_先围后支_法钢板桩围堰的施工应用分析

21stCENTURYBUILDINGMATERIALS

第2卷第5期

Vol.2No.5

“先围后支”法钢板桩围堰的施工应用分析

向建彬

（511442

广东省

广州市

中铁十四局集团广深港客运专线ZH-1标项目部）

［摘要］通过对水土合力加载下的钢板桩围堰施工进行优化，并按照“先围后支”工艺进行计算，在确保安全的情况下，选用符合现场条件的施工工艺和材料。

［关键词］先围后支；钢板桩；施工；检算［中图分类号］TU745.39

［文献标志码］A

［文章编号］1003－1324（2010）－05－0047－04

1工程概况

沙湾水道特大桥全长18.05km，是新建铁路广深

堰的压力。

港客运专线最大的桥梁，集预制、现浇、悬灌、钢管提篮拱、钢管连续梁拱等梁型于一体，其中跨骝岗涌水道采用160m钢管拱结构，是广深港客运专线重难点工程。骝岗涌水道常水位水深约4.8m，与珠江入海口相通，水位涨落频繁，涨落潮水位最大落差超过3m。主墩位处464＃、465＃墩一侧紧临河堤，一侧位于淤泥质软土河道内，承台高度4.5m，全部埋于河床以下，梁部以下工程施工的挡水挡土措施成为施工重点。

2方案拟定

限于工程检测仪器和勘测技术所限，基础施工前

我方委托某勘测研究院对两个主墩位置处的土质、深度以及地下管线等进行了勘测，并提供了承台施工的围堰设计。按其提供的设计图：紧邻河堤侧采用搅拌咬合桩，其余三面采用钢板桩，其中464＃墩如图1所示。

根据被委托方提供的方案，施工围堰采用21m长钢板桩，临近河堤侧需施工水泥搅拌桩和预应力管桩，并且需施工土体锚索对堤岸进行锚固，施工工艺复杂。经我方对其技术参数进行分析后确定如下优化改进方案：

图1

464#墩（单位：mm）

2.3河堤侧打入钢管和木排架桩，降低便道行车以

及施工机具摆放等荷载产生的土体扰动对围堰单侧造成的附加压力。

2.4围堰施工采取“先围后支”法施工，即先将围堰

内围檩（腰梁）和上下联结竖撑加工成整体构件，精确控制沉放就位，以围檩构件作为钢板桩插打的导向系统。围堰插打合龙后，自上而下逐层安设每层水平支撑。

优化后的围堰方案如图2所示。

2.1围堰整体采用钢板桩，桩长18m，封底厚度1.5m。2.2

紧邻河堤侧适当开挖放坡，减少土体荷载对围

收稿日期：2010-09-04

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图2

围堰方案图（单位：cm）

3优化后围堰支撑布置

首先考虑围堰在顺桥向前后施加荷载的介质不

一致（一侧为全土质的河堤，一侧为水土合力），即河堤侧不进行取土降低。暂取在钢板桩全长范围内的某位置H（该点暂定在河床以下）达到平衡，计算如下。

3.1计算前提

a、靠河堤侧土层土的重度、内摩擦角和内聚力的

加权平均值为：

γ＝（19×4.2+15.5×（15-4.2））÷15＝16.48kN/m3,C＝（12×4.2+8×（15-4.2））÷15＝9.12kPa，ψ＝（8×4.2+3×（15-4.2））÷15＝4.4。

主动土压力：

Eα=γHtg2（45°-

ψ2）-2Ctg（45°-ψ

2

）＝14.1H-16.9。b、河道内桩墙所受水土合压力为：E＝Eψ淤

水+Eα＝γ水

h＋γ淤(H-h)tg2（45°-

2

）-2C淤

tg（45°-ψ淤

2

）＝13.95H-42.15。式中，h为河道内最大水深，h＝4.9m。

由以上结果，取4.9≤H≤15可知，钢板桩围堰顺桥向前后两侧受力在不考虑桩墙自身刚度的自然状态下是不可能相等的，如果靠河堤侧不进行取土降低河堤高度或桩墙不施加锚索等措施，围堰很可能往河道内滑移甚至倾覆。

