羅安邦 陳?；? 李曉敏

摘要：文章結合某高速公路項目橋梁下部結構施工實例，對拉森鋼板樁圍堰施工中在極端荷載工況下的鋼板樁受力情況進行了有限元分析，驗證了圍堰方案的可靠性和穩(wěn)定性，并總結了河道筑島拉森鋼板樁圍堰施工的關鍵技術及操作要點，同時針對鋼板樁因雜填土或巖層不均勻導致傾斜的問題，提出了多種有效的糾偏方法，為后續(xù)施工提供了指導。

關鍵詞：拉森鋼板樁；筑島圍堰；深基坑；有限元模擬

中圖分類號：U445.55+6? ?文獻標識碼：A

文意編號：1673-4874（2024）04-0112-04

0 引言

隨著我國基礎設施建設的不斷深入，橋梁建設面臨的復雜工況逐漸增多，橋梁承臺時常需要鄰水而建，為了防止河道水流涌入基坑，通常采用河道筑島圍堰施工技術。拉森鋼板樁河道筑島圍堰施工技術作為一種新型施工技術，具有施工速度快、圍堰穩(wěn)定性好、適用范圍廣等優(yōu)點，在橋梁工程中逐漸得到了廣泛應用［1］。本文依托廣西某高速公路跨義昌江大橋建設工程實例，對拉森鋼板樁河道筑島圍堰施工技術進行研究，介紹和分析了拉森鋼板樁筑島圍堰施工的關鍵技術，并對極端工況下拉森鋼板樁的受力情況進行有限元分析驗算。

1 工程概況

某高速公路懸臂澆筑梁橋跨越義昌江，全長416 m，左、右線主橋橋跨布置均為（44+80+44）m預應力混凝土連續(xù)剛構，主墩采用矩形實心墩，過渡墩采用矩形蓋梁實心墩，橋墩均采用樁基礎。主墩承臺位于河岸邊，河流河面標高為36 m，主墩承臺頂標高均為35.5 m，承臺底標高為32.2 m。承臺原地面標高為38 m，施工需要進行深達6.8 m以上的深基坑挖掘，因此需要進行筑島圍堰作為施工平臺。

2 地質概況

義昌江兩側承臺場地巖（土）層自上而下分布為：粉質黏土、卵石、強風化砂巖、中風化砂巖。

3 圍護方式設計

根據現場實際條件，并結合以往工程經驗，基坑采用拉森Ⅳ型鋼板樁進行防護，內設2層圍檁，圍檁由腰梁及內支撐、角撐組成，腰梁采用雙拼Ⅰ45a工字鋼，內支撐及角撐采用337 mm×10 mm螺旋鋼管。為提高基坑支護結構安全性，保證基坑內部無水環(huán)境，該工程采用C30混凝土封底，封底厚度1 m。

3.1 拉森鋼板樁插入深度計算

取最不利地質情況計算，地層均設置為粉質黏土層。當開挖至基坑標高而未安裝第二層圍檁時，為最不利受力情況，計算鋼板樁最小嵌固深度t：

t=x+y（1）

x=6Paγ（KKp-Ka）（2）

y=6Pyγ（KKp-Ka）（3）

式中：Ka——主動土壓力系數，取值為tan2（45-/2）；

Kp——被動土壓力系數，取值為tan2（45+/2）；

K——被動土壓力的修正系數，取1.6；

PxPy——分別作用于嵌入土體鋼板樁前后的靜止土壓力。

計算得t=4.92 m。

3.2 拉森鋼板樁圍堰穩(wěn)定性分析

為驗證拉森鋼板樁圍堰穩(wěn)定，需對拉森鋼板樁圍堰施工過程進行力學分析。

3.2.1 工況選擇

河道筑島并整平場地后，進行拉森鋼板樁圍堰施工。按設計基坑樁位進行拉森鋼板樁插打至設計標高，排水開挖至腰梁以下1 m，完成第一道腰梁及內支撐安裝；安裝腰梁及內支撐后，基坑繼續(xù)排水開挖6.8 m后停止開挖，此時安裝第二道腰梁；基坑內抽水，灌注封底混凝土，拉森鋼板樁圍堰施工完成。

