刘园园/LIU Yuan-yuan

(中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400)

1 工程概况

蒙华铁路MHTJ-26 标项目跨华洪运河特大桥51～54#墩为40m×56m×40m 连续梁形式跨越华洪运河。52#、53#桩基作业面位于河道内，施工采用钢板桩围堰作业，设计钢板桩顶标高84·775m，混凝土封底厚度为1·5m，钢板桩顶至封底砼底深度9·099m。华洪运河连续梁承台尺寸14·3m×9·2m×3·5m，承台垫块尺寸7·8m×4·6m×1·5m，墩身高度13m。

根据地勘资料显示，52#墩地质资料及土层参数如表1 所示。

表1 52#墩土层参数表

2 方案选定

2.1 材料选型

1)钢板桩 钢板桩采用拉森Ⅳ型锁口钢板桩，桩长15m，围堰尺寸21·3m×12·2 m，比承台外边缘大1·5m，钢板桩咬合紧密，有止水作用。材质采用Q345bz，容许弯曲应力[σ]=310MPa。

2)围囹及斜撑 根据以往的工程案例及经验，现在有两种围囹方案供参考如下。方案一：内侧围囹及斜向支撑采用三拼I56a 工字钢，纵向支撑采用双拼630×8mm 钢管，斜向支撑采用630×8mm 钢管[1]，上中层两道采用三拼工字钢，中间两道纵向支承，按一定间距布置。方案二：内侧围囹及斜向支撑采用双拼500×200H型钢[2]，纵向支撑采用双拼630×8mm 钢管，斜向支撑采用630×8mm 钢管，中间两道纵向支承，按一定间距布置。

2.2 钢材用量分析

钢材用量如表2 所示。

表2 钢材用量

从表2 可知，满足技术、安全要求的情况下，采用方案二比方案一每个围囹节省钢材36·74t。

3 数值模拟分析及验算

3.1 数值模拟计算方法

钢板桩围堰入土部分受土压力嵌固作用，围堰上端采用内支撑支撑[3]（弹性材料，属于弹性支撑)。计算时将内支撑假定为钢板桩的刚性支撑，计算出钢板桩作用于圈梁的反力，进一步推算出钢板桩与内撑连接处的最大位移[4]。通过对钢板桩施加强制支座位移，得出钢板桩的内力和应力[5]。

计算土压力强度时，采用水土合算原则。

钢板桩围堰受土体摩擦作用，将板桩墙前后墙的被动土压力分别乘以修正系数[6]。为安全起见，对主动土压力则不予折减，钢板桩被动土压力修正系数如表3 所示。

表3 主、被动土压力系数及被动土修正系数

为了方便计算，做出如下假设：①假设计算时取1m 宽单位宽度钢板桩[7]；②不考虑土的粘聚力(c=0)；③弯矩为零的位置约束设置为铰接；④假设钢板桩在封底砼面处固结，在MIDAS 中限制全部约束；⑤本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力[8]。

3.2 工况分析及钢板桩受力计算

1)工况1 第一道内支撑安装后（高程为83·775m)，围堰内吸泥，抽水至标高80·275m，开挖深度3·5m。在第一道内支撑安装后，抽水至+80·275m 时，第一层内支撑受力处于最不利状态。

2)工况2 第二道内支撑安装后（高程为80·775m)，围堰内注水至与围堰外水面等高，吸泥或长臂挖机开挖至标高75·176m，开挖深度8·599m。在第二道内支撑安装后，注水至+83·69m 时，开挖至+75·176m，第二层内支撑受力处于最不利状态。

3)工况3 水下封底混凝土浇筑完成（高程为76·676m)，抽水清淤。水下封底混凝土浇筑之后，抽水后，第二道内支撑处于最不利荷载。

4)工况4 施工墩台垫块及墩台，拆除部分第二道内支撑钢管（高程为80·775m)。浇筑墩台垫块及墩台需拆除第一、二道部分内支撑以提供施工空间，并于封底混凝土上倒入填土，第二道内支撑处于最不利荷载。

