深水钢板桩围堰工程施工有很高的安全风险, 在围堰设计与施工时, 必须给予高度重视。在国道107改线官渡黄河特大桥124号墩钢板桩围堰设计过程中, 研究和分析了有关钢板桩围堰水下加撑和常规工艺的对比, 发现水下加撑能够大幅提高深水钢板桩围堰的安全性。从安全、经济的角度出发, 分析深水钢板桩围堰水下加撑相比于常规工艺 (明挖顺作法) 的优点, 总结水下加撑的施工方法。

国道107改线官渡黄河特大桥工程位于新乡市、郑州市境内。黄河特大桥全长7 377m, 桥跨布置为:5× (4×30m) + (25+125+75) m+3× (4×40m) +5×40m+3×50m+3× (4×40m) +2× (5×40m) +9× (4×50m) +2× (3×50m) +3× (75m+5×125m+75m) +3× (4×30m) 。主桥下部结构:主墩采用矩形空心墩, 承台加钻孔灌注桩群桩基础;引桥下部结构采用柱式墩、肋板台钻孔灌注桩基础。

其中124号墩位于黄河主河道, 为水中承台, 采用钢板桩围堰施工。124号墩承台结构尺寸为1 890cm×1 760cm×450cm, 承台底标高71.400m, 年平均水位82.000m, 年最高水位84.500m。围堰设计考虑防洪度汛, 因此取设计水位84.500m, 设计水深13.1m。围堰范围内土层主要以粉砂土为主, 其水下黏聚力10k Pa, 内摩擦角20°。选用拉森SP-Ⅳ型钢板桩, 围堰结构如图1所示。

深水钢板桩围堰水下加撑工艺区别于常规工艺明挖顺作法 (由上而下逐层开挖加撑) , 关键是改变加撑步骤, 即抽水前完成水下部分支撑安装。124号墩施工工艺流程:施工准备→现场拼装第3层支撑→下放第3层支撑, 就位固定→现场原位拼装第2层支撑→下放第2层支撑, 就位固定→现场原位拼装第1层支撑→安装钢板桩导向装置→施打钢板桩→水下开挖至设计围堰底→浇筑围堰封底混凝土→围堰内抽水至第2层支撑底50cm, 安装牛腿、加固支撑→围堰内抽水至第3层支撑底50cm, 安装牛腿、加固支撑→围堰内抽水至封底混凝土, 施工承台。

对水下加撑与常规工艺以下工况进行对比 (为了方便比对, 钢板桩及支撑材料完全相同, 布置完全一致) : (1) 初始工况水下开挖 (清底) 至深16.1m; (2) 抽水工况1封底混凝土 (3m) 浇筑后, 围堰内抽水至第2层支撑底; (3) 抽水工况2第2层支撑安装完成, 围堰内抽水至第3层支撑底; (4) 抽水工况3第3层支撑安装完成, 围堰内抽水至基坑底。各工况结构对比如图2所示, 计算结果如表1所示。

根据表1的对比, 可以看出在抽水工况1情况下, 水下加撑钢板桩的最大弯矩值是常规工艺的34.25%;抽水工况2情况下, 水下加撑钢板桩的最大弯矩值是常规工艺的19.90%。根据这个结果不难看出水下加撑工艺可以实现抽水工况下大幅度减少钢板桩的弯矩、变形、剪力值。特别是深水围堰工程, 随着水深的增加这个对比更加明显。

计算结果表明: (1) 水下加撑工艺在抽水工况1和抽水工况2条件下的内力值比常规工艺的内力值小很多; (2) 对于深水围堰并不是抽水至封底混凝土工况下钢板桩的内力值最大 (这是深水围堰区别于潜水、软弱土层围堰的最大特点) , 而是在抽水过程中出现了钢板桩的内力最大值。下面针对上述两项结果进行分析研究。

为了更加直观, 只分析静水作用下钢板桩的受力情况, 受力如图3所示。

因为静水侧压力具有两个主要特点: (1) 沿竖向呈线性分布; (2) 内外存在水头差时, 内外压力差一直向下延伸。这两个特点使深水钢板桩围堰的结构受力不同于软土层围堰结构 (软土围堰内侧被动土压力系数大于外侧主动土压力系数, 随着深度增加逐渐抵消内外压力差) 。以官渡黄河大桥124号墩为例, 分析在常规工艺下随着内外水头差增加, 钢板桩最大弯矩值变化曲线, 如图4所示。

由图4a可知, 当不采用水下加撑工艺时, 抽水到3m, 钢板桩的弯矩达到500k N·m, 而对于拉森SP-Ⅳ型钢板桩能承受的最大弯矩值不超过488k N·m, 也就是说不采用水下加撑工艺, 一次抽水深度不能超过3m, 第2道支撑间距要<3m, 相邻支撑间距过小, 显然不经济、不合理。所以对于深水围堰想发挥钢板桩的优点就必须要考虑水下加撑。

钢板桩是作为梁单元 (或板单元) 提供挡水支撑的作用, 因此水下加撑能够有效缩短钢板桩的支撑跨度, 在外部荷载不变的前提下, 缩短支撑跨度, 即减小了钢板桩的弯矩。从图3可知, 深水钢板桩围堰的内力值与水深H、内外水位差△h、支撑的竖向间距有直接关系, 在施工过程中水深H是固定值, △h根据支撑布置确定, 那么为了使结构更加经济、施工方便、节约工期, △h不宜低于3m, 所以△h的调整范围十分有限。因此水下加撑相比于常规工艺在抽水过程中为钢板桩提供支撑作用, 有效缩短支撑间距, 进而减小了钢板桩的弯矩。

