冯明锋

（中铁十九局集团有限公司 北京 100176）

1 引言

随着我国高速铁路网建设蓬勃发展，跨江跨海桥梁建设日益增多，而基础施工作为建设中的关键控制环节，直接关系着工程建设的进展。钢板桩围堰作为基础施工的一种方法，具有防水性能好、截面抗弯性能强、适用各类土层等优点，现场施工可以根据基础形式组成各种形状的围堰，同时材料可周转，成本相对较低，被广泛地用于水域施工中［1－3］。但在海域潮汐环境中使用钢板桩围堰时，由于施工工况复杂、风险高、不可控因素多，作为一道关键施工工序，其成功与否直接关系着承台施工质量，决定了承台施工周期［4－5］。本文以某高速铁路跨海大桥为依托，参考同类型围堰施工经验［6－8］，对围堰进行设计并优化施工工艺，确保了工程质量，为以后类似桥梁的施工建设提供宝贵经验。

2 工程概况及水文地质条件

2.1 工程简介

某跨海大桥桥梁起止里程为DK93＋615.93～DK108＋317.84，全长共14.7 km，共计 342个墩（台），水域部分长度约10 km。其中75＃～332＃墩位于浅滩区，浅滩区承台基坑深度均大于5 m，施工中受海水潮汐影响较大。

2.2 工程地质、水文及气象条件

（1）工程地质条件

本桥地处区域主要为海积平原及丘前坡地，桥位处多为鱼塘、滩涂养殖区。桥址区上覆土层主要为第四系人工填土（）素填土、杂填土；第四系冲海积（）淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、含砾粉质黏土、砂等；第四系冲洪积（）淤泥质粉质黏土。下伏基岩主要为燕山早期侵入二长花岗岩、闪长岩。

（2）水文气象条件

海湾深入内陆约18 km，桥址范围内海床面高程介于－3.6～－0.5 m之间，最高潮位为＋6.0 m，最低潮位为－0.5 m。桥位处为规划3 000 t级航道，暂不通航。本海区波浪以风浪为主，常浪向为NE向，频率26%，实测最大波高2.0 m。

桥址区内地表水发育，地表水体主要为海水。涨潮流来自辽阔的南海方向，潮流以海水为主；退潮流来自陆域方向，沿岸主要为河流向海中排泄，海水被冲淡。水质由于潮汐作用的影响，近大里程海岸变化较大，近小里程海岸变化相对较小［9］。

3 海上围堰施工特点

由于受潮汐作用影响，施工情况较为复杂，涨潮时海水往岸边方向流，退潮时海水向远离岸边方向流，每天两次，潮水较为平稳，施工受涨、退潮水位落差影响大。

海上承台处于深水潮汐海域，整个承台处于淤泥层，其特殊的地质条件对钢板桩围堰施工提出了较高要求。

（1）施工组织困难：海上承台施工便道为8 m宽的主栈桥，桩基、栈桥、承台施工作业面多，存在施工交叉，交通压力骤增，导致施工协调及组织难度增加。

（2）地质条件复杂：在浅滩区存在较厚的淤泥土层，同时海床面分布不均匀，受海床冲刷影响形成裸岩地层，造成围堰设计和施工难度增大。

（3）钢板桩插打定位难度大：由于每天两次涨落潮，潮流和波浪力变化对钢板桩的定位、插打垂直度提出更高要求。

（4）安装内支撑工效低：普通的拉森Ⅳ型钢板桩围堰，需设置多道内支撑，部分支撑位于水面以下，由于受潮水涨落影响，内支撑安装则需要在退潮时进行，增加了施工的难度，工效相对较低。

（5）承台封底难度大：封底采用抽水后干封，对钢板桩缝隙堵漏要求更高。封底厚度较薄，整个承台处于淤泥地层，地基承载力小，如何在封底厚度小、地质条件恶劣的情况下控制好质量、垫层平整度以及标高，对围堰封底质量要求高。

4 围堰方案设计及计算

4.1 钢板桩围堰结构布置

跨海大桥75＃～332＃位于海域施工，围堰设计类型共8种。选取承台尺寸为7.5×11.2×3 m进行分析，承台底面标高－2.511 m，距最高潮水深＋8.511 m。选型长度15 m的拉森Ⅳ型钢板桩，开挖后锚固深度为5.49 m。为便于承台施工时立模和加固作业，围堰尺寸设计为9.6×13.6 m，第一道圈梁采用双榀 40a型钢，第二道圈梁采用双榀 56a型钢，第一、二道内支撑均采用φ630×8 mm螺旋钢管。围堰立面布置和平面布置见图1和图2。

图1 围堰立面布置（单位：cm）

图2 围堰平面布置（单位：cm）

4.2 钢板桩围堰结构设计

围堰按照15 m钢板桩进行验算，采用理正深基坑支护设计软件。主要荷载有水土压力、水流力、静水压力、波浪力。围堰安全等级为一级，荷载组合采用的分项系数取值：恒载取1.2，活载取1.4。按照施工顺序分为6个计算工况，具体见表1。

