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摘要：筑岛围堰后进行钢板桩施工，具有可重复利用、防水性好、施工方便快捷的特点。本文结合沈阳四环路西苏堡浑河大桥承台基坑钢板桩支护施工实践，介绍了钢板桩支护设计验算的方法，并对具体施工工艺进行了阐述，可供同类工程施工参考。
关键词：筑岛；钢板桩；设计；施工
中图分类号： S611 文献标识码： A
1 概述
1.1 工程概况
沈阳四环路西苏堡浑河大桥全长1626m，其中跨越浑河70+110+1101+70m主桥上部结构为预应力钢筋混凝土变截面连续梁。下部结构主墩采用大体积空心墩，下设承台群桩基础。主桥4#～6#主墩承台结构尺寸为14×14×5m。
本桥施工期常水位为23m，水流较缓，桥位距离河岸较近，深水施工墩位较少，因此主桥4#～6#墩均设置了砂袋筑岛围堰，筑岛材料采用粘土，围堰顶高程为24m。承台基坑开挖底高程为10.5m，开挖深度13.5m，采用钢板桩作为基坑开挖支护结构，水下混凝土封底。本基坑为临时结构，设计时安全等级为二级。
1.2 水文地质
桥位处河槽宽度约360m，水流较缓，100年一遇洪水设计流量为4939m³/s，100年一遇洪水水位为30.36m。桥位处最大冲刷深度7.85米，冲止高程为8.15米。
根据设计提供的地质报告，河槽施工断面内地质情况类似，具体情况如表1 。
表1 地质力学指标参数表
2 钢板桩支护设计计算
2.1 钢板桩支护结构布置
西苏堡浑河大桥4#～6#墩承台深基坑支护钢板桩采用国产拉森SP-IV型。钢板桩桩长采用20m，桩顶高程为24.0m，桩底高程为4.0m。钢板桩围堰设三层型钢围檩和一层封底混凝土，钢支撑分别设置于距顶部距桩顶1m、5m、8.5m位置，封底混凝土在围堰承台底面以下。围檩内部设置型钢支撑，支撑中部设立柱连接。承台混凝土分两次施工，承台混凝土浇筑前支护结构形式如图1所示。
图1 钢板桩立面图和平面图
浇筑承台第一次混凝土后，拆除承台模板，对承台外侧与钢板桩之间的位置进行中砂回填，然后拆除第三道钢支撑，进行承台上部立模和混凝土浇筑施工。
2.2 基坑钢板桩支护计算
基坑钢板桩支护系统设置了3道钢支撑，基坑底部封底混凝土也是一道支撑。利用深基坑分析计算软件分步骤对基坑钢板桩的受力、位移情况进行模拟并加以分析计算。
2.2.1 计算图示
基坑在开挖时，采用边开挖边支撑的方式对钢板桩进行支撑，钢支撑最终布置及受力情况见图2。
图2 钢支撑最终布置及受力示意图
2.2.2 主要受力状况分析
1）工况一：第一道围檩及支撑安装完毕，基坑内降水开挖5.5 m，第二道围檩未安装；
2）工况二：第二道围檩及支撑安装完毕，基坑内降水开挖9 m，第三道围檩未安装；
3）工况三：第三道围檩及支撑安装完毕，基坑内降水开挖13 m，未浇筑封底混凝土；
采用软件对钢板桩受力情况进行计算，计算钢板桩在各主要受力工况下的位移、弯矩和剪力，并得出钢板桩位移内力包络图如图3所示。同时，通过计算对比可知，工况三为最不利工况，但满足钢板桩容许应力要求。因此，需要对工况三围檩及钢支撑结构进行设计，为便于材料统一和倒用，三层围檩及钢支撑采用相同形式。
图3 钢板桩位移内力包络图
2.2.3 钢板桩及支护结构设计验算
钢板桩和支护结构受力随着开挖和加撑的过程不断变化。根据钢板桩位移和受力包络图对钢板桩和支护结构进行设计。
钢板桩：计算钢板桩最大弯矩Mmax = 382.5 kN·m ,钢板桩的允许应力取[σ] = 200MPa, W= Mmax/ [σ] =382.5×1000/200=1912.5cm³,已知选用的拉森SP-IV型钢板桩每延米宽截面模量W=2037 cm³,满足要求。根据计算钢板桩最大位移为38.1mm，设计最大位移为13×1000/250=52mm，满足要求。
围檩：支撑轴力最大值为553.8kN/m，则围檩最大弯矩设计值:Mmax = 1/8×ql²=1/8×553.8×3.5²=848.0kN·m。已知型钢抗弯强度设计值f=215 MPa ,则W = Mmax²/ [σ] =848.0²×1000/215 =3944.2cm³,采用双I56a工字型钢,其W=2342×2 =4684cm³,滿足要求。
钢支撑：①、对撑计算：按两端铰支检算稳定性，中间设立柱，L=7.25m。通过欧拉临界公式：，得出：=1475cm4。选Ø273×8mm钢管，满足要求；②、斜撑计算：斜撑长L=5m，水平力为553.8KN，轴向力为553.8/cos45°=783KN。通过欧拉临界公式得I=992.7 cm4。选Ø273×8mm钢管，满足要求。
3 钢板桩及支护系统施工要点
3.1 施工工艺流程
施工准备→导向框制作→测量放样→打入钢板桩→钢板桩合拢→抽水、开挖、围檩支撑安装循环进行→水下抽砂、封底混凝土浇筑→承台施工→基坑回填→钢板桩拔出。
