黄河流域砂卵石地质钢围堰设计优化及施工技术探讨

中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117

目前，宁夏回族自治区境内已有21座横跨黄河的公路大桥，另有新华侨黄河特大桥和营盘滩黄河特大桥正在建设策划中。宁夏属于黄河上游，其主要水文特征为水位高、流量大且有凌汛。围堰的选择对承台施工安全、质量、进度及成本均有显著的影响[1]，因此在该区域建设跨黄河特大桥，水中承台围堰方案选择极为重要。

1 工程概况

乌海—玛沁公路（宁夏境）青铜峡至中卫段工程A7标镇罗黄河特大桥全长1289m，为全线控制性重难点工程。全桥共分为5联22跨，桥跨布置分别为第一联北岸引桥为(3×40)m、第二联北岸跨堤桥为(40+40+75+ 40)m、第三联主桥为(55+6×90+55)m、第四联南岸跨堤桥为(40+40+75+40)m、第五联南岸引桥为(3×40)m。引桥、跨堤桥及主桥上部构造均为钢-混组合连续梁，下部构造为钻孔灌注桩基础+承台+花瓶墩。全桥共设23个墩台，其中8#～13#墩位于黄河中，主墩承台采用整体式结构，承台平面尺寸如图1所示。

图1 主桥8#～13#墩承台平面尺寸图（单位：cm）

2 承台围堰原设计方案

（1）原设计方案。根据两阶段施工设计图要求，陆上及河槽内1#～7#墩、14#～21#墩承台采用钢板桩围堰施工，水中8#～13#墩承台采用单壁无底钢套箱围堰施工，均为先桩后堰法。无底钢套箱由15mm厚的钢板壁板与I18工字钢竖肋和[10槽钢水平加强肋组成。套箱内空设计尺寸为横桥向25.7m×顺桥向7.7m×高7.2m，平面尺寸如图2所示。套箱分为两节，首节高4m，深入河床底1.5m，末节高3.2m，伸出水位线上1.2m。套箱内顺桥向共设3层φ630mm×16mm螺旋钢管水平支撑，每层布设5道水平支撑，水平间距4.5m。

图2 单壁无底钢套箱围堰平面图（单位：cm）

（2）原设计钢围堰力学特性。采用Midas Civil有限元软件对单壁无底钢套箱进行三维仿真模拟，使用极限状态法计算[2-4]。钢围堰竖肋、水平肋、壁板、围檩及内撑均为Q235钢材，其抗拉、抗压、抗弯强度设计值取215MPa，抗剪强度设计值取125MPa。仿真分析结合钢围堰整个施工过程，按首节钢套箱下水就位、次节钢套箱下水就位、水下封底混凝土浇筑及封底混凝土等强后将水抽干这四个工况计算。分析结果得出，封底混凝土等强后将水抽干时，钢套箱围堰受力最为不利。计算结果如图3所示，由图3可知在最不利工况下钢围堰壁板最大组合应力为44.8MPa，钢套箱竖横肋及围檩内支撑最大组合应力为77.3MPa，均远小于Q235钢材的抗拉、抗压、抗弯强度设计值215MPa；钢套箱整体变形仅为16mm；由于钢围堰与桩基钢护筒采用焊接形式连成整体，故钢围堰整体稳定性及抗浮可不予计算。

图3 最不利工况下钢套箱围堰力学特性

从计算结果可判断，在最不利工况下单壁无底钢套箱围堰各项力学特性均未得到有效利用，造成较大资源浪费，且从钢围堰加工周期、吊装难度及制造成本等方面考虑[5]，无底钢套箱围堰均不是该工程的最佳选择。

3 钢围堰优化设计

（1）优化思路。为降低安全风险、加快施工进度、节约施工成本，针对该工程实际地质状况并结合无底钢套箱围堰仿真计算结果，决定尝试采用拉森Ⅳ型钢板桩围堰方案[6]。考虑到砂卵石地质沉桩困难，对钢板桩辅进行适当改进，在钢板桩内安装可抽拔的高压射水管作冲散砂卵石引孔用。

（2）优化后围堰构造。水中承台采用优化后的拉森Ⅳ型钢板桩围堰施工方案，钢板桩材质为Q345钢材，单根长为15m（试打时钢板桩可深入河床底5～7m）。围堰平面尺寸定为横桥向28.5m×顺桥向10.5m，围堰内共设3层水平内支撑，为最大限度发挥围檩力学性能，第一层围檩采用双拼HN500mm×200mm×10mm×16mm型钢，第二、三层围檩采用双拼HN700mm×300mm×13mm×24mm型钢，所有内支撑均采用φ630mm×10mm螺旋钢管，围檩及内支撑材质均为Q235钢材。拉森Ⅳ型钢板桩围堰平面图如图4所示。

图4 拉森Ⅳ型钢板桩围堰平面图（单位：cm）

（3）优化后钢板桩围堰力学特性。仿真分析同样结合钢板桩围堰施工整个过程，按钢板桩合龙、围堰内水位降至第一道内支撑下50cm处、围堰内水位降至第二道内支撑下50cm处、围堰内水位降低第三道内支撑下50cm处及水位降至承台底等五个工况计算。分析结果得出水位降至承台底时，钢板桩围堰受力最为不利，计算结果如图5所示。由图5可知，在最不利工况下钢板桩最大组合应力为60.6MPa、最大剪应力23.5MPa，围檩及内支撑最大组合应力为94.1MPa、最大剪应力60.3MPa，钢围堰整体最大变形为28mm。

