水下浅埋钢板桩围堰施工期的安全风险和应对工艺措施分析.doc

水下浅埋钢板桩围堰施工期的安全风险和应对工艺措施分析陈鸣 陈衡 陆广明 （中交四航局第一工程有限公司, 广东 广州 510500）摘 要：水下钢板桩围堰施工中钢板桩入土深度是围堰整体安全稳定性的关键之一，当钢板桩入土深度无法达到基本要求时，如何分析风险，采取什么应对工艺措施以转危为安，是本文探讨的要点关键词： 钢板桩围堰；钢板桩入土深度；管涌；高压旋喷注浆1 前言 钢板桩围堰是修建桥梁深水基础的传统工艺之一，其具有灵活机动、适应性强、可重复利用、效率高、成本低、工艺成熟的特点但在安全可靠性方面与目前更为流行的双壁钢围堰比，确有其不足和局限其中钢板桩能否达到相应的入土嵌固深度，是围堰整体安全稳定性的关键之一我公司承建的蚌埠市大庆路淮河公路桥在主墩承台钢板桩围堰施工中，遇到了岩层埋藏浅、岩面标高起伏变化大（原地质资料未能真实反映），最浅处距承台底开挖面不足半米，复杂地质情况使钢板桩围堰施工陷入了十分被动的局面由于钢板桩入土太浅，引发了一系列的安全隐患和施工难题，在克服这些困难最终赢得成功的过程中，使我们对钢板桩围堰的结构特点和应对施工风险的技术措施有了进一步的认识和掌握，分析和总结其中的缘由和机理，对我们今后的施工将会更具借鉴和指导的意义。

2 工程简介蚌埠市大庆路公路桥位于蚌埠市西部、淮河枢纽工程下游我公司承建的主桥及北引桥，里程桩号K0+390.5～K1+276.5，全长886m其中主桥跨径组合为（80m+200m+80m）的自锚式悬索桥桥梁立面图见图2-1图2-1 蚌埠市大庆路淮河公路桥立面图主桥过渡墩为15#墩与18#墩，主墩为16#、17#墩均为分离式承台其平面布置见图2-2承台设计参数见表2-1图2-2 主桥承台平面布置示意图表2-1 主桥承台设计参数表墩号平面尺寸(m)顶面高程(m)底面高程(m)高度(m)河床面标高(m)承台入土深度(m)施工方式15#10.2×9.2+10.127+6.1274.0+11.349.87筑岛钢板桩围堰16#16.2×11.2+7.069+2.0695.0+8.146.07水中钢板桩围堰17#16.2×11.2+7.069+2.0695.0+7.395.32水中钢板桩围堰18#10.2×9.2+7.151+3.1514.0+8.8412.85水中钢板桩围堰3 围堰设计与施工情况根据现场施工条件和进度要求，该桥采用先搭设水上钻桩平台完成桩基础施工后，再进行钢板桩围堰施工。

围堰的平面尺寸按承台平面几何尺寸向外扩大1.5m，其中过渡墩15#、18#墩围堰的平面尺寸为：13.2m×12.2m，16#、17#主墩围堰的平面尺寸为：19.2m×15.2m围堰钢板桩的入土深度根据地质条件的实际情况先后进行了多次调整位围堰采用拉森Ⅳ式钢板桩，其中16#、17＃围堰的内支撑材料见表3-1表3-1 16#、17＃围檩及支撑材料表层号中心标高围檩横撑角撑第1层+14.0m2I56aφ630×8φ630×8第2层+11.0m2I56aφ630×8φ630×8第3层+8.0m3I56aφ820×12φ820×12第4层+5.0m3I56aφ820×12φ820×1215#、18#墩处覆盖层主要由粉土粘土、、粉土、细砂、中砂、砾砂构成，覆盖层较厚，比较适合钢板桩围堰施工但由于粉质粘土粘性很大，振动锤高频振动也无法液化，造成沉桩阻力很大，沉桩效率很低后通过引孔、泡水和加大振动锤功率等工艺措施，钢板桩基本上都能沉放达到设计标高16#、17#主墩位于淮河航道中，覆盖层主要由粉土、粘土、细砂、砾砂构成，覆盖层厚度5.5～11m，变化甚大下伏基岩由上至下依次为全风化角闪岩、强风化混合花岗岩、中风化角闪岩、中风化混合花岗岩，原地质钻探结果详见图3-1。