3.2 插打钢板桩前的准备工作
（2）钢板桩变形检查：因钢板桩在装卸、运输过程会出现撞伤、弯扭及锁口变形等现象，因此，钢板桩在插打前有必要对其进行变形检查。对变形严重的钢板桩进行校正并做销口通过检查。锁口检查方法：用一块长约2米的同类型、同规格的钢板桩作标准，采用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾作锁口通过检查，对于检查通过的投入使用，不合格的再进行校正或淘汰不用。钢板桩的其它检查：剔除钢板桩前期使用后表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤；
（3）振动锤检查：振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要进行专门检查，确保线路畅通，功能正常，振动锤的端电压要达到380－420V，夹板牙齿不能有太多磨损；
（4）涂刷黄油混合物油膏：为了减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏，在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏（重量配合比为沥青：黄油：滑石粉：锯末=4：6：10：1）。
3.3 钢板桩围堰的插打
钢板桩插打利用50t履带吊车作为起吊设备，配合DZ120型振动锤的施工方法逐片插打。
（1）安装钢板桩插打导向架：钢板桩插打之前，在施工平台上安装导向架，以控制钢板桩的平面尺寸和垂直度；
（2）为了确保每一片钢板桩插打准确，第一片钢板桩是插打的关键，第一片钢板桩位置选择在上游或下游中心位置，插打前在导向架上设置限位装制，大小比钢板桩每边放大1cm，插打时，钢板桩桩背紧靠导向架，边插边将吊钩缓慢下放，这时在相互垂直的两个方向用锤球进行观测，以确保钢板桩插正、插直；
（3）通过检测，确定第一片钢板桩插打合格后，然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称插打每一根钢板桩到设计位置。整个施工过程中，要用锤球始终控制每片桩的垂直度，及时调整；
（4）插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。
3.4 围堰内抽水、吸泥、安装内支撑及水下封底
（1）钢板桩插打完毕后，开挖、吸泥至作业面以下-1.5m高处，安装第一道支撑；
（2）继续抽水、吸泥至-5.5m高，安装第二道支撑；抽水、吸泥至-9m高，安装第三道支撑。
（3）第三道支撑安装完成后，向围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至-13m高。
（4）水下浇注封底砼。水下吸泥、清淤到设计标高后，即可进行水下封底砼施工，封底砼标号为C25，封底厚度为1.5m。
3.5 施工过程监测
在钢板桩插打施工完成以后进行支撑的施工。在施工支撑及开挖过程中,应对支撑系统进行监测。在钢板桩施工中,打设的允许误差一般为:桩顶标高偏差为±100 mm ,钢板桩垂直度偏差为1%。在钢板桩打设过程中,应监测其偏差是否在允许误差范围内,超出时及时纠正。施工过程中主要监测土体地质情况、内支撑和钢板桩的变形、基坑内流动水量及围堰的位移、抽水深度等,每日不得少于2 次。同时填写专门的观测记录表,统计累计变形量和当日变形量。当发现钢板桩和围檩有超过规定要求的变形时,应立即疏散基坑内的施工人员,采取相应的加固处理措施。
3.6 钢板桩及支护的拆除
（1）承台和墩柱施工完毕后，方可进行钢板桩及支护结构拆除，每回填砂至相应支撑高度后方可逐层拆除围檩和支撑结构；
（2）钢板桩拔除方法：先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min～2min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化” ，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔，拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难或拔不上来时，停止拔桩，可先行往下施打少许，再往上拨，如此反复可将桩拔出来。
4 结语
针对西苏堡浑河大桥承台基坑开挖深度大的特点，通过对不同工况下钢板桩的受力状况进行分析，设计了钢板桩支护结构并按照操作要点成功实施，确保了施工安全和进度，可为类似工程提供参考。
参考文献：
[1] 汪正荣.建筑施工计算手册[M]. 2版.北京:中国建筑工业出版社,2007.
[2] 李涌泉.大型钢板桩围堰的结构设计与分析[J].西部探矿工程,2006 (6):211-214.
