杭州湾跨海大桥承台钢板桩围堰的设计与施工

第１８卷增刊　石家庄铁’道学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＩＮＳＴ【　ＩＵ　ｒＥ　Ｖｏ１．１８　Ｓｕｐｐ　２００５年６月　杭州湾跨海大桥承台钢板桩围堰的设计与施工　王斌，程木珍　１１１０００）　（中铁十九局集团有限公司，辽宁辽阳摘要：结合杭州湾跨海大桥南岸滩涂区承台施工，介绍了钢板桩围堰的设计与施工总结了　钢板桩围堰在海工领域内施工应注意的主要问题，对今后同类桥梁施工具有一定的参考意义。　，关键词：杭州湾跨海大桥；承台；钢板桩；围堰　中图分类号：Ｕ４４５．５５６文献标识码：Ａ文章编号：１００６—３２２６（２００５）Ｓ１—００２８—０４　１　工程概况　杭州湾跨海大桥位于长江三角洲南翼的浙江省境内，北起杭州湾的郑家埭村，跨越杭州湾宽阔的海　面与南岸滩涂区后，终于慈溪市庵东镇。桥梁起讫里程Ｋ４９＋０００一Ｋ８５＋０００，全长３６　ｋｍ。我单位所承　建的ＩＸ—Ｂ标段，起止里程Ｋ７５＋１３５一Ｋ８１＋３８５，全长６　２５０　ＩＴＩ，设计为双幅墩，均为钻孔桩基础圆形承　台、花瓶式矩形桥墩。由于杭州湾地质条件复杂，受潮汐、风力等自然条件因素影响较大，海上施工难度　、较大，工期要求紧迫。根据所提供的地质勘察和水文资料，承台围堰施工方案采用钢板桩。　２．承台围堰的施工组织设计　杭州湾自然条件复杂，风大、浪高、潮差大、流速急，给施工带来了很大难度，考虑杭州湾跨海大桥施　工工期的紧迫性、所占钢平台的周转时间以及降低工程造价等因素，根据地质、水文资料，采用钢板桩围　堰施工承台，承台围堰布置如图１所示。　钢板桩围堰施工时，先利用工作平台在墩位钢　护筒上设牛腿，安装定位围囹，然后再打人钢板桩，　安装各层顶撑及竖撑，进行基底开挖到封底混凝土　底标高，灌注封底混凝土，达到规定强度后，抽水，进　行承台施工。　钢板桩围堰施工流程如下：测量施工放样一安　◎◎　栈　桥　装内支撑及围囹一第一根定位桩插打一钢板桩分组　插打一钢板桩合拢插打一止水、挖土、抽水、灌注封　底混凝土一割除上部周转钢护筒、凿桩头一承台、墩　ｌ　口　＞　、／　　走行线　＞　、／　　Ｃ　身施工一拆除围囹、拔除钢板桩。　３钢板桩围堰施工技术　图１滩涂区钢板围堰布置　（１）钢板桩选型。施工组织设计要求，钢板桩采　用震动锤击下沉，人土深度最深可达１０　ＩＴＩ。要想把钢板桩顺利下沉至设计标高，须首先确定桩一锤匹配　的参数，根据现有的－５０震动打桩锤和德国拉森（Ｌａｒｓｓｅｎ）型钢板桩的设备情况，按《桥梁设计手册》通过　计算选用拉森ＩＶ型钢板桩下沉至设计标高是可行的。　（２）定位支撑、围囹制作安装。定位内支撑、围囹的加工制作安装，对钢板桩围堰的垂直插打及整体　收稿日期：２０ｏ５—０３—２５　作者简介：王斌男　１９７９年出生助工　维普资讯 http://www.cqvip.com

增刊　王斌等：杭州湾跨海大桥承台钢板桩围堰的设计与施工　２９　稳定起重要作用，必须准确稳固。围囹等分为４节，加工厂加工制作，运至施工现场拼接安装。围囹直径　制作及现场拼接允许偏差均不大于１０　ｍｍ，施工误差不能累加；两道围囹安装时竖向要求必须同心，平面　必须水平，其中心及水平安装允许偏差不大于１０　ｍｍ。　（３）钢板桩下沉。第一根定位钢板桩插打时，必须将钢板桩位置固定垂直后再进行插打。在插打过　程中，及时认真地检查其垂直度。第一根定位钢板桩插打合格后，在上下两道围囹上焊钢短梁将定位钢　板桩一侧卡牢，再在另一侧插打钢板桩，在施工中要求钢板桩插打垂直，分散偏差，有偏即纠，调整合拢。　