深水钢板桩围堰水下加撑技术研究

深水钢板桩围堰工程施工有很高的安全风险，在围堰设计与施工时，必须给予高度重视。在国道107改线官渡黄河特大桥124号墩钢板桩围堰设计过程中，研究和分析了有关钢板桩围堰水下加撑和常规工艺的对比，发现水下加撑能够大幅提高深水钢板桩围堰的安全性。从安全、经济的角度出发，分析深水钢板桩围堰水下加撑相比于常规工艺(明挖顺作法)的优点，总结水下加撑的施工方法。

国道107改线官渡黄河特大桥工程位于新乡市、郑州市境内。黄河特大桥全长7 377m，桥跨布置为:5×(4×30m)+(25+125+75)m+3×(4×40m)+5×40m+3×50m+3×(4×40m)+2×(5×40m)+9×(4×50m)+2×(3×50m)+3×(75m+5×125m+75m)+3×(4×30m)。主桥下部结构:主墩采用矩形空心墩，承台加钻孔灌注桩群桩基础;引桥下部结构采用柱式墩、肋板台钻孔灌注桩基础。其中124号墩位于黄河主河道，为水中承台，采用钢板桩围堰施工。124号墩承台结构尺寸1890cm×1760cm×450cm，承台底标高71.400m，年平均水位82.000m，年最高水84.500m。围堰设计考虑防洪度汛，因此取设计水位84.500m，设计水深13.1m。围堰范围内土层主要以粉砂土为主，其水下黏聚力10kPa，内摩擦角20°。选用拉森SP-IV型钢板桩，围堰结构如图1所示。

深水钢板桩围堰水下加撑工艺区别于常规工艺明挖顺作法(由上而下逐层开挖加撑)，关键是改变加撑步骤，即抽水前完成水下部分支撑安装。124号墩施工工艺流程:施工准备→现场拼装第3层支撑→下放第3层支撑，就位固定→现场原位拼装第2层支撑→下放第2层支撑，就位固定→现场原位拼装第1层支撑→安装钢板桩导向装置→施打钢板桩→水下开挖至设计围堰底→浇筑围堰封底混凝土→围堰内抽水至第2层支撑底50cm，安装牛腿、加固支撑→围堰内抽水至第3层支撑底50cm，安装牛腿、加固支撑→围堰内抽水至封底混凝土，施工承台。

对水下加撑与常规工艺以下工况进行对比(为了方便比对，钢板桩及支撑材料完全相同，布置完全一致):1初始工况水下开挖(清底)至深16.1m;2抽水工况1封底混凝土(3m)浇筑后，围堰内抽水至第2层支撑底;3抽水工况2第2层支撑安装完成，围堰内抽水至第3层支撑底;4抽水工况3第3层支撑安装完成，围堰内抽水至基坑底。各工况结构对比如图2所示，计算结果如表1所示。

根据表1的对比，可以看出在抽水工况1情况下，水下加撑钢板桩的最大弯矩值是常规工艺的34.25%;抽水工况2情况下，水下加撑钢板桩的最大弯矩值是常规工艺的19.90%。根据这个结果不难看出水下加撑工艺可以实现抽水工况下大幅度减少钢板桩的弯矩、变形、剪力值。特别是深水围堰工程，随着水深的增加这个对比更加明显。

计算结果表明:

1水下加撑工艺在抽水工况1和抽水工况2条件下的内力值比常规工艺的内力值小很多;

2对于深水围堰并不是抽水至封底混凝土工况下钢板桩的内力值最大(这是深水围堰区别于潜水、软弱土层围堰的最大特点)，而是在抽水过程中出现了钢板桩的内力最大值。下面针对上述两项结果
进行分析研究。

4.1 静水压力特点分析

为了更加直观，只分析静水作用下钢板桩的受力情况，受力如图3所示。

因为静水侧压力具有两个主要特点:1沿竖向呈线性分布;2内外存在水头差时，内外压力差一直向下延伸。这两个特点使深水钢板桩围堰的结构受力不同于软土层围堰结构(软土围堰内侧被动土压力系数大于外侧主动土压力系数，随着深度增加逐渐抵消内外压力差)。以官渡黄河大桥124号墩为例，分析在常规工艺下随着内外水头差增加，钢板桩最大弯矩值变化曲线，如图4所示。

图4b 常规工艺钢板桩最大弯矩值

由图4a可知，当不采用水下加撑工艺时，抽水到3m，钢板桩的弯矩达到500kN·m，而对于拉森SP-IV型钢板桩能承受的最大弯矩值不超过488kN·m，也就是说不采用水下加撑工艺，一次抽水深度不能超过3m，第2道支撑间距要<3m，相邻支撑间距过小，显然不经济、不合理。所以对于深水围堰想发挥钢板桩的优点就必须要考虑水下加撑。

4.2 水下加撑后的钢板桩受力

钢板桩是作为梁单元(或板单元)提供挡水支撑的作用，因此水下加撑能够有效缩短钢板桩的支撑跨度，在外部荷载不变的前提下，缩短支撑跨度，即减小了钢板桩的弯矩。从图3可知，深水钢板桩围堰的内力值与水深H、内外水位差△h、支撑的竖向间距有直接关系，在施工过程中水深H是固定值，△h根据支撑布置确定，那么为了使结构更加经济、施工方便、节约工期，△h不宜低于3m，所以△h的调整范围十分有限。因此水下加撑相比于常规工艺在抽水过程中为钢板桩提供支撑作用，有效缩短支撑间距，进而减小了钢板桩的弯矩。

如图4b所示，在相同工况下钢板桩的最大弯矩值与设计水深呈线性关系，当设计水深较小(<10m)时，钢板桩自身能够承受水压力带来的弯矩，此时可以不采用水下加撑工艺。当水深>10m甚至更深时，钢板桩自身抵抗弯矩的能力有限，就需要抽水前增加支撑。所以本文重点说明深水钢板桩围堰水下加撑的优势和意义。