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摘要无锡仙蠡桥水利枢纽钢板桩围堰长260m，宽6m，钢板桩入土深8m和12m。钢板桩围堰施工设计进行了抗倾覆、抗滑及渗流稳定性计算。选择振动打桩锤有三项必要条件。对施工中遇到的问题提出了对策。
关键词钢板桩围堰设计施工
1 工程概况
仙蠡桥水利枢纽南枢纽工程位于无锡市南部梁溪河与京杭运河的交汇处。南枢纽工程由两座24.8m×24m的节制闸和一座13.7m×16m南涵首及三孔3.3m×3.3m长145.99m的穿运地涵等主体建筑物组成。工程分两期围护施工，一期围堰全长638m，采用钢板桩縱向围堰和木桩横向围堰将梁溪河3/4截流，东侧1/4导流兼通航；二期围堰全长334m，采用木桩围堰和土围堰连接南涵首形成封闭围堰，西侧节制闸导流兼通航。工程具有防洪、排涝、航运及调水改善城市水环境等综合功能。工程地处长江三角洲冲积湖太湖水网平原区，地貌类型属古泻湖堆积的水网平原。河床地层以粉质粘土层为主。施工期间要求不断航，钢板桩围堰须在水上施工，工程于2004年5月开工,2006年6月竣工。
2 钢板桩围堰施工设计
2.1 钢板桩型号、规格及尺寸
采用日本产拉森钢板桩。型号：JIS A5528SY295；规格：400×170×15.5（mm×mm×mm），长度L＝12m~16m（原定有18m型号，因地质原因改为16m）；钢板桩的自重：76.1kg/m；惯性矩：38600cm4/m；截面抵抗矩：2270cm3/m。
2.2平面布置与断面设计
钢板桩纵向围堰全长260m， 根据建筑物的基础开挖深度，在节制闸65m范围段和顶管工作井37m范围段打双排16m长钢板桩(桩入土深12m，外露4m）；其余158m范围段打双排12m长钢板桩（桩入土深度8m，外露4m）。围堰横断面布设为双排钢板桩，间距6m。两排钢板桩之间采用Φ25@80cm拉杆连接，在高程▽3.5m处分别加焊[25b槽钢以作围檩。堰内填筑粘土，子堰迎水及背水侧码放袋装土。横剖面图详见图-1。
2.3 稳定验算
对围堰进行抗倾覆、抗滑和渗流稳定验算。以12m长钢板桩为例进行稳定验算。
（1）抗倾覆稳定计算
K0＝（M1+M2）/M0。式中：K0－抗倾覆安全系数（K0≥1.5）；M1―围堰背水侧钢板桩各持力层对格体趾部的抗倾覆总阻力矩，KN·m；M2―围堰内填土及钢板桩自重对格体趾部的抗倾覆总阻力矩，KN·m；M0―迎水侧钢板桩各持力层对格体趾部的倾覆总力矩，KN·m。
钢板桩迎水侧承受主动土(水)压力，背水侧承受被动土压力，根据各持力层特性及朗肯土压力计算公式，计算过程及计算结果如下：
持力层特性
围堰迎水侧▽4.53~▽-8.01分①~⑤不同持力层，背水侧分②~⑤不同持力层各持力层重度r、粘聚力c、内摩檫角Φ及层厚度h见表-1。
②倾覆力矩M0
M0=（i为①~⑤）。各持力层总主动土压力Pai=（Pa i1+ Pa i2）*hi/2，Pa i1为土体顶部主动土压力Pa i1=（Pai1≥0），其中h1为上部荷载折算成当量厚度，土压力系数（水压力取1.2）；Pai2为土体底部主动土压力Pai2=。Hi为各总主动土压力作用线。
③抗倾覆力矩M1、M2
M1=（i为②~⑤）。各持力层总被动土压力Ppi=（Pp i1+ Pp i2）*hi/2，Pp i1为土体顶部被动土压力Pp i1=，其中h1为上部荷载折算成当量厚度，土压力系数；Ppi2为土体底部被动土压力Ppi2=。Hi为各总被动土压力作用线。