钢板桩插打前在锁口内涂黄油、填塞锯末等混合物用来止水；组拼钢板桩时，用油灰和棉花捻缝，以防漏　水。插打时在桩头处加焊钢板，以保护钢板桩头。围堰合拢后，经常观测围堰四周的冲刷状况，采取安装　分水板及堆码砂袋的措施来减少潮水对围堰外测的冲刷，确保围堰施工的安全。　（４）钢板桩合拢后稳固措施。钢板桩插打时用　１８钢筋环向间隔４　ｍ做一个吊钩，用钢丝绳将围囹　与钢板桩顶部吊挂连接，随着钢板桩的打人，调整钢丝绳的长度。钢板桩插打到位后环向间隔２　ｍ用钢筋　或型钢将围囹与钢板桩焊接牢固，以保证钢板桩与钢围囹之间的整体稳定性。　（５）钢板桩围堰内的基坑土方开挖。Ｆ１６９　～Ｆ１８９　、Ｆ１９４　承台底标高为一１．０　ｍ。围堰内基坑土方　开挖深度２．３～３．７　ｍ。基坑开挖时要避开大潮及７级以上大风天气，开挖时避免扰动围堰外土层，要求　先挖中间土方，然后再将围堰内的周边土均匀下挖，周边在下挖过程中高度差不能超过２０　ｃｍ；基坑内挖　出的土方堆放在距围堰５．０　ｍ以外；在水源充足的前提下可优先采用高压水配砂石泵进行开挖。　（６）浇筑封底混凝土。封底采用Ｃ２０混凝土，厚度０．８　ｍ。Ｆ１６９　～Ｆ１８９　、１９４　共２２个桥墩承台的围　堰全部利用在低潮位时，按陆上干封法完成封底混凝土施工。封底混凝土掺人早强剂，提高混凝土早期　强度，以尽早抵抗涨潮时水压力，在封底混凝土浇完后，将混凝土表面用塑料布覆盖，待涨潮时向围堰内　注入反压水，反压水采用淡水。　’　（７）拆除钢板桩定位支撑、拆除钢板桩。在封底混凝土达到设计强度的５０％时拆除围囹定位支撑，然　后割除钢护筒，此时钢板桩仅与围囹连接。墩身混凝土达到设计强度的７５％时拆除钢板桩围堰。拆除钢　板桩利用５０　ｔ履带吊配置专用液压振动桩锤进行拔桩，自合拢口处开始依次进行拔桩。并在拆除钢板桩　前振打钢板桩，使其与封底混凝土分开，再将钢板桩拔出。　４钢板桩围堰检算　（１）静水压力计算。封底前最大开挖状态时，因采用在退潮后再浇注封底混凝土，故静力压力不计。　在最大抽水状态时，因为是透水土，故假定在封底混凝土底面标高处，内外水压相等，故得采用的静水压　力分布图式如图２所示。　（２）流水压力计算。作用在围堰的动水压力为水流动时对围堰产生的流水　压力，根据桥梁规范其计算公式为　Ｐ：ＫＡ　ｙｖ　２（１）　ｇ　塞　ｇ　式中，　为水的容重；　为设计流速；Ａ为阻水面积；ｇ为重力加速度；Ｋ为形状　系数。　言　将各量值代人式（１），计算得流水压力为：Ｐ　：２３．４　ｋＮ。　（３）波浪冲击力。水中围堰的波浪冲击力可按孤立建筑物上的波浪力计算　６３　公式来计算。由资料知Ｈ／Ｌ＝０．０５，ｈ／Ｌ＝６．３／３０：０．２１，为进行波。因为Ｄ／Ｌ　：９．８／（２０×０．６）＝０．８１，属于大尺度墩柱；波浪冲击力可按进行波对大尺度墩　柱的作用力的计算公式进行计算。　水面以下ｚ处单位高度圆柱体上的最大波压力　ｇ　量　图２静水压力分布　维普资讯 http://www.cqvip.com

石　家庄铁道　学　院　学　报　第ｌ８卷　，　。ｓｈ　—＝　（２）　ｅｏ　。—　式中，　为系数，查表得　＝１．２；ｈ为水深，为６．３　ＩＴＩ；Ｌ为波长，取２Ｏ倍的波高，为１２　ｍ；Ｈ为波高，取０．６　ｍ；Ｄ为围堰直径，取１０　ＩＴＩ。　用式（２）可算得波浪冲击力的分布集度。　最大总波压力Ｐ一：　舭２ｔａｎｈ　：８５．６５　ｋＮ。　合力作用点在静水面以下的位置为ｚ＝ｈ一＝＿＿■■Ｊ　ｂ　２・０８　ｍ（查表得　＝２・４）。　１Ｔｔａｎ１１—＿　（４）土压力计算。根据朗金理论，钢板桩外侧的主动土压力和内侧的被动土压力的计算公式　Ｐ。＝（　＋ｑ）ｔａｎ　（４５。