[3] 乔全福.拉森钢板桩支护施工方法[J].山西建筑,2010 ,36(5):138-139
关键词：筑岛；钢板桩；设计；施工
中图分类号： S611 文献标识码： A
1 概述
1.1 工程概况
沈阳四环路西苏堡浑河大桥全长1626m，其中跨越浑河70+110+1101+70m主桥上部结构为预应力钢筋混凝土变截面连续梁。下部结构主墩采用大体积空心墩，下设承台群桩基础。主桥4#～6#主墩承台结构尺寸为14×14×5m。
本桥施工期常水位为23m，水流较缓，桥位距离河岸较近，深水施工墩位较少，因此主桥4#～6#墩均设置了砂袋筑岛围堰，筑岛材料采用粘土，围堰顶高程为24m。承台基坑开挖底高程为10.5m，开挖深度13.5m，采用钢板桩作为基坑开挖支护结构，水下混凝土封底。本基坑为临时结构，设计时安全等级为二级。
1.2 水文地质
桥位处河槽宽度约360m，水流较缓，100年一遇洪水设计流量为4939m³/s，100年一遇洪水水位为30.36m。桥位处最大冲刷深度7.85米，冲止高程为8.15米。
根据设计提供的地质报告，河槽施工断面内地质情况类似，具体情况如表1 。
表1 地质力学指标参数表
2 钢板桩支护设计计算
2.1 钢板桩支护结构布置
西苏堡浑河大桥4#～6#墩承台深基坑支护钢板桩采用国产拉森SP-IV型。钢板桩桩长采用20m，桩顶高程为24.0m，桩底高程为4.0m。钢板桩围堰设三层型钢围檩和一层封底混凝土，钢支撑分别设置于距顶部距桩顶1m、5m、8.5m位置，封底混凝土在围堰承台底面以下。围檩内部设置型钢支撑，支撑中部设立柱连接。承台混凝土分两次施工，承台混凝土浇筑前支护结构形式如图1所示。
图1 钢板桩立面图和平面图
浇筑承台第一次混凝土后，拆除承台模板，对承台外侧与钢板桩之间的位置进行中砂回填，然后拆除第三道钢支撑，进行承台上部立模和混凝土浇筑施工。
2.2 基坑钢板桩支护计算
基坑钢板桩支护系统设置了3道钢支撑，基坑底部封底混凝土也是一道支撑。利用深基坑分析计算软件分步骤对基坑钢板桩的受力、位移情况进行模拟并加以分析计算。
2.2.1 计算图示
基坑在开挖时，采用边开挖边支撑的方式对钢板桩进行支撑，钢支撑最终布置及受力情况见图2。
图2 钢支撑最终布置及受力示意图
2.2.2 主要受力状况分析
1）工况一：第一道围檩及支撑安装完毕，基坑内降水开挖5.5 m，第二道围檩未安装；
2）工况二：第二道围檩及支撑安装完毕，基坑内降水开挖9 m，第三道围檩未安装；
3）工况三：第三道围檩及支撑安装完毕，基坑内降水开挖13 m，未浇筑封底混凝土；
采用软件对钢板桩受力情况进行计算，计算钢板桩在各主要受力工况下的位移、弯矩和剪力，并得出钢板桩位移内力包络图如图3所示。同时，通过计算对比可知，工况三为最不利工况，但满足钢板桩容许应力要求。因此，需要对工况三围檩及钢支撑结构进行设计，为便于材料统一和倒用，三层围檩及钢支撑采用相同形式。
图3 钢板桩位移内力包络图
2.2.3 钢板桩及支护结构设计验算
钢板桩和支护结构受力随着开挖和加撑的过程不断变化。根据钢板桩位移和受力包络图对钢板桩和支护结构进行设计。
钢板桩：计算钢板桩最大弯矩Mmax = 382.5 kN·m ,钢板桩的允许应力取[σ] = 200MPa, W= Mmax/ [σ] =382.5×1000/200=1912.5cm³,已知选用的拉森SP-IV型钢板桩每延米宽截面模量W=2037 cm³,满足要求。根据计算钢板桩最大位移为38.1mm，设计最大位移为13×1000/250=52mm，满足要求。
围檩：支撑轴力最大值为553.8kN/m，则围檩最大弯矩设计值:Mmax = 1/8×ql²=1/8×553.8×3.5²=848.0kN·m。已知型钢抗弯强度设计值f=215 MPa ,则W = Mmax²/ [σ] =848.0²×1000/215 =3944.2cm³,采用双I56a工字型钢,其W=2342×2 =4684cm³,滿足要求。
钢支撑：①、对撑计算：按两端铰支检算稳定性，中间设立柱，L=7.25m。通过欧拉临界公式：，得出：=1475cm4。选Ø273×8mm钢管，满足要求；②、斜撑计算：斜撑长L=5m，水平力为553.8KN，轴向力为553.8/cos45°=783KN。通过欧拉临界公式得I=992.7 cm4。选Ø273×8mm钢管，满足要求。
3 钢板桩及支护系统施工要点
3.1 施工工艺流程
施工准备→导向框制作→测量放样→打入钢板桩→钢板桩合拢→抽水、开挖、围檩支撑安装循环进行→水下抽砂、封底混凝土浇筑→承台施工→基坑回填→钢板桩拔出。
3.2 插打钢板桩前的准备工作