當基坑開挖至設計標高，抽水并灌注封底混凝土時，基坑側壁所受水平荷載最大，因此，選取封底混凝土澆筑前后兩個工況進行分析。

3.2.2 邊界及荷載計算

取最不利地質情況計算，地層均設置為粉質黏土層，黏土不是完全理想的不透水層，為確保圍護結構的安全性，采用水土壓力較大的水土分算計算模式［2］。根據《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120-2012）第3.1.6條，該基坑屬三級基坑，荷載基本組合取1.25倍主動土壓力及水壓力+0.9倍自重。根據計算結果，荷載施加情況如下頁圖1所示。

3.2.3 有限元結果分析

采用Midas Civil軟件對拉森鋼板樁圍堰進行有限元分析，模型如圖2所示。鋼板樁圍堰中的腰梁、內支撐、角撐采用梁單元模擬；鋼板樁及封底混凝土采用板單元模擬。腰梁與內支撐、角撐，腰梁與鋼板樁均采用一般彈性連接；鋼板樁底部采用僅約束豎向位移的一般支承邊界條件進行約束。

根據現場施工實際情況，拉森鋼板樁圍堰在工作期間主要受到的荷載有水土壓力、施工人群、機械荷載及其動力荷載、材料的自重等。各工況下的應力云圖見圖3。

3.2.3.1 工況一：開挖至封底混凝土底面

此時，完成腰梁及內支撐安裝，基坑繼續(xù)排水，開挖至設計封底混凝土底面后后停止開挖。

圍檁最大組合應力σ=213 MPa。

鋼板樁最大組合應力σ=216.3 MPa。

3.2.3.2 工況二：澆筑完成封底混凝土

封底混凝土達到設計強度后，拆除第二道圍檁內支撐。

圍檁最大組合應力σ=89.8 MPa。

鋼板樁最大組合應力σ=243.9 MPa。

3.2.4 結果匯總

由表1可知，在最不利地質情況下，設計的圍堰方案均滿足要求。

3.3 封底混凝土強度計算

根據《簡明施工計算手冊》［3］，封底混凝土厚度按式（4）計算：

h=3.5KMbft+D（4）

式中：K——安全系數，按抗拉強度計算的受壓、受彎構件為2.65；

M——板的最大彎矩；

b——板寬，一般取1 000 mm；

ft——混凝土抗拉強度設計值，根據規(guī)范，C30為1.43 MPa；

D——考慮水下混凝土可能與井底泥土摻混增加厚度，現場實際處于卵石層或風化巖層，地質情況較好，D取0。

其中，M值可依據封底混凝土按簡支雙向板計算，公式如下：

M1=a1·p·l21（5）

M2=a2·p·l22（6）

p=γ水·h水-γ混凝土·h混凝土（7）

式中：a1、a2——[JP5]彎矩系數，根據計算跨度l1與l2的[JP6]比值，按表取用，分別為0.051 6、0.043 4；

γ水——水的重度，近似計算取10；

γ混凝土——混凝土重度，近似計算取24；

h水——水深度，取值為5 m；

h混凝土——封底混凝土厚度，取值1 m。

綜上，計算得h=1 m，表明封底混凝土采用C30時，厚度至少為1 m。

3.4 基坑滲水與排水驗算

根據《路橋施工計算手冊》［4］，采用式（8）計算基坑滲水量：

Q=F1q1+F2q2（8）

式中：Q——基坑滲水量（m3/d）；

F1、F2——基坑底面積、側面積；

q1、q2——基坑底面積側面積平均滲流量，地層選取滲透率較高的巖層粗砂及大礫石漂石層，則q1取2 m3/h，q2取0.1 m3/h。

根據式（8）計算，Q=F1q1+F2q2=12.1×11.1×2+（12.1+11.1）×2×4.8×0.1=290.892 m3/h。

則水泵排水量V=1.5Q=290.892×1.5=436.338 m3/h。

依據《路橋施工計算手冊》中的水泵進口直徑與流量對照表，選擇2臺進口直徑20 cm以上離心泵即可滿足工程需求。