一詈）一２ｃｔａｎ（４５。一詈）　（３）　Ｐｐ＝（　＋ｑ）ｔａｎ　（４５。＋詈）＋２ｃｔａｎ（４５。＋詈）　（４）　式中，ｑ为地面均布载，当为透水土时，取０；　为土的容重，应注意水中土的容重变化；ｚ为土的深度；　为　土的内摩擦角，取ｌｌ。；ｃ为土体的内聚力，取１９．６　ｋＮ／ｍ　。　在计算时偏于安全，主动土压力不考虑土的内聚力的影响，即取ｃ＝０，利用式（３）和式（４）可计算出　不同土深的土压力的分布。　（５）封底前最大开挖状态检算。对第一层顶撑处求矩，其中流水压力和波浪冲击力产生的力矩为　＝３８．５　ｋＮ・ｉｎ。　主动土压力产生的力矩为　＝１　６２６．６　ｋＮ・ｍ。　被动土压力产生的弯矩为Ｍｂ＝４　３４２．８　ｋＮ・ｍ。安全系数Ｋ＝２．６１，大于设计安全系数，所以安全。　此时由于不抽水，钢板桩桩身强度不用检算。　（６）封底混凝土达到强度后最大抽水状态检算。抽　水后围堰计算图式如图３所示。此时由于封底混凝土已　达到规定的强度，可认为其能提供一个良好的支撑点，在　保证围堰整体稳定性的前提下，嵌入深度可不用检算。　（７）钢板桩桩身计算。将钢板桩作为在各层顶撑和　地基上的连续梁来计算其弯矩。对于在地基中的支点的　位置在混凝土强度达到规定的要求后，可取封底混凝土　的顶面。把静水压力，流水压力和波浪冲击力分别施加，　土压力仅考虑在桩身计算长度范围内主动土压力，从海　丰　床面开始至封底混凝土顶面，其值从０变化到ｌ６．３　ｋＮ／　ｍ。可得钢板桩上的最大弯矩为４７．５　ｋＮ・ＩＴＩ，最大剪力　为８１．４　ｋＮ。钢板桩是安全的。　５　围堰封底混凝土板强度检算　在最大抽水状态，还必须验算封底混凝土的强度。　图３封底后最大抽水状态计算图式　检算时可取桩护筒间的单位宽度的混凝土梁，偏于安全地简化为简支梁计算，根据桩位的布置，简支梁的　跨度为３．２２　ｒｌｌ，梁高为０．８　ｍ，作用荷载为６０　ｋＮ／ｍ的均布荷载，则跨中最大弯矩为７７．６２　ｋＮ，所以混凝土　中的拉应力为０．７３　ＭＰａ。　若采用有限元程序，把封底混凝土按板单元计算，其应力大小为１．５５　ＭＰａ。只是在约束处小部分地　维普资讯 http://www.cqvip.com

增刊　王斌等：杭州湾跨海大桥承台钢板桩围堰的设计与施工　３ｌ　方存在比较大的应力，若采用Ｃ２０混凝土封底，在强度充分发展的情况下其抗拉容许应力为２．５　ＭＰａ，但　要考虑封底混凝土的抗拉容许应力会降低很多，在保证封底混凝土质量的前提下，认为封底混凝土是安　全的。　６钢板桩围堰施工注意事项　（１）施工过程中水位的变化对围堰结构受力影响十分巨大，因此施工过程中应密切注意水位和潮水　位的变化，当超过规定的数值时，应及时向围堰内补水，保持水头高差不超过设计值。　（２）插打钢板桩时必须备有可靠的导向设备，以保证钢板桩的垂直沉入。一般先将全部钢板桩逐根　或逐组插打到稳定深度，然后依次打入至设计深度。插打的顺序按施工组织设计进行，一般自上游分两　头插向下游合拢。插打前在锁口内涂以黄油、锯末等混合物，组拼桩时，用袖灰和棉花捻缝，以防漏水　（３）在施工过程中，密切观察冲涮深度，及时在围堰外侧堆码砂袋，防止冲涮；另外在潮水流动方向设　分水板减少水流冲击力，确保在施工过程中钢板桩围堰的稳定和安全。　（４）钢板桩项达到设计标高时的平面位置偏差，在水上打桩时不得大于２０　ｃｍ，在陆地打桩时不得大　于１０　ｃｍ。在插打过程中，应随时检查其平面位置是否正确，桩身是否垂直，发现倾斜应立即纠正或拨起　重插。　（５）为便于拔除钢板桩，在钢板桩与封底混凝土接触面处涂刷沥青漆隔离层；沥青漆隔离层在钢板桩　插打前或封底混凝土浇筑前涂刷，涂刷范围封底混凝土范围之间。　