（2）钢板桩变形检查：因钢板桩在装卸、运输过程会出现撞伤、弯扭及锁口变形等现象，因此，钢板桩在插打前有必要对其进行变形检查。对变形严重的钢板桩进行校正并做销口通过检查。锁口检查方法：用一块长约2米的同类型、同规格的钢板桩作标准，采用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾作锁口通过检查，对于检查通过的投入使用，不合格的再进行校正或淘汰不用。钢板桩的其它检查：剔除钢板桩前期使用后表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤；
（3）振动锤检查：振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要进行专门检查，确保线路畅通，功能正常，振动锤的端电压要达到380－420V，夹板牙齿不能有太多磨损；
（4）涂刷黄油混合物油膏：为了减少插打时锁口间的摩擦和减少钢板桩围堰的渗漏，在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏（重量配合比为沥青：黄油：滑石粉：锯末=4：6：10：1）。
3.3 钢板桩围堰的插打
钢板桩插打利用50t履带吊车作为起吊设备，配合DZ120型振动锤的施工方法逐片插打。
（1）安装钢板桩插打导向架：钢板桩插打之前，在施工平台上安装导向架，以控制钢板桩的平面尺寸和垂直度；
（2）为了确保每一片钢板桩插打准确，第一片钢板桩是插打的关键，第一片钢板桩位置选择在上游或下游中心位置，插打前在导向架上设置限位装制，大小比钢板桩每边放大1cm，插打时，钢板桩桩背紧靠导向架，边插边将吊钩缓慢下放，这时在相互垂直的两个方向用锤球进行观测，以确保钢板桩插正、插直；
（3）通过检测，确定第一片钢板桩插打合格后，然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称插打每一根钢板桩到设计位置。整个施工过程中，要用锤球始终控制每片桩的垂直度，及时调整；
（4）插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合拢”的施工要点。
3.4 围堰内抽水、吸泥、安装内支撑及水下封底
（1）钢板桩插打完毕后，开挖、吸泥至作业面以下-1.5m高处，安装第一道支撑；
（2）继续抽水、吸泥至-5.5m高，安装第二道支撑；抽水、吸泥至-9m高，安装第三道支撑。
（3）第三道支撑安装完成后，向围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至-13m高。
（4）水下浇注封底砼。水下吸泥、清淤到设计标高后，即可进行水下封底砼施工，封底砼标号为C25，封底厚度为1.5m。
3.5 施工过程监测
在钢板桩插打施工完成以后进行支撑的施工。在施工支撑及开挖过程中,应对支撑系统进行监测。在钢板桩施工中,打设的允许误差一般为:桩顶标高偏差为±100 mm ,钢板桩垂直度偏差为1%。在钢板桩打设过程中,应监测其偏差是否在允许误差范围内,超出时及时纠正。施工过程中主要监测土体地质情况、内支撑和钢板桩的变形、基坑内流动水量及围堰的位移、抽水深度等,每日不得少于2 次。同时填写专门的观测记录表,统计累计变形量和当日变形量。当发现钢板桩和围檩有超过规定要求的变形时,应立即疏散基坑内的施工人员,采取相应的加固处理措施。
3.6 钢板桩及支护的拆除
（1）承台和墩柱施工完毕后，方可进行钢板桩及支护结构拆除，每回填砂至相应支撑高度后方可逐层拆除围檩和支撑结构；
（2）钢板桩拔除方法：先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min～2min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化” ，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔，拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难或拔不上来时，停止拔桩，可先行往下施打少许，再往上拨，如此反复可将桩拔出来。
4 结语
针对西苏堡浑河大桥承台基坑开挖深度大的特点，通过对不同工况下钢板桩的受力状况进行分析，设计了钢板桩支护结构并按照操作要点成功实施，确保了施工安全和进度，可为类似工程提供参考。
参考文献：
[1] 汪正荣.建筑施工计算手册[M]. 2版.北京:中国建筑工业出版社,2007.
[2] 李涌泉.大型钢板桩围堰的结构设计与分析[J].西部探矿工程,2006 (6):211-214.
[3] 乔全福.拉森钢板桩支护施工方法[J].山西建筑,2010 ,36(5):138-139