表1 围堰受力工况

围堰采用干挖清基及抽水到基底，此时第二层圈梁及内支撑均已施工，封底前最大水头高度为9.011 m，此工况钢板桩受力最为不利［10－11］，钢板桩最大弯矩为325 kN·m，见图3。单位米钢板桩截面抗弯弹模为2.27×106mm3，最大弯曲应力：

图3 钢板桩受力及位移

σmax＝325×106／2.27×106＝143 MPa＜［σ］＝210 MPa符合要求。

开挖至基底，封底前钢管内支撑受力最大，此工况下φ630×8 mm钢管撑最大弯矩和最大轴力分别为543.6 kN·m和1 706 kN，见图4和图5。钢管截面模量和截面面积分别为4.8×106mm3和1.56×106mm2，此时圈梁最大弯曲应力和最大轴应力分别为：

图4 支撑弯矩

图5 支撑轴力

结构满足受力要求。

在开挖到基坑底部时第二道圈梁受力最大，该工况下圈梁最大弯矩［12－13］My＝409 kN·m，最大剪力Qy＝270 kN，最大轴力 Fx＝621 kN，最大扭力Mz＝80 kN·m，见图6～图9。

图6 圈梁弯矩

图7 圈梁剪力

图8 圈梁轴力

图9 圈梁扭矩

将弯矩、剪力、轴力及扭矩代入公式，应力计算结果见表2，结构满足设计要求。

表2 圈梁应力计算

5 钢板桩围堰施工工艺

（1）施打前准备

钢板桩采用履带吊配合DZ90振动锤插打方式施工，插打前对进场钢板桩进行验收，验收合格后方可运至施工现场启动下道插打工序。

（2）钢板桩定位和插打精度控制

钢板桩在插打过程中受潮汐水流影响易发生位置偏移，涨落潮期间需设置临时限位装置。先安装第一道内支撑圈梁作为钢板桩插打时的导向架，并辅助限位工装，以控制钢板桩的平面尺寸和垂直度，见图10和图11。钢板桩垂直度严格控制在0.5%之内［14］。

图10 第一道圈梁安装

图11 钢板桩插打限位装置

围堰合龙成功与否直接关系着围堰的施工质量及进度。首先选择靠近任一角桩的位置作为起步控制桩，利用测量仪器监测其插打垂直度，确保合龙精度。

（3）安装圈梁和内支撑

钢板桩合龙形成围堰后，在低潮水位时割除桩基钢护筒，依次安装第一层内支撑、第二层圈梁以及第二层内支撑，见图12和图13，以确保围堰开挖的整体稳定。

图12 低潮水位内支撑安装

图13 高潮水位内支撑安装

（4）清基技术

封底混凝土面以上土层为淤泥土，由于黏度较大，先采用潜水泵抽水，抽水完成后，利用长臂挖机直接进行淤泥开挖，并测量开挖深度以控制基底标高，同时遵循分层分区的原则［15］，严禁局部超挖。潜水泵抽水现场见图14，长臂挖机开挖见图15。

图14 潜水泵抽水

图15 长臂挖机开挖

（5）堵漏技术

由于满潮水位时钢板桩围堰内外水头高度差为9.011 m，围堰在海水潮汐作用下导致钢板桩所受的内外压力反复变化，致使锁口缝隙变大，漏水严重。在施工过程中经过反复试验研究，锁口堵漏采用了以下几种方法：①退潮后在钢板桩围堰外侧喷涂泡沫胶，达到外侧封堵效果。泡沫胶封堵见图16。②在围堰内派专人使用棉絮掺植筋胶对漏水处进行堵塞，从内侧保证封堵效果。植筋胶封堵见图17。③用细砂顺锁口倒灌，敲打钢板桩，细砂滑落，填满锁口。灌砂封堵见图18。通过实践证明以上三种措施止水效果明显。

图16 泡沫胶封堵

图17 植筋胶封堵

图18 灌砂封堵

（6）封底技术

清基完成后尽量缩短围堰暴露时间，以免对基底土体造成扰动。封底选择在低潮水位时抽水后干封，厚度为50 cm。为控制超挖，在挖机大臂上做标记并派专人监控开挖深度。开挖平整之后，底部铺一层竹胶板连成一个整体以防止翻浆。封底时使用泵车先大面积薄铺一层，使竹胶板均匀受力，防止局部受力竹胶板发生倾斜导致淤泥翻涌致使局部夹泥影响封底效果。

6 结束语

某工程跨海大桥位于海域浅滩区，施工环境较为复杂。经过工程结构设计检算和专家论证，承台施工选择采取拉森Ⅳ型钢板桩围堰的结构形式，从理论上保证结构的安全。施工中经过实践探索，钢板桩插打采用先安装内圈梁和加工专门的限位工装确保了插打精度；围堰堵漏采用三种组合方法，确保在海域潮汐变化影响下围堰不渗水；围堰封底采用低潮水位抽水干封，同时在基底铺设一层竹胶板，防止封底时翻浆，有效地保证了封底厚度及质量。