打开文本图片集

摘要：新建昌景黄铁路金溪湖特大桥桥址区特殊岩土砂层较厚，水中开挖围护难度大，如何实现钢板桩准确定位和围堰堵水是施工中的关键环节。本文以金溪湖特大桥43、44#水中墩深基坑施工为例，对钢板桩围堰施工过程中的快速准确定位插打钢板桩以及防水堵漏技术进行了探讨，并通过建立有限元模型评估了钢板桩围堰各工况下受力性能，相应的研究成果可为类似工程提供借鉴。

关键词：高速铁路;水中墩;钢板桩围堰;施工技术

0引言

近年来，随着国家对基础建设投入的持续加大，我国的钢铁产能和消费量不断攀升，钢板桩作为建筑行业重要的施工技术装备，其发展也势如破竹，在道路、桥梁、房建、港口码头以及机场等工程建设中应用范围越来越广泛[1-2]。钢板桩具有结构性能优、施工效率高、环境污染小、经济性良好的特点，使得钢板桩在临时结构和永久结构中频繁使用。随着中国高速铁路建设的蓬勃发展，拉森钢板桩因其良好的性价比在基础施工、边坡防护中得到了普及。目前国内许多桥梁工程的建设过程中均广泛应用了拉森钢板桩，诸如吴淞江大桥、宁德特大桥和钱江铁路新桥等工程[3]。

钢板桩围堰作为深水基础施工中的一种有效围护结构，靠锁口封水，具有强度高，插打入土方便，防水能力强等优点[4]，但在实际施工时受地质、水文影响较大，如何实现超长钢板桩准确定位和围堰堵水是施工中的关键环节[5]。本文在总结水中墩钢板桩围堰存在问题的基础上，重点探讨了快速准确定位插打钢板桩以及防水堵漏施工技术，最后通过建立有限元模型，评估了钢板桩围堰各工况下受力性能。

1工程概况

1.1基本情况

昌景黄高速铁路简称昌景黄高铁，即杭昌高速铁路南昌-景德镇-黄山段，是一条连接江西省南昌市、景德镇市与安徽省黄山市的高速铁路。线路全长289.807千米（江西段200.276千米、安徽段89.531千米），设10座车站，设计速度350千米/小时。金溪湖特大桥（DK295+122.99～DK310+545.67）位于昌景黄铁路第六标段，其中43、44号墩位于抚河故道内，承台尺寸13.85m×17.6m×3.5m，采用21m钢板桩防护。

1.2水文和地质情况

金溪湖特大桥43、44#墩所处的抚河故道水位随季节性涨落，水深在1.5-6m，桥址区地表水主要为河水，地表水主要接受大气降水以及抚河干流补给，流量和水位变动大，受季节或降雨影响显著。桥址区地下水类型主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水。地下水主要接受降水和地表水入渗补给，动态变法较大。桥址区地下水对混凝土中钢筋具微腐蚀性，场地土对混凝土结构及钢筋混凝土中钢筋均具有微腐蚀性。

桥墩处上覆土层主要为细沙、中砂、粗砂和泥质砂岩，考虑到桥址区特殊岩土砂层较厚，且位于水中，开挖围护难度大，采用钢板桩围堰施工时尤其应注意准确定位和围堰堵水。

1.3 钢板桩围堰设计

考虑到钢板桩围堰施工能够适合于砂类土、粘性土、碎石土及风化岩等坚硬河床，挡水性能好，可以拆除利用。经过经济技术分析，对43、44#墩深基坑开挖采用钢板桩围堰进行防护施工。

钢板桩选用拉森IV型21m/根钢板桩，承台边线外扩1.5m打设，钢板桩围堰平面尺寸根据每个承台设计尺寸确定大小。根据现场实际开挖深度及承台高度围檩可设置4道，腰梁采用2NH700×300mm型钢，斜撑、对撑采用φ630×10mm钢管，基底采用2.2m厚C25混凝土封底，如图1所示。

2 钢板桩围堰存在的问题

2.1钢板桩定位技术问题

钢板桩插打定位难度大、易偏位、易倾斜、难合拢，为此，需开发钢板桩插打定位与导向装置，实现简易、快速、精准的钢板桩插打定位，解决传统钢板桩插打定位存在的问题。

2.2钢板桩围堰渗水问题

钢板桩在围堰施工中，不可避免出现围堰渗水现象。造成渗水的主要原因有：（1）钢板桩自身刚度太强;（2）钢板桩在循环利用过程中出现变形;（3）围堰内外水位差，造成围堰内外存在压力差。渗水问题关乎钢围堰施工是否能顺利进行，因此如何有效堵漏，解决围堰渗水问题是钢板桩施工关键的环节。