4 主要工藝流程及操作要點

4.1 筑島圍堰施工

4.1.1 施工流程

施工準備→測量放樣→清理河床→筑島填筑壓實→堆放土袋→筑島加固。施工完成后清除筑島，清理河道。

4.1.2 操作要點

（1）測量放樣：完成實施橋梁樁基主體的測量放樣工作并確定筑島范圍。

（2）清理河床：使用挖掘機清理河床，除去透水性強的砂礫石，并填充不透水土。

（3）筑島填筑壓實：采用拋填法進行水下填筑，分層夯實，并逐步推進到河中間，完成后堆碼土袋。

（4）堆碼土袋：在島外邊坡堆碼土袋應錯縫、密實平整，迎水面和過水面堆雙層土袋，背水面堆單層土袋。

（5）筑島加固：填筑完成后，進行碾壓，鋪墊50 cm碎石，即可進行島內橋體施工。

（6）監(jiān)測與維護：填筑完成后，用水準儀對標高進行監(jiān)測，防止沉降過大。設置水尺和觀測點進行水位和位移監(jiān)測，特別是暴雨期間，應加強監(jiān)控工作。

（7）施工完成后清除筑島，清理河道：橋梁完工后，按計劃拆除施工島體，以挖掘機裝自卸車方式進行水上土方的拆除，水下土方使用抓斗式挖泥機進行開挖并清理河道。

4.2 深基坑施工

4.2.1 施工流程

施工準備→測量放樣→鋼板樁打設→支撐安裝→鋼板樁合龍→基坑開挖及內支撐安裝→橋梁主體施工→拆除內支撐、拔除鋼板樁→回填場地。

4.2.2 操作要點

4.2.2.1 施工準備

（1）測量放樣：在進行建筑施工之前，必須對作業(yè)區(qū)域實施精確的測量和定位，以保證各個施工點的準確性。

（2）鋼板樁的吊裝、堆放：使用兩點吊裝法進行裝卸，起吊時避免裝載過多鋼板樁，確保鎖口以免受損傷。堆放場地需選擇平坦堅固、不易因壓力而沉陷變形的地方，并方便運輸至施工現場，堆放高度≤2 m。

4.2.2.2 拉森鋼板樁施工要點

（1）在進行鋼板樁的插入作業(yè)時，必須確保樁身的垂直度，若發(fā)現樁身偏斜，應立即進行矯正，確保每組鋼板樁的傾斜度≤5%。

（2）在打樁過程中，樁頂必須安裝樁帽，以防止樁頂受損。同時，應避免過度猛烈的錘擊，防止樁尖彎曲，導致后續(xù)拔樁作業(yè)困難。

（3）在打樁前，應在鋼板樁的鎖口內涂抹潤滑油脂，以便于樁的打入和拔出。此外，還應將防水混合料填充至鎖口內，該混合料由黃油、瀝青、干鋸末和干黏土按2∶2∶2∶1的比例配制而成。

（4）為了精確地打設鋼板樁，應采用屏風式打樁法。鋼板樁的施打順序應從水流的上游向下游進行［5］。每6 m設定位樁，兩側安裝型鋼導向橫梁。先用樁板機吊起鋼板樁至插樁點，確保鎖口對齊，輕捶樁帽。為防止移位，設置卡板固定板樁，并提前計算導梁上板塊位置以隨時校正。鋼板樁安裝示意如下頁圖4所示。

（5）在鋼板樁圍堰合龍作業(yè)進行到后期時，必須先對最后5～7片鋼板樁的底部間距進行測定，并據此計算出必需的樁片數量。合龍過程中，可能會遇到兩側鎖口不完全平行的情況，例如出現一側較寬而另一側較窄，或左右錯位等現象。為了解決這些問題，可以采取以下調整方案：①面對較大的上下尺寸差異，可以在合龍口的兩側樁體上點焊一對平行掛耳，然后通過倒鏈滑車進行拉伸，直至達到規(guī)定的平行度；②若尺寸差異表現為上寬下窄，則在閉合口兩側的樁體上部點焊掛耳，并利用倒鏈滑車進行拉伸，使樁體平行受拉，這有助于確保連接的穩(wěn)定性；③對于上窄下寬的尺寸差異，應在合龍口兩邊的樁體上部點焊吊耳，通過倒鏈滑車進行上部反向外拉和下部相向對拉的操作，持續(xù)調整直至滿足平行度要求；④尺寸上下都較小時，將合龍口設置在角樁附近，用千斤頂頂推并設置吊耳，通過活動導向迫使鋼板樁調整位置。若以上方法無效，可采用特制異型樁進行合龍。

