金钢，常用的钢板桩屈服极限δs都在295~390Mpa之间。

目前桥梁常用的钢板桩型号，以往用的拉森Ⅳ，拉森Ⅴ或更大，目前一般用大型的SKSP-SX10 ~ S KSP-SX20系列，其每米的截面模量很大，大约在1500~2700cm³/m之间。

四、钢板桩围堰的设计和计算

1、钢板桩受力计算

(1)钢板桩受力状态

钢板桩受力状态根据工程进展的各种工况要分别计算^[3]，按照计算的模式是取1米宽的钢板桩进行受力计算。

（2）钢板桩入土深度的计算：此时的工况内外的围檩支撑都不受力，围堰内外水头相同，不存在水头差产生的水平荷载，由围堰内吸泥后河床面内外高差产生在主动力土压力和被动力土压力平衡时算出入土深度。

图1 钢板桩长度计算图

钢板桩外侧主动土压力

Eta=tg2(45°-Φ/2)r(h₂+to)

内侧为被动土压力

Etp=tg2(45°+Φ/2)rto

解两侧水平力的平衡     主动土压力和被动土压力对A点取弯矩平衡方程式（  ∑M_A＝0）可求出to ， 算得t0后增加适当的长度留有余地，即可算出桩长。

（3）、钢板桩和围檩受力计算

计算钢板桩受力图见图2

第一种工况：由于砼灌注时的侧压力是一个向外移动荷载，与砼灌注速度有关，试算出对钢板桩向外弯曲时的弯矩，由此，可选择钢板桩的抗弯能力。

如本项计算弯矩过大，可采取增设外导环或在围堰外侧抛填片石和砂包，以减少砼的向外侧压力。

第二种工况，计算抽水时，由于水头差对钢围檩的水平力，以确定围檩的截面，计算图式如下：（此时封底砼已浇筑完成下端水平的支点可以按铰接或固端考虑）

图2  围堰假定计算图                   图3受力模式

典型的围堰假定计算图如图2图3

根据图3的受力图式可以求得围檩的水平反力R₁R₂和钢板桩的最大弯矩

围檩的计算

根据单宽的水平力值，按结构的形式算出围檩在水平荷载作用下的弯矩，由此选定截面。

二、钢板桩围堰的结构形式

钢板桩围堰几何形状分可分为圆形和矩形两种：作为经典的承台布置绝大部分都采用圆形，其优点是受力合理，围堰在水平力作用下对内支撑（围檩或钢环）都处于受压状态除了考虑钢环的总体稳定外，支撑构件截面和弯矩小。其缺点是钢圆环加工有较高难度。最近几年由于出现了大截面的HNI字钢，使其用矩形的钢板桩围堰出现了很大的转机，其理由HNI字钢的截面和抗弯惯性矩很大，可以用作成品梁来设计，利于制作和安装。

钢板桩围堰按施工工序分：先置式和后置式

先置式钢板桩围堰亦称钢围囹施工法，先将拼装好围檩，在桩基施工未开始前就预先定位在墩位处，定位后插打钢护筒，将围檩定挂在钢护筒上，待所有桩基工程完成后，再在围檩的周边插打钢板桩、封底、抽水、制承台和墩身。

后置式钢板桩围堰是近年来经常采用的深水基础施工方法，该方法比较比较灵活，变动方便，该施工法是在所有基础施工已完成的前提下，将围檩预先放在承台四周并悬挂在钢护筒上，再按常规插打钢板桩→吸泥→封底砼→边抽水边安装分层的钢围檩，使其在抽水到位时，已形成一个可靠的稳定的内支撑结构。

此种方法施工较为简便，易于受到施工的青睐。但施工中需安装关注的事项较多，应当做观测和监控。

三、钢板桩围堰设计中有几点注意的事项

·土力学指标的选择，尽量采用较低值。由于土的力学计算很难准确，必须取其不利因素。

·钢板桩入土深度，钢板桩长度计算是比较容易，工程界一般认为入土较深对钢板桩的安全可靠起很大的作用，因此留有较大的余地。

·控制抽水水位严禁在超过设计水位时抽水。

·鉴于钢板桩之间是依靠锁口的摩擦力传递各方向的力，要求内支撑即上下层之间应有一个简易面明确的可靠联结，以防止在不均匀荷载作用下产生变形而失稳。

·注意河床表面高差的变化，最大限度减少由于河床底面高差形成的不均匀土压力荷载。

四、钢板桩围堰的施工

1、围堰内支撑钢结构制造

现代的钢板桩围堰施工由于施工技术进步和材料的大型化，很大地提高了钢板桩的适用性，而且钢围檩制造已经很方便地在现场制作。由于钢板桩厂家供料长度一般都在18m,因此超过该长度的必须要求接长，此时施工中应对焊缝的要求应特别重视，做到等强度拼接。

2、钢板桩的插打

做好导向系统，要求垂直向的倾斜度确保在1/200以内，水平向的导向利用强制性设施（如用强制性倒练限位）来确保。

插打顺序：除了有特殊要求，钢板桩总是在上游中部开始到下游合拢，钢板桩插打最困难的是确保顺利合拢。一般止于下游的一角，而且合拢处的加宽钢板桩根据上、下口具体尺寸特制后成组合钢板桩来封口，还必须做到两侧锁口的匹配。

钢板桩的角桩，需要特制异形钢板桩以确保整个钢板桩围堰的完整和密封性。

3、钢板桩的拆除

钢板桩的拆除必须遵循的两个原则是：施工中最后完成的工序变成最先实施的工序，即先拆下面围檩，逐渐向上拆，最后拔除钢板桩；另一个原则在围檩的水平荷载没有卸载或替换前，不能拆除。这两个原则必须掌握以确保拆除中的安全。

4、钢板桩监测

钢板桩围堰是一个“搭积木”形式一步一步拼装而成，因此结构的变形比较大，在整个施工中进行变形观测主要是钢板桩的变形和围檩受力的测量。

六、结束语

1、大型钢板桩和高I字钢的大量使用，使钢板桩围堰在桥梁深水施工的领域有很大的拓宽余地，基本上在中等水深各中等基础大小均可采用。

2、根据计算，对于目前用的SKSP-SX27型钢板桩其截面模量已达到2700cm³/m,这样可以使得内支撑的间距可以拉大到6m左右，再用高I字钢横卧作为支撑钢围檩在施工中带来极大方便，产生很大的效益。。

3、和传统的双壁钢围堰方案相比，同样的水深和基础尺寸绝大部分两种施工方式都将适用。从施工工期和经济性作比较，钢板桩围堰的施工方法都有较大优势，这也是目前倍受施工青莱的一个重要原因。

参考文献：

[1] 许红胜，颜东煌，黄元群.深水基础钢围堰结构方案比较优选 [J].中外公路，2007，（6）：94-97.

[2] 余龙.钢板桩围堰施工方法及处理措施[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2010（10）.

[3] 向道明.钢板桩围堰的设计和施工 [J].桥梁建设，2003，（3）：64-65.