3钢板桩插打与定位施工技术

钢板桩插打施工时，首先要了解钢板桩施工桥位处的地质条件和钢板桩插打深度，进而求解出插打激振力的大小;其次，为充分考虑在插打过程中水流的影响，需要重点监控前3根钢板桩插打角度和位置。尤其是第一根钢板桩能否成功插打到指定位置关乎后续钢板桩的安装。为此，需要确保首根钢板桩插打的垂直度（≤1‰）满足设计要求。然后，在整个钢板桩插打过程中，需要测量人员和插打人员的紧密配合，测量人员需要密切关注钢板桩的垂直度，如若发现倾斜，及时反馈给插打人员，停止插打进行调整，直到所插打的钢板桩垂直打入并到达设计标高位置。最后，在进行围堰的合拢阶段时，可根据现场钢板桩的平面尺寸和垂直度对异型钢板桩进行加工，完成合拢。

3.1导向架的安装

为保证钢板桩能顺利垂直插打到指定的设计标高位置，在钢板桩施工过程中通常设置具有一定刚度的导向架来实现该目的，该施工工艺也被称为“施工围檩”。导向架在施工过程中可以及时纠正钢板桩轴线位置的偏离和垂直度;可有效控制钢板桩的插打精度;可提升单根钢板桩插打过程中的稳定性，并在一定程度上增大钢板桩入土深度。为准确安装导向架，需要注意以下几点，如图2所示。

3.2 定位架的安装

为解决钢板桩插打定位难度大、易偏位、易倾斜、难合拢以及钢板桩锁口缝隙渗漏水的情况，宜采用移动式钢板桩插打定位与导向装置，如图3所示。该装置由工字钢与角钢焊接而成，通过高强螺栓与导向梁固定成整体，能够简易、快速、精准的达到钢板桩插打定位准确度要求，解决了传统钢板桩插打定位差反复抽拔调位、速度慢、钢板桩锁口卡死、施工功效低、成本投入大并且易造成围堰尺寸偏差大，安全隐患多等一系列问题，具有结构简单、施工速度快、利于施工质量控制的特点。

3.3钢板桩插打施工

在插打前几根钢板桩时，施工现场通常利用内支撑框架作为钢板桩导向架，其具体操作过程为：首先在导向架上按钢板桩宽度确定出每根钢板桩的边界，然后在导向架上按钢板桩每边放大1cm的原则安装限位装置。当围囹下放深度到达设计标高时，此时可操作80t履带吊和振动锤共同工作对钢板桩进行插打。钢板桩的插打顺序通常为先上游后下游;先中心后两边。本文遵从前述插打顺序的原则，首先对插打上游围囹横桥向中心处的钢板桩，然后插打两侧的钢板桩;最后插打下游任意一侧长边角桩，完成钢板桩合拢。

为了保证每片钢板桩插打后的平面位置符合要求，需要严格把控第一片钢板桩的插打质量，实际操作过程中，首先在插打前在导向架上按钢板桩每边放大1cm的原则安装限位装置;然后在插打时需要现场人员的紧密配合。插打过程中吊钩下放速度必需缓慢，测量人员必需时刻关注放置于两个相互垂直方向的锤球是否垂直，以保障钢板桩插打垂直度符合设计要求。

4钢板桩围堰防水堵漏施工技术

在昌景黄铁路金溪湖特大桥43、44#水中墩钢板桩围堰施工过程中，钢板桩围堰采用防水与堵漏相结合的方式保证施工安全。

4.1钢板桩围堰防水

4.1.1保证拉森钢板桩垂直度

利用振动打桩机进行拉森钢板桩的插打，插打过程中，设置了可移动式定位与导向装置（图3）。这种装置利用上下两层导向梁的架立限位架，可以固定垂直方向与左右方向以及前后方向，以减小钢板桩插打过程中出现偏位及倾斜的现象，也能使钢板桩锁口自身密实性提高，从而实现围堰堵漏目的。

4.1.2确保锁口密贴紧扣

为确保锁口密贴紧扣，在钢板桩插打前，对钢板桩锁口处涂刷润滑防水油脂，以达到插打过程中润滑及后期堵水防漏作用，保证其锁口质量;与此同样，考虑到角桩位置是钢板桩受力较为复杂的部位，对防水起到较为关键的作用，必须确保角钢加工精度与质量。

4.2钢板桩围堰堵漏

利用拉森钢板桩围堰内外水差，借用水流吸附力作用进行渗漏封堵处理。

4.2.1 小渗漏处理

抽水时观察出现漏水缝的位置，利用漏水处水压差降产生吸力的原理，在漏水处钢板桩上迅速溜下一袋干细砂或锯木屑、粉煤灰（煤碴）等填充物，在吸力的作用下，填充物会被吸入接缝的漏水处，将漏水通道堵塞，有效的减少渗漏水量。

