珠江黄埔大桥主墩承台钢板桩围堰的施工设计方案
摘要：本文详细论述了珠江黄埔大桥39#主墩69m（宽）×19m（长）×6m（厚）哑铃型承台施工用钢板桩围堰的设计分析及计算过程，钢板桩的计算工况需要紧密结合其实际的施工工序。
关键词：独塔斜拉桥，钢板桩围堰，施工设计
1、工程概况
广州市黄埔珠江大桥北汊主桥为单塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨径布383m+197m+63m+62m（见图1），门型主塔，主塔柱承台19m×19m，厚度6m，承台顶面标高+4.0m；两承台之间系梁高6，宽8m，长31m。每个承台基础为16根Φ2.5m的钻孔桩，系梁2根Φ1.8m的钻孔桩。主塔基础平面总尺寸为69m×19m（见图2）。
桥位处于珠江下游，河道略弯曲，河道分支复合频繁，河面宽阔，流量大，径流量变幅小，淤积严重，受潮水顶托显著。根据水位资料，最低潮水位+3.3m，最高风暴潮水位+6.73m。地层组成：表层细砂，松散，标高+7--+4，淤泥质亚粘土，呈流塑状，标高+4.0m—-1.0m；粉砂、中砂层，饱和、松散，标高-1.0m—-8.0m；下部为燕山晚期二长花岗岩，主要由花岗岩变质而成的混合岩形成，自上到下依次为全风化混合岩、强风化混合岩、弱风化混合岩和微风化混合岩。
主塔39＃墩位于北汊河道边缘，靠大濠洲岛防洪大堤20m。基础采用筑岛法施工，承台用钢板桩围堰止水。拟定钢板桩桩底标高-11.0m，嵌入强风化岩约2m。为简化计算，将钢板桩进入的全风化混合岩简化为粉砂计算，因全风化混合岩内摩擦角和粘聚力均比粉砂大，因此计算结果偏安全的。
2、施工方案
2.1、主墩承台施工采用钢板桩围堰法施工，不排水开挖，围堰内设置两道钢支撑梁，根据基坑渗水情况采用封底和不封底两种备选方案。承台及系梁混凝土沿高度方向分两次浇筑，第一次浇筑高度为2.2m，第二次浇筑高度为3.8m。围堰平面布置形式为沿承台及系梁外侧预留1.7m立模操作空间，形成哑铃形布置。钢板桩采用拉森Ⅳ型，围堰内部设两道钢内支撑，内支撑由主梁、平面系及其竖向支撑等组成（见图2）。
2.2、承台施工工序为
⑴、桩基施工完成，降低筑岛面标高至＋6.5m；
⑵、采用KH180履带式吊机及DZ-90NM2-500EⅢ振动打桩锤插打钢板桩；其顶面标高定为＋7m,底标高定为－11.0m；单根钢板桩长18米，桩底嵌入全风化混合岩4.0～6.0m；
⑶、钢板桩围堰插打完成后，进行基坑开挖，开挖至+3.5m时，利用低潮水位的时间差，将堰内水位降至+3.5m，在标高+5.2m处安装第一道内支撑；开挖的方式以长臂挖掘机为主，对砂层可用砂石泵抽吸等方法除土；
⑷、基坑开挖至+1.0m时，再次利用低潮水位的时间差，将堰内水位强制降至+1.0m，在标高+1.5m处安装第二道内支撑；继续基坑开挖至基底，直至完成；
⑸、基底进行基本整平、对砼桩周进行清理；进行封底砼或施工垫层的浇注，进行承台第一次砼施工；
⑹、砼达到强度后进行第二道内支撑转换，进行承台第二次砼施工；
⑺、塔柱底座施工；拆除内支撑，拔出钢板桩，基坑回填。
3、钢板桩围堰的设计计算
3.1、荷载工况
根据钢板桩承台的施工工序，按照排水开挖的施工过程进行计算。钢板桩在开挖过程中和承台施工中主要承受外围主动土压力、静水压力和围堰周围施工车辆引起的侧压力等荷载。土压力根据各工况计算模式的不同分别采用相应的公式予以计算。以下分各工况取一米板宽列出。
工况一：计算图式见图3，不排水开挖至+3.5m，围堰内排水至+3.5m，第一道支撑尚未安装，钢板桩处于悬臂状态。土压力采用朗金土压力公式计算，主动土压力基本计算公式为：
工况二：围堰开挖至+1.0m，安装第二道支撑前，围堰内排水至+1.0m，考虑一台50吨履带吊机作用，计算图式见图4。
(3)、土压力计算：土压力仍然采用朗金土压力公式计算，具体计算公式同工况一，计算土压力荷载见图4。
工况三：第二道支撑已安装，围堰排水开挖至-2.5m，进行承台第一次砼浇注。考虑一台50吨履带吊机作用，换算等代均布土层厚度计算同工况二，计算图式见图5。此时由于在开挖过程中钢板桩受主动土压力的作用，向基坑内侧倾斜，这时钢板桩后土体达不到主动极限平衡状态，土压力图形呈中间大、上下小的抛物线形状分布，其变化在静止土压力与主动土压力之间，因此土压力不能直接按库仑或朗金理论计算。太沙基和泼克根据实测及模型试验结果，提出了作用在板桩墙上的土压力分布经验图形（详见土质学与土力学，洪毓康主编）， 此经验公式假定墙后土体为一种土的情况，而本承台处的土体为分层不同性质的土体，分布不均且复杂，为了简化计算，仍然采用了朗金主动土压力公式计算。