3.2受力

按降低河堤，“先围后支”法施工计算钢板桩长

度、围檩强度等，按位于河道内的一侧受力考虑：

3.2.1在钢板桩插打深度范围内各层土体计算取值：

上层4.2m素填土，自然容重γ1=19kN/m3，内聚力C＝

12kPa，内摩擦角ψ1=8°；以下均为淤泥，自然容重γ2=15.5kN/m3，内聚力C＝8kPa，内摩擦角ψ2=3°。3.2.2

钢板桩：b=400mm，h=155mm，抗拉强度［σ］=

200MPa；每延米桩墙截面参数：A=242.5cm2，Ix=38600cm4，［W］=2270cm3。钢板桩的容许弯曲应力

可按基本应力提高15%计算，对钢板桩的受力分析按最不利的情况考虑。为确保安全，在支撑系统计算

中，仍按容许应力计算。

3.2.3钢材：Q235钢，抗拉强度［σ］=145MPa，抗剪

强度［τ］=85MPa。

3.2.4将围堰受力状态按施工顺序及施工工艺分为五种

工况条件。围堰基坑采用150cm厚C20混凝土封底，在板桩长度足够的情况下，按先围后支、干法取土施工。

3.3计算步骤

3.3.1

钢板桩围堰支撑的布置

按优化后设计图：围堰内共设四道水平支撑，底

部增设一道临时支撑。

3.3.2验算钢板桩围堰的受力（以每延米板桩墙为计算单元）

钢板桩桩长为18m，围堰内清土完成未封底前

钢板桩入土深度为4.34m，检算时按施工工艺将受力过程分为以下五种工况（如图3）。

图3

施工受力过程

考各工况受力如图4所示（其中Ew1—堰外水压力强度；Ew2—堰内水压力强度；Ea1～Ea4—主动土压力强度）：

以下按各工况进行计算。

（1）工况一：围堰内抽水至第一层支撑以下3.5m，未安装第二道支撑。板桩入土深，下端视为固定，其受力图如图5。

从图5可以看出，工况一的最大弯矩值Mmax=

72.83kN·m；最大剪力值Vmax=－86.46kN；最大变形

值为0.7mm，发生在第一层支撑以下2m位置。

第2卷第5期向建彬：“先围后支”法钢板桩围堰的施工应用分析

49

图4

各工况受力图

图5工况一受力图

（2）同理进行其它工况验算至工况四，围堰内取土至第四层支撑以下3.5m（封底混凝土底部），暂不考虑安装临时支撑，此时板桩入土4.34m，下端视为自由支撑，其受力图如图6。

图6

工况二～四受力图

从上图可以看出，工况四的最大弯矩值Mmax=137.05kN·m；最大剪力值Vmax=242.45kN。

（3）工况五：由各工况受力分析可知，封底混凝土已经达到使用强度，将封底混凝土视为刚性支撑，其板桩下端亦视为自由端。此时围堰整体已经属于稳定结构，此工况非最不利状态。

综合以上各工况分析结果可知：在工况四时，即

未施工封底砼前是围堰结构处于最不利状态，应合理安排施工作业，在最短时间内完成封底砼浇筑。

3.3.3钢板桩检算

按上述内支撑布置型式，由最不利的工况四可

知，板桩最大弯矩为

Mmax=137.05kN·m，最大剪力Vmax=242.45kN，

以此为依据确定钢板桩的截面，则，

则每延米钢板桩墙：

W］=Mmax=137.05×103［=685.3cm3［σ］200，

τ=Qmax242.45A=×103

242.5×10-4

=10MPa＜［120MPa］。

施工选用的钢板桩每延米桩截面模量W=2270cm3，安全系数K＝

W

［W］

=3.3，满足使用要求。3.4围檩及支撑构件检算

由前述工况条件下进行分析计算的输出结果，通

过汇总得出工况一至工况四各层围檩的支反力汇总表，围堰结构中围檩的支反力汇总如表1所示。

表1

各工况条件下围檩支反力

支反力

工况一

工况二

工况三

工况四

R1／(kN)23.569.9513.811.37R2／(kN)118.68

96.88111.4R3／(kN)219.6

165.7R4／(kN)