（６）钢板桩拔除前向围堰内灌水，使堰内水位高于围堰外水位１．０～１．５　ｍ。拔桩时从下游开始拔除　钢板桩，拔钢板桩时先开振动锤，振动至钢板桩松动后再拔出钢板桩。　７结束语　钢板桩围堰在杭州湾跨海大桥滩涂区成功的应用到施工中，实践证明应用效果良好，加快了施工进　度，节约了成本。由于杭州湾复杂的地质和气候环境，解决沙土液化和围堰封底、深水区钢板桩围堰方案　等问题，将在后续工作中解决。　参　考　文　献　［１］铁道部大桥工程局编．桥梁设计手册（第二版）［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９６３　［２］陈伟，李明，张志国，等．桥梁施工临时结构设计［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００２　［３］ＧＢＪ１７一ｌ８，钢结构设计规范［Ｓ］．　Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｅｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｈｅｅｔ　Ｐｉｌｅ　Ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　ｆｏｒ　Ｒｉｄｅｒ　Ｃａｐ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｂａｙ　Ｃｒｏｓｓ・ｓｅａ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｗａｎｇ　Ｂｉｎ，　Ｃｈｅｎ　Ｍｕｚｈｅｎ　（Ｔｈｅ　１９ｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ，Ｌｉａｏｙａｎｇ　１１１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｉｄｅｒ　ｃａｐ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｅａ　ｂｅａｃｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｕｔｈｅｒｎ　ｂａｎｋ　ｏｆ　Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｂａｙ　Ｃｒｏｓｓ—　ｓｅａ　Ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｈｅｅｔ　ｐｉｌｅ　ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｍａｊｏｒ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｆ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｕｓｅｆｕｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｉｎ　ｓｉｍｉｌａｒ　ａｒｅａｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｂａｙ　Ｃｒｏｓｓ—ｓｅａ　Ｂｒｉｄｇｅ；ｒｉｄｅｒ　ｃａｐ；ｓｔｅｅｌ　ｓｈｅｅｔ　ｐｉｌｅ；ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　（责任编辑刘宪福）