图3-1 16#、17#墩钻孔地质柱状图由于岩面变化起伏变化很大，试桩时钢板桩根部远未能达到设计标高-2.86（即要求钢板桩入土嵌固深度为4.33米，原钢板桩围堰设计详见图3-2），重新进行地质钻探发现，围堰最浅的岩面高达+1.5m只能根据新的地质条件修改围堰设计方案（修改后的钢板桩围堰设计详见图3-3）根据新的设计方案，钢板桩至少要沉到+0.3的标高（即钢板桩入土嵌固深度为1.7米），并进行高压旋喷注浆固结钢板桩入土嵌固的砂层和岩面以下2m图3-2 16#、17#原设计钢板桩围堰剖面图图3-3 16#、17#修改后的钢板桩围堰剖面图但钢板桩实际施打过程仍有多处无法达到新的设计要求一些浅点的钢板桩只能到达+1～+1.52m标高，围堰部分入土情况示意图详见图3-4、3-5围堰如按原设计标高+2m开挖，钢板桩最小入土嵌固深度则不足0.5m，而现有的注浆设备也无法进入到风化岩层注浆这样浅的钢板桩入土深度和注浆效果，围堰是否还能干开挖施工？没有先例可以借鉴，常规的技术理论分析结果是否定的这些实际情况使钢板桩围堰施工陷入了两难的困境图3-4 16号墩左幅围堰北侧钢板桩入土深度示意图图3-5 16号墩左幅围堰西侧钢板桩入土深度示意图4 围堰的结构模型受力分析和风险判断钢板桩入土深度不足，也达不到进行水下混凝土封底的最小高度，如进行注浆后干开挖面临的主要风险有两个方面：⑴ 围堰“踢脚”的风险：钢板桩入土嵌固深度不足，钢板桩围堰根部的土体抗力不够，不足于抵挡围堰外围的水、土压力，导致钢板桩根部出现较大的位移，即常规所说的“踢脚”。

⑵ “管涌”的风险：钢板桩围堰开挖面以下的高压旋喷注浆未能使钢板桩根部砾沙层与岩面形成密闭的整体，外围水压与注浆砾沙层连通，水压首先在薄弱点突破，引发“管涌”以上两种情况都可能引发钢板桩围堰整体失稳坍塌，造成严重的后果为了更好的掌握围堰的整体受力状况和危及结构安全的危险点，避免施工的盲目性，做到心中有数、风险可控，须对围堰施工面临的实际问题和危险程度有一个基本的分析4.1 钢板桩围堰整体模型的建立钢板桩围堰的结构分析采用midas-Civil有限元分析软件建立整体模型，围堰的钢板桩采用板单元模拟，围堰内支撑的围檩、水平支撑和斜支撑采用梁单元模拟钢板桩根部落在岩面以上，最浅的入土嵌固深度只有0.5m，其内侧是由高压旋喷注浆固结的沙层作为支承，在这里的约束采用弹簧支承模拟高压旋喷固结的砂层强度估计可达10MPa,与C20混凝土相当，其弹性模量没有成熟的经验数据可查，在这套用C20混凝土的弹性模量围堰模型解剖图见图4-1图4-1 钢板桩围堰模型剖析图4.2 枯水期施工钢板桩围堰结构的受力状况分析由于围堰抽水、开挖施工控制在于枯水期进行，施工水位不会超过+13m围堰外围荷载主要有：水压力、土压力、流水压力、波浪力和风压力。