412.3

由上表可知，每延米板桩墙:R1max=23.56kN，

R2max=118.68kN，R3max=219.6kN，R4max=412.3kN，以每

层支撑上的支反力最大值做为围堰环向均布荷载，计算依据验算各层支撑的材料选用是否满足要求。

因各层围檩（腰梁）布置形式一致，同时经上述分析可知工况四围檩受力最大，首先进行检算。水平钢管支撑两端视为铰接，围堰整体弯矩图、轴力图和变形图如图7。

（1）由检算结果可知，围檩最大弯矩为Mmax=

321.24kN·m，最大剪力Qmax=659.2kN，整体最大变

形24mm。选择2I40a工字钢作为围檩，则：

σmax=Mmax321.24×103

W=22×1090×10-6=147.4MPa＞［σ］=145MPa，

τ=Qmax

2（I=659.2×103max=92MPa＞［τ］=

x/Sx）·b2×34.1×10.5×1085MPa。

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图7

围堰整体弯矩图轴力图、变形图

第四层围檩采用2I40a工字钢时，计算应力均大于容许应力。按桥规中有关规定，可在GB钢容许应力的基础上提高15％考虑破坏，故可以采用2I40a工字钢作为围檩使用，需在工字钢肋间焊加劲板，或采用b型钢或2I45a工字钢。第一道至第三道围檩采用

2I40a工字钢均能满足使用要求。

（2）依据输出结果按由短至长，围堰角撑各钢管的轴力大小分别为N1＝1343.5kN，N2＝1851.3kN，N3＝

1739.6kN，N4＝1678.8kN。按设计图，1～3＃杆采用φ400×8mm钢管，4＃杆采用φ530×8mm钢管。结果

显示：2＃，3＃杆采用φ400×8mm钢管不能满足使用要求！此外，3＃、4＃杆经计算，在没有联系梁的自由状态下出现失稳，因此，在优化的基础上减小长细比，即增加两道联系梁，并在工况三往下抽水前完成安装。

4

工艺总结

4.1

靠河堤侧采用某勘测设计院的方案，钢筋混凝

土桩墙刚度大，加上预应力锚索，偏于安全，但钢板桩与混凝土桩墙的咬合问题难以处理，在整个施工基础的过程中，受水位涨落等影响，围堰整体稳定，局部不稳定，容易出现竖向接缝处涌水。

4.2采用“先围后支”施工工艺，以围檩体系作为导

向插打钢板桩，桩墙的咬合性能好，围堰整体稳定性强，适用于水位涨落频繁且落差较大的水中基础施工。

4.3自上而下逐层施工支撑，封底混凝土面比水下

封底平整，在淤泥质土承载力低的情况下，封底面厚度的均匀性对提高基底承载力起到很大作用。同时，还可减少封底混凝土厚度，相当于增加板桩入土深度，这也是采用18m长的板桩的一个控制因素。

4.4增加底部的临时支撑后，整个围檩和支撑的选

材均可用（增加一个工况计算）。临时支撑采用单根

I40a工字钢做围檩即可，水平撑于桩头上，封底混凝

土达到强度，桩头破除前拆除。

5结语

该桥两座主墩从围檩体系下沉到桥墩施工完成

的60余天时间内，围堰经历了数次潮差超过3m的

最高水位，从设置在围堰角点的观测记录显示，围堰变形、偏移等不利参数均未超过允许值，堰内渗水极小，封底厚度减小为1.0m，降低了施工成本。因此，采用“先围后支”的工艺为施工安全、缩短工期提供了有力保障。参考文献

［1］TB10002.5-2005，铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.［2］中铁大桥局集团有限公司.桥梁设计与施工技术［M］.北京：

人民交通出版社，2002.作者简介

向建彬，男，（1977－），2000年7月毕业于石家庄铁

道学院交通工程系，工程师。