图5 最不利工况下钢板桩围堰力学特性

通过计算结果可判断，最不利工况下钢板桩围堰的各项力学特性均良好，并且单个钢板桩围堰总钢材用量仅为113t，而上述单个无底钢套箱围堰总钢材用量达185t，钢板桩可就近租赁，钢套箱必须从钢结构厂家定制，残值率亦不高[7-8]。综合考虑工程进度、围堰造价、施工安全及可操作性，拉森Ⅳ型钢板桩围堰在此工程中具有很明显的优势，故决定采用拉森Ⅳ型钢板桩围堰施工方案。

4 钢板桩施工技术

（1）施工准备。钢板桩围堰施工准备主要分为围堰材料准备、机械设备准备及现场准备。为保证钢板桩顺利插打，钢板桩备料时，在内壁每隔3～4m焊接一个用于固定高压射水管的环扣，环扣直径比射水管直径大2cm。

（2）导向架安装。采用DZ120A振动锤打入4根引导桩，并在每根引导桩内侧分别焊接4个牛腿，作为导向架水平撑。在水平支撑上安装双拼HN700mm×300mm×13mm×24mm型钢导向架，导向架与牛腿支撑采用临时焊接固定。

（3）钢板桩插打。为了确保钢板桩能精准合龙，第一片钢板桩的插打很关键，由于此工程位于大流速黄河流域，因此首片钢板桩插打位置选择在钢围堰侧面。插打前，先在钢板桩内壁安装高压水管并通水检测是否堵塞。检测无误后开始插打钢板桩，钢板桩背面紧贴导向架，边插边下放夹板吊钩。首片钢板桩插打完成后，再向两边对称插打其他钢板桩，插打过程严格遵守“插桩正直、偏斜即纠、调整合拢”的钢板桩围堰施工十二字方针。每根钢板桩插打完成后，应通过履带吊立即将高压射水管拔出。钢板桩合龙位置选择在围堰下游处，合龙分四角合龙和中间合拢两种方式，四角合龙对打设精度要求较低，该工程选在下游小里程侧角落合龙[4]。

（4）内支撑安装。拉森钢板桩合龙后，围堰内进行试抽水，降水高度控制在1m以下，观察钢板桩之间是否有渗漏水现象，如有则进行塞缝堵漏。内支撑与降水严格按照“分层支撑分层降水”的原则实施。降水至第一层内支撑下50cm处，施作第一层围檩及内支撑；首层内支撑施作完毕，继续降水至第二层内支撑下50cm，施作第二层围檩及内支撑，直至第三层围檩至内支撑施作完成。

（5）围堰内淤泥及卵石开挖。该工程围堰内砂卵石含量占比最大，淤泥次之。采用水下吸泥机吸泥沙和卵石效率低且易发生设备故障，故采用长臂挖掘机进行淤泥及卵石开挖，如图6所示，直至封底混凝土底标高处。靠近钢板桩和灌注桩附近的淤泥卵石较难挖除，通过潜水员持高压水枪冲刷后再挖除。

图6 长臂挖掘机清除围堰内淤泥和砂卵石

（6）水下封底混凝土灌注。为防止抽水清淤后基底隆起或钢板桩围堰向内侧变形，开挖完成后立即采用汽车泵浇筑封底混凝土。封底混凝土厚度通过围堰整体稳定性、抗浮能力以及混凝土自身应力确定。经计算，该围堰工程封底混凝土厚度定为1.5m。

（7）支撑系统监控。支撑系统监控是钢板桩围堰施工必不可少的工作，它对围堰施工安全及质量控制有重要的意义。在围堰内支撑施工、抽水作业及承台施工过程中，对支撑系统进行密切监控，主要监测支撑系统的变形、钢板桩变形、围堰渗漏水情况、围堰位移等。

（8）钢板桩拔除。承台浇筑完毕后，要拔除钢板桩。钢板桩的拔除时间、顺序及方法必须恰当合适，否则会由于拔桩的振动或拔桩带出部分土体，引起地面沉降，给承台结构带来危害。综合以往施工经验及类似工程案例，该项目围堰拔除起点选择在下游角桩位置处，从两侧对称向上游拔除。拔桩时，先用打拔桩机夹住钢板桩顶部，用液压钳配合振动锤先振动几分钟，使钢板桩周围填充物松动，减少填充物对钢板桩的摩阻力，然后再缓慢向上拔起。

5 建议

（1）插打钢板桩时，若垂直度控制不理想，应分两次进行施打，即先将所有钢板桩打入约一半深度后，再进行第二次插打，直至设计深度，以保证能顺利合龙。

（2）当河水流速超过3.5m/s时，应选择在钢围堰侧面或者下游位置施打第一根钢板桩，必要时应在上游位置施打导流钢管桩，以确保首根钢板桩插打顺利。

（3）砂卵石地层插打钢板桩较为困难，应在钢板桩内壁安装高压射水管以备引孔用。

（4）拔除钢板桩时，应先按次序将所有钢板桩均拔起2m左右，使其松动后，再依次逐根拔除。遇到桩间打卷及锁扣变形的桩，宜采用大型设备将相邻桩一起拔出。

6 结束语

截至2020年6月17日，乌玛高速公路A7标镇罗黄河特大桥所有水下施工任务已顺利完成，比预定工期提前了2个多月。该项目针对大流速砂卵石地层钢板桩插打困难问题，采用钢板桩内壁安装高压射水管引孔技术，有效保证了插打速度及精度。用长臂挖掘机代替吸泥机挖除淤泥及砂卵石，确保了围堰清底质量，降低了承台不均匀沉降的风险。通过在镇罗黄河特大桥工程实践，证明在水深4～8m的大流速黄河流域砂卵石地质条件下，使用钢板桩围堰代替钢套箱围堰是可行的，钢板桩围堰方案能大幅度降低施工成本、加快工程进度，社会及经济效益显著，可为今后类似工程提供参考。