根据上述工况计算，钢板桩内力及内支撑支撑反力计算结果汇总如表4 所示。

表4 钢板桩内力及内支撑支撑反力

3.3 围囹及内撑受力计算

由表4 可知，第一道内支撑最大支撑反力为38·2kN，第二道内支撑最大支撑反力为194·9kN，拆除部分杆件后第二道内支撑反力为131·7kN。分别按工况3 的第二道内支撑和工况4的第二道内支撑进行验算。

3.3.1 方案一围囹及内撑计算

利用Midas Civil建立有限元模型进行分析，对于方案一工况3 和工况4 条件下模型计算如图1、图2 所示。

图1 方案一工况3第二道内支撑空间有限元模型

图2 方案一工况4第二道内支撑空间有限元模型

由计算可知，工况3 中围囹最大应力为97MPa，内支撑最大应力为101MPa；工况4 中围囹最大应力为118MPa，内支撑最大应力为133 MPa，均小于Q235钢材的容许弯曲应力210MPa。

3.3.2 方案二围囹及内撑计算

对于方案二工况3 和工况4 条件下模型计算如图3、图4 所示。

图3 方案二工况3 第二道内支撑空间有限元模型

图4 方案二工况4 第二道内支撑空间有限元模型

由计算可知，工况3 中围囹最大应力为146MPa，内支撑最大应力为88MPa；工况4 中最大应力为198MPa，均小于Q235 的容许弯曲应力210 MPa，满足规范要求。

3.4 钢板桩围堰整体抗浮验算

封底砼采用C30，施工厚度为1·5m，围堰尺寸为21·3m×12·2m；水下C30 混凝土设计值ftd=1·39MPa，考虑为施工阶段混凝土的允许弯拉应力取1·5 倍安全系数，则[σ]=0·93MPa，桩基钢护筒外径为1·7m，共10 根；钢与混凝土粘结力：一般取100～200kN/m2，这里取120kN/m2；混凝土容重：23kN/m3；封底混凝土体积V=355·76m3；封底混凝土自重G=8182·49kN；护筒粘结力T1=8478kN；钢板桩与封底混凝土的粘结力T2=12060kN；封底混凝土底面受水浮力P=22242·14kN。

根据《铁路设计规范》中规定抗浮安全系数≥1·05，此处抗浮系数

所以，围堰整体抗浮满足要求。

3.5 钢板桩围堰整体稳定性验算

作用于钢围堰上的流水压力可按下式计算（公路桥涵设计通用规范)。

式中P——流水压力，kN；

K——围堰形状系数，方形取1·47，矩形（长边与水流平行)取1·33，圆形取0·73，尖端形取0·67，圆端形取0·60；

A——钢围堰阻水面积，m2，通常计算至一般冲刷线处；

γ——水的容重，一般取10kN/m；

g——标准自由落体加速度，m/s2；

v——计算时采用的流速，m/s。

钢围堰抗水流冲击检算主要是其抗倾覆性和抗滑移的检算。取K=1·33，g=9·81m/s2，v=2m/s，A=269·81m2，计算得P=728·87kN。

3.5.1 抗滑移检算

钢管钢板桩围堰自重D1、钢管桩内的水D2(按10 根钢管桩考虑)和封底混凝土重量D3及总重D计算得

抗滑移系数为K=10493·1/728·87=14·4＞[K]=1·3，所以满足抗滑移要求。

3.5.2 抗倾覆检算

抗倾覆以钢围堰自重与流水压力对前支点产生的弯矩比值来确定，即

综上，钢板桩围堰满足抗倾覆性和稳定性要求。

4 结语

通过计算分析可以得出如下结论：采用15m拉森IV 钢板桩在各个工况下满足要求，采用三拼I56a 工字钢或者双拼500×200H 型钢，围囹均满足承载力要求，但采用双拼500×200H 型钢比三拼I56a 工字钢，每个承台节省钢材36·74t，选用H 型钢更安全、经济。