4.2.2 大渗漏处理

抽水后发现钢板桩锁口漏水较为严重时，在拉森钢板桩围堰渗漏外侧堵砂袋或内侧用板条、棉絮、麻绒等在板内侧嵌塞。在围堰底部漏水处，可根据漏水量和堵漏难度选择不同的处理方式。当漏水量和堵漏难度较小时，可采用浇筑局部混凝土封底等措施;当漏水量较大堵漏较困难时，通常需要在钢板桩外面和下端等地方铺设彩条布。铺设钢板桩外面的彩条布时需要将彩条布固定在钢板桩顶部;铺设下端的彩条布时，首先铺设深度要到达河床面;然后需派有经验的潜水员在水下完成用型钢、石块固定彩条布的作业;最后通过添堵部分砂袋，达到堵漏目的。

5钢板桩围堰受力分析

考虑到钢板桩围堰的入土深度较大，土体对入土部分的围堰起到了嵌固作用，此时围堰上端受到内撑的支撑作用，下端受到土体的嵌固支承作用。鉴于钢板桩存在截面刚度，土压力产生的变形能显著减少对内支撑的荷载，内撑对钢板桩围堰是弹性支撑，并不是完全刚性，因此在计算中，内撑对钢板桩按弹性支撑考虑，采用弹性地基梁计算出钢板桩的内力、应力与作用于圈梁的反力，再将该反力作用在内撑上计算出内支撑的应力，相应的计算工况如下：

工况1：安装第1层内支撑后，开挖至第2层内支撑下0.5m处，准备施工第2层内支撑;

工况2：安装第2层内支撑后，开挖抽水至第3层内支撑下0.5m处，准备施工第3层内支撑;

工况3：安装第3层内支撑后，开挖抽水至第4层内支撑下0.5m处，准备施工第4层内支撑;

工况4：安装第4层内支撑后，开挖抽水至封底混凝土底，准备浇筑封底混凝土;

工况5：浇筑封底混凝土后，拆除第4层内支撑，准备施工承台;

工况6：承台施工完成，待混凝土达到设计强度后，在承台顶部施工0.5m高冠梁，待冠梁达到设计强度后，拆除第3道内支撑和第1、2道内支撑中间的竖杆，准备施工桥墩。

钢板桩内力及内支撑反力计算结果如表1所示，每层圈梁和内支撑的应力计算结果如表2所示。。

6结语与讨论

本文以新建昌景黄铁路金溪湖特大桥为工程背景，对钢板桩围堰施工过程中的快速准确定位插打钢板桩以及防水堵漏技术进行了探讨，并建立有限元模型，评估了钢板桩围堰各工况下受力性能，得到以下结论：

（1）针对传统钢板桩施工中存在的问题，提出了钢板桩“先插后支”的插打和定位方法，通过设置双层导向架，利用提出的一种移动式钢板桩插打定位与导向装置，实现简易、快速、精准的达到钢板桩插打定位准确度要求，解决了传统钢板桩插打定位差反复抽拔调位、速度慢、钢板桩锁口卡死、施工功效低、成本投入大并且易造成围堰尺寸偏差大，安全隐患多等一系列问题。

（2）在保证拉森钢板桩垂直度的基础上，通过涂刷润滑防水油脂以及角桩加工精度控制，实现钢板桩围堰防水;在应用填充物堵塞漏水通道，减少渗水量的基础上，针对钢板桩锁口漏水严重区域，采用钢板桩内侧嵌塞与外侧抛填部分砂袋相结合的方式，达到堵漏的目的。

（3）各施工工况下钢板桩、圈梁、斜撑和直撑的应力均小于Q235钢允许应力210MPa，表明设计的钢板桩围堰能满足施工受力需求。

参考文献

[1] 郑定刚. 深水钢板桩围堰水下加撑技术研究[J]. 施工技术，2018，（09）：25-28.

[2] 李春桃. 钢板桩围堰技术在桥梁施工中的应用研究[J]. 四川水泥，2021， （02）： 48-49.

[3] 王瑞强. 深水超长钢板桩围堰施工技术[J]. 价值工程，2019，（25）： 36-37.

[4] 冀艳立. 钢板桩围堰在桥梁水中墩施工中的应用[J]. 建筑技术开发，2020， 47（09）： 37-38.

[5]张岩. 桥梁围堰钢板桩施工中常见问题及质量控制措施[J]. 交通世界，2020， （20）： 155-156.