工况四：承台第一次砼灌注完毕，在砼强度达到后，在已浇筑砼上设置转换支撑，然后再拆除第二道支撑。考虑一台50吨履带吊机作用，换算等代均布土层厚度计算同工况二，土压力计算同工况三，计算图式见图6。
不排水开挖与排水开挖的计算过程类似，只是需考虑静水压力的相互抵消作用，此处不再赘述。
3.2、钢板桩围堰的计算
根据以上的荷载工况采用等值梁法或侧向弹性地基反力法（可参照《建筑地基基础设计规范》、《建筑基坑支护技术规程》）分别计算，得出各个工况下钢板桩的内力和内支撑的反力，然后确定钢板桩的型号。
钢板桩计算结果汇总表（选用拉森Ⅳ型）
钢板桩及其内支撑计算的内容主要包括：a、钢板桩及内支撑自身的强度、稳定、变形等；b、基坑内外土体的稳定性验算；c、基坑降水或止水设施的计算。此外，如果基坑底土体为软土饱和土是还应进行坑底抗隆起稳定性验算，由于本处坑底土体为粉沙土，非软性土，因此不需进行此类验算。
对钢板桩围堰的内支撑的计算，则按照平面桁架采用Sap2000建模，荷载为钢板桩计算的支点处的反力，这里不再赘述。
4、钢板桩围堰施工的关键点
(1)钢板桩围堰的插打：为了方便围堰内支撑的安装，钢板桩实际插打线比设计线整体外放10cm。钢板桩应从每一边中间向两边推进，最后测量合龙块尺寸，制作异形钢板桩。钢板桩插打应采用导向装置使钢板桩保持垂直状态。
(2)承台基坑开挖和内支撑的安装：承台基坑开挖主要采用长臂挖掘机进行排水开挖，边开挖边抽水。当基坑开挖至+3.5m时，先安装第二道内支撑圈梁及斜撑，然后在其上安装第一道内支撑圈梁及斜撑。第一道内支撑安装完成后，用木块将圈梁与钢板桩抄紧使内支撑受力。按设计位置插打Φ300支撑钢管桩，将第一道内支撑支撑在钢管桩上。继续开挖基坑，第二道内支撑随着下降，下降过程中要采取措施保证内支撑不偏斜。当开挖至+1.0m时，调整第二道内支撑平面呈水平状态，再用木块将钢板桩和内支撑圈梁抄紧使其受力，将第二道内支撑支撑于钢管桩上，同时安装两道内支撑间的联结系，以保证内支撑平面外的稳定。
(3)第二道内支撑的施工转换：当第一次承台砼浇筑完成后，拆除模板，在第一次浇筑的承台和钢板桩之间按设计要求安装临时内支撑，完成后，拆除第二道内支撑。继续进行第二次承台砼的施工。
(4)钢板桩围堰的拆除：承台及塔座施工完毕后，基坑回填，拆除内支撑，然后将钢板桩拔出。
5、设计与施工过程中的体会
(1)施工设计计算与施工方案紧密联系：钢板桩计算的各个工况和施工方案是紧密结合的，施工方案决定了计算的工况。因此应该根据实际的地质情况和地下渗水情况确定合理的施工方案，选择排水或不排水开挖，是否灌注封底砼，对于多支撑钢板桩是否需要转换支撑等确定基坑开挖和基础的施工步骤。
(2)荷载计算是核心：钢板桩计算的核心内容就是基坑周围土压力的计算，要根据实际施工需要基坑周围的堆载，车辆荷载、水压力等都要考虑到计算中去，此外根据地质情况还要考虑水对基坑周围土体的浮力作用。对于砂土和液性指数大于1的粘性土（如淤泥）等透水层，采用水、土分算的原则计算；对于液性指数小于1的粘土、亚粘土等不透水层可以采用水、土合算的原则计算。
(3)钢板桩在不同的状态下，其周围土压力应该采用不同的计算方法，对于钢板桩悬臂或单支撑状态的土压力可以采用朗金或库仑土压力理论进行计算，但是对于多支撑的土压力应该采用太沙基和泼克的经验公式或其他方法计算（如“圆弧滑动简单条分法”）。
(4)钢板桩围堰的施工过程计算：钢板桩围堰的计算工况要囊括整个施工过程，对于每一个施工工况都对应着不同的受力状况。以本工程为例，此处基坑采用了排水开挖分层支护，承台施工分为两次浇注砼，拟订计算工况见上述。
(5)内支撑的设计计算：内支撑的设计考虑到基坑开挖的方便性，合理的布置内支撑的形式，既要保证受力简单合理，又要使得基坑开挖有足够的操作空间。内支撑的计算可以按照平面桁架或刚架的模式来建立计算模型，其荷载就是钢板桩计算所得的支撑点反力。
(6)主墩承台现已经顺利施工完毕，由于基坑渗水情况比较理想，采用了排水开挖的方案进行基坑开挖。从总的施工过程来看，钢板桩围堰及内支撑是安全可靠的。施工中两道内支撑是在基坑开挖至+3.0米的时候同时安装的，第一道支撑与钢板桩抄紧受力，第二道支撑在开挖中靠自重整体下沉到位。由于实际的岩层埋深较浅，和设计提供的地质资料有差别，钢板桩入土深度未达到设计要求，再者两道支撑间的距离较大，钢板桩自身的刚度较弱，在基坑开挖未到第二道支撑标高时（差0.5m）钢板桩的变形已经大于了100mm，而内支撑的安装都采用的是被动撑的受力方式，这导致了第二道内支撑未达到设计标高，和设计状态差别比较大。因此，建议在施工中采用主动支撑的方式，这样可以消除开挖过程中钢板桩的变形，从而与设计状态相符。