后3种荷载根据施工现场的实际情况，荷载值很小，影响甚微，在此分析中可忽略不计从分析结果可知，第一层内支撑内力甚小，从第二到第四道内支撑的构件内力逐渐加大，当组合应力值仍较低，内支撑材料的强度富余量较大，即便上游水闸临时泄水，水位上升到+15m，钢板桩和内支撑的内力仍有较大的安全储备，所以各层内支撑材料的型号可根据现有材料条件适当优化另为了争取时间可否省略或缓装第一层内支撑，如不安装第一层内支撑，在外围水位为+13m时围堰内抽水至+10m，从模型分析结果可知：围堰将内缩35mm，如省略第一道内撑，直接安装第二道内支撑是不能保证钢板桩围堰的基本结构尺寸的 4.3 围堰钢板桩入土嵌固状况可靠性分析模型分析结果显示钢板桩根部入土嵌固按0.5m计时，弹性支点的法向压力最大只有23吨，折算为0.5m厚的注浆固结沙层的压强只有0.58MPa，远小于其抗压强度（至少5～10 MPa）所以可以认为，围堰发生整体“踢脚”失稳的风险基本是不存在的但局部“踢脚”的情况还是发生了16号墩围堰下游西南侧在抽沙接近+3m标高时发生了两根钢板桩的锁扣从钢板桩的根部撕裂的情况，裂口由下往上延至第4道围檩的下缘通过调查研究得出的分析结果认为：主要的原因是高压旋喷注浆施工中，注浆孔的定位偏差和漏注点的存在，以及抽沙泵局部超挖掏空钢板桩根所致。

这种现象可以从模型分析中进一步求证：把钢板桩围堰一侧根部个别节点弹性支座下移并换成砂层的抗压刚度，加载运算后围堰在该处的水平位移发生了突变，位移量达60mm（见图4-4）,这无疑是造成钢板桩锁扣撕裂的主要原因对此类问题的处理，如企图让钢板桩裂口回位合拢是不现实的当时采取的处理办法是将钢板桩锁扣的裂缝进行钢板焊连，避免裂口再有新的扩展，同时在钢板桩锁扣撕裂处的外围小范围打一排钢板桩将其包围，并通过高压旋喷注浆固结钢板桩裂口外围的砂层，以切断流水通道达到封堵裂口的目的围堰抽水后显示这种处理效果十分理想，裂口没有扩展，渗水也不多，这也为后期其他漏水问题的处理提供了可借鉴的办法图4-4 钢板桩围堰局部 “踢脚”变形图4.4 钢板桩围堰内干开挖面发生“管涌”的风险和危害程度分析钢板桩围堰基底的稳定性取决于临界水力坡降icy临界水力坡降与土粒相对密度Gs及土体的空隙比e有关对于Gs=2.65，e=0.65的粉层沙：临界水力坡降icy= （Gs-1）/(1+e)=115号墩围堰钢板桩入土深度达到设计要求，且为水中筑岛钢板桩围堰后再干开挖，其粘土层很厚，水力坡降i远小于允许水力坡降[i ] = icy /1.5=0.67，抗隆起稳定性验算安全系数远大于2，所以15号墩围堰的干开挖是安全的。

18号墩钢板桩施工钢板桩根部基本都能到达设计标高-1.26m，开挖底标高为+2.55m，开挖面以下为细砂，其水力坡降i计算如下：围堰内开挖到+2.55m时，最短渗径长度L为：L=8.84-(-1.26)+2.55-(-1.26)=13.91m （1）围堰内外水头差为：H=13-2.55=10.45m (2)水力坡降i =H/L =0.75＜icy=1水力坡降i小于临界水力坡降值，但大于允许水力坡降[i ] = icy /1.5=0.67这种情况干开挖的“管涌”风险不大但开挖接近标高期间须严密监视围堰和开挖面的变化情况为了稳妥起见，实际施工时采用了分台阶分段开挖到标高，分块浇筑垫层混凝土的措施，以策安全16、17号墩围堰均存在浅点（局部岩面标高+1.5m）的问题，钢板桩最小入土埋深只有0.5m左右，按此标高计算的水力坡降结果如下：围堰内开挖到+2.0m时，渗径长度L为：L=8.14-1.5+2.0-1.5=7.14m (3)围堰内外水头差为：H=13-2.0=11.0m (4)水力坡降I =H/L =1.54＞icy=1实际水力坡降大于临界坡降，如采取干开挖 ，必然发生“管涌”。

稳妥的施工方案应是采取水下开挖后进行水下混凝土封底但由于标高所限，可能的封底混凝土厚度不够，远未能满足围堰抗浮和水下混凝土抗弯强度的要求，所以只能另辟解决的途径从临界水力坡降icy的计算公式可以看到提高临界水力坡降的途径是可通过提高土粒相对密度Gs和降低土体的空隙比e来实现的管涌的几何条件是：土中粗颗粒所形成的空隙直径必须大于细颗粒的直径，才能让细颗粒在其中移动管涌的水力条件是：水的渗透力能够带动细颗粒在土体空隙间移动显然对围堰。