如图4b所示, 在相同工况下钢板桩的最大弯矩值与设计水深呈线性关系, 当设计水深较小 (<10m) 时, 钢板桩自身能够承受水压力带来的弯矩, 此时可以不采用水下加撑工艺。当水深>10m甚至更深时, 钢板桩自身抵抗弯矩的能力有限, 就需要抽水前增加支撑。所以本文重点说明深水钢板桩围堰水下加撑的优势和意义。

1) 对钻孔桩钢护筒进行测量放样, 测定钢护筒的中心坐标及竖直度。

2) 按支撑设计进行构件加工, 严格检查构件材料、尺寸、焊缝。

3) 利用钢护筒制作支撑现场拼装平台, 平台应简易、牢固且便于拆除。

4) 在拼装平台上进行放样, 准确定出支撑的内外边线、纵桥向及横桥向中心线。

1) 水下加撑适宜整体下放, 因此支撑拼装时, 按设计图控制好构件连接, 采用螺栓连接的要进行扭力检测, 确保各个构件间连接紧密、牢固;采用焊接连接时, 要严格控制焊接质量, 并进行焊缝验收。

2) 现场拼装时, 严格控制支撑的尺寸。当采用先打设钢板桩后安装支撑的施工顺序时, 考虑到钢板桩的打设倾斜度、钢护筒的竖直度偏差, 现场要对支撑外边线进行适当缩放, 确保支撑能够下放就位。

3) 安装精轧螺纹钢就位固定系统。根据支撑结构的特点, 在重要节点处设置吊点, 吊点处按设计图进行安装、加固。

水下支撑下放就位通常有2种方法: (1) 采用千斤顶同步技术进行支撑下放; (2) 在设备条件允许的情况下采用浮吊、起重机或履带式起重机一次吊装就位。以官渡黄河特大桥124号墩为例, 每层支撑总重60t, 采用2台履带式起重机, 设置8个吊点, 将支撑一次下放就位。

1) 安装支撑下放导向装置, 导向装置利用钢护筒制作, 选用I25a沿承台外围钢护筒竖向焊接。导向装置外侧涂抹润滑油, 减少与支撑之间的摩擦力。

2) 利用千斤顶或起重机将支撑下放到设计标高处, 并进行局部调整, 控制支撑的水平度, 使支撑处于水平状态, 支撑的四角高差控制在5cm以内。

3) 紧固精轧螺纹钢, 将支撑固定在钢护筒上。

1) 围堰内侧抽水, 当围堰内侧水位降至支撑底以下时, 对支撑进行检查, 对变形或连接松动部位进行加固处理。

2) 按设计图纸位置依次安装支撑牛腿。

3) 依次抽水并加固支撑、安装牛腿, 直至完成最下层支撑。

4) 拆除精轧螺纹钢固定装置, 割除桩基顶钢护筒, 进行承台施工。

1) 在深水钢板桩围堰设计时, 一定要认清水压力对钢板桩的作用特点, 其水压力是沿钢板桩向下线性分布, 内外水头差会产生一个水头压力沿钢板桩一直向下分布。有过类似工程案例, 在设计时不经分析地人为确定最不利状态为抽水至围堰底 (即内外水头差最大时) , 但实际上从上文的计算分析可知在抽水过程中出现钢板桩的弯矩最大值。由于忽略了这一步验算, 使设计结构不能满足实际工况下应力要求, 从而导致抽水过程中发生围堰坍塌事故。

2) 由于在水中安装支撑, 支撑在水中的状态不能被肉眼观察, 因此要注意现场拼装支撑的尺寸、牢固性、精度等检测。同时要求支撑本身拥有一定的刚度, 能够保证在吊装下放过程中不发生过大的变形。水下检测主要控制支撑的水平度, 防止支撑出现偏心受压状态, 使结构更安全。

3) 当采取先打设钢板桩后安装支撑的施工顺序时, 要在支撑安全前, 详细检测钢板桩围堰上口平面位置及下口平面位置, 检测钢板桩的倾斜度, 计算支撑外边线的尺寸、中心位置。此时支撑现场拼装时适当控制缩小支撑外边线尺寸, 建议控制缩小3~5cm。

深水围堰工程, 因为水压力较大, 对于围堰的要求较高, 安全风险较高, 根据以往工程经验深水围堰多采用双壁钢套箱围堰和锁口钢管桩围堰, 但双壁钢套箱围堰的施工成本高、施工周期长, 其成本接近钢板桩围堰3倍左右, 而且双壁钢套箱围堰的加工周期长, 对运输、安装设备的要求也很高。对于同一工程而言, 锁口钢管桩围堰的成本也高于钢板桩围堰, 而且锁口钢管桩的应用案例表明其漏水现象比较严重, 对于承台施工造成不利影响。因此在官渡黄河大桥124号墩深水围堰设计过程中, 对3种方法进行了详细对比, 通过研究发现只要改变加撑顺序, 就能够更好地发挥钢板桩的优势, 使得围堰设计在经济性、安全性、工期等方面实现较大的提升。尽管本文对深水钢板桩围堰水下加撑工艺进行了系统的理论研究和工程实践, 但是截至目前国内深水围堰工程采用水下加撑技术的并不多见, 因此在水下加撑技术的完善和改进方面仍有很大研究空间。