4.2.2.3 基坑開挖及支撐安裝施工操作要點

（1）分層開挖，每層厚度≤1 m，清理土方高差以保持均勻深度，避免土方擠壓鋼板樁。

（2）在進行基坑土方挖掘時，挖掘機械應避免緊靠鋼板樁工作。應人工挖掘鋼板樁附近的土方，防止機械與樁體發(fā)生碰撞而導致損壞。

（3）基坑開挖施工中，應定期復測平面控制樁和水準點。

（4）腰梁及內支撐安裝。在圍堰合龍結束后，為確?；邮┕ぐ踩?，必須安裝內部支撐。當挖掘至首層設計高程時，應立即安裝第一道圍檁以加固基坑。后續(xù)開挖第二層設計標高后，施作第二道圍檁，形式與第一道圍檁一致，中間鋼管連接部分需額外施作鋼板進行加強，開挖至基坑底標高后，進行下一步封底混凝土施作，混凝土強度達到70%后即可拆除第二道圍檁。

4.2.2.4 土方開挖期間排水

（1）基坑內，采用集水坑方式，由水泵抽排水。

（2）基坑外，水溝自然來水采用排水溝排到流水點，流入溝河中。

（3）若鋼板樁出現裂縫發(fā)生漏水：①封堵漏水部位，涂刷防水膠、覆蓋水泥砂漿、再涂一層防水膠；②嚴重漏水可考慮焊接修補，打磨裂縫、焊接、涂刷防水涂料。

4.2.2.5 基底處理

基坑開挖至設計封底混凝土底面標高時，開挖集水坑，利用抽水泵抽水并清理整平底面。清底整平完成后，即可安排澆筑封底混凝土。

5 鋼板樁施工精度保障與糾偏

（1）在雜填土或卵石層段，鋼板樁在推進過程中極易因石塊等側向壓力的不均勻作用而產生傾斜。為矯正這種偏斜，可在鋼板樁偏斜的位置，將其向上提升1～2 m，隨后再錘擊使其下沉。通過這種反復的上下振拔，可以震碎較大的石塊或改變其位置，從而修正鋼板樁的位置，降低其傾斜程度。

（2）鋼板樁打入深度按基底標高控制，遇到堅硬巖層無法打入時，若打入標高低于基坑底，可切掉多余樁體，不再繼續(xù)打入，或可采用螺旋鉆鉆孔，方便鋼板樁打入，還可通過高壓水流（水刀）作為輔助工具，減少貫入抵抗力。

（3）當鋼板樁在軸線方向上出現顯著傾斜時，可使用異形樁體來進行矯正。這類非標準樁體通常設計為頂部寬、底部窄，或者其寬度超出或低于標準尺寸。根據實際的傾斜程度，可對異形樁進行焊接加工以適配。在傾斜度較輕微的情況下，也可以利用卷揚機或葫蘆配合鋼索，通過逆向拉緊樁體后進行錘擊，以實現矯正的目的。

6 結語

本文結合廣西某高速公路跨義昌江大橋建設工程實例，從圍堰的設計、驗算、施工角度開展拉森鋼板樁在河道筑島圍堰施工中的關鍵技術研究，主要結論如下：

（1）開展拉森鋼板樁圍堰穩(wěn)定性分析、封底混凝土強度計算、基坑滲水與排水驗算，確保了施工期基坑安全，并驗證了圍堰方案的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）總結了從筑島圍堰施工到深基坑施工各個環(huán)節(jié)的實用操作要點，涵蓋鋼板樁施工、基坑開挖及支撐安裝、基底處理等方面，為實際施工提供了重要參考。

（3）針對鋼板樁因雜填土或巖層不均勻導致傾斜的問題，提出了多種有效的糾偏方法，為后續(xù)施工提供了實用指導，減少了潛在的施工風險。

參考文獻

［1］吳培章.河道拉森鋼板樁填土圍堰施工技術［J］.云南水力發(fā)電，2023，39（10）：177-180.

［2］蔡洪偉，王立旺.深基坑支護中水土壓力的合算與分算的分析［J］.中國西部科技，2009，8（5）：43-44.

［3］江正榮，朱國梁.簡明施工計算手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

［4］周水興.路橋施工計算手冊［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2001.

［5］陳云鋒.深水承臺基坑鋼板樁圍堰施工關鍵技術［J］.居業(yè)，2023，（5）：34-36.

作者簡介：羅安邦（1997—），助理工程師，主要從事公路橋梁施工管理工作。