M2=计算结果见表-1
（2）抗滑稳定计算
Ks＝（Gμ+Pp）/ Pa≥1.3，μ为围堰底部摩檫系数取0.4。
，不会产生滑动。
（3）渗流稳定计算
KS=iC/i。iC=（ρ-1）/（1+e），i=h/L。式中KS—安全系数， iC—临界水力坡降iC=（2.73-1）/（1+0.78）=0.97；i=4.74/（7.8+6+7.8）=0.22；KS=4.4>1.5满足抗渗稳定要求。
2.4打桩锤的选择
钢板桩能否顺利打入设计高程，与土质类别、钢板桩型号及打桩机械性能直接相关。本工程地质多为粉质粘土层，采用电动振动打桩锤沉桩方式。所选振动锤型号应满足以下几项指标（以12m钢板桩为例）：
①必要的振幅As
As=（mm），N为桩尖所在土层的标贯击数，对粉质粘土层取15，L为桩长12m（以12m为例），计算后As=6.0mm。
②必要的偏心力距M0
M0=
（kg-cm）， As=0.6cm，Qp为钢板桩自重913kg，计算后M0=1834kg-cm。根据As和M0选定DZ45型振动锤（电动功率45kw）。另通过计算16m长钢板桩应选DZ60型振动锤。钢板桩的施打以5分钟左右完成桩的打入为宜。若超过15分钟以上时，易使振动锤的动力装置发热以致烧坏，此时应考虑选用更大功率的振动锤。
③必要的质量Q0
必要质量Q0=Qm+Qp+Qw，Qm+Qp为振动锤自重及桩自重之和3970kg，Qw为附加质量。DZ45振动锤振动频率f为1220rpm，根据M0和f查出动量系数e为0.36，再根据动量系数e和N查出必要质量Q0为4900kg，附加质量Qw计算得出930kg。
3 钢板桩围堰施工
3.1 施工准备
（1）打桩设备：本工程采用水上打桩作业。打桩设备为：打桩船两艘，把杆起吊高度25~30m；300t级运桩船两艘；用于导向板焊接、围檩安装及水上交通的小型平头船两只；45kw振动打桩锤2副，60kw和90kw振动锤各一付。（2）钢板桩：投入钢板桩总量为1420t，钢板桩进场检查整理，发现缺陷随时调整，钢板桩运输和堆放时要尽量不使其弯曲变形，避免碰撞，尤其不能将连接锁口碰坏。打桩前钢板桩锁口宜涂以黄油或其它油脂，易于贯入。
3.2施工程序框图（见图-2）
3.3 钢板桩施打
钢板桩打入法有单根打入法和屏风打入法。本工程钢板桩围堰两端接木桩围堰，板桩自身无需合龙，故采用单根打入法。这种施工方法速度快，可一次性将单根桩打入设计高程。施工时先打桩的定位，每隔10米打一根定位桩，桩顶高程4.0m，定位桩之间焊槽钢连接。定位桩作为钢板桩施打过程中导向装置及高程控制标志。钢板桩施打时须测量定位，铅垂度控制在1%以内为宜。
3.4 围堰填筑及维护
钢板桩堰内粘土填筑采用水上抛填法，驳船运土，抓斗船卸土，粘土抛入水中自然沉降、饱和并固结，形成粘土心墙。为避免河道过往船只对围堰的碰撞，除设置安全警示标志外，在围堰迎水侧按3m间距打设防护木桩，中间采用横木连接并挂防撞轮胎。施工期间每天对围堰进行巡视，定期变形监测，发现异常情况及时处理。
4 钢板桩围堰施工中的问题及对策
4.1 钢板桩向前进方向倾斜
由于钢板桩连接锁口处的阻力大于板桩周围的土体阻力，从而形成了一个不均衡力使板桩向
前进方向倾斜。施打中可采用钢丝绳将板桩反向拉住后再打桩，当倾斜大于2%时，可施打楔形钢板桩（异型桩）达到纠偏目的。
4.2 施工中桩的扭转
由于桩的结构形状及锁口铰接式连接，抗扭曲性能较差，施打时易引起桩身的扭转。控制扭转主要措施有：（1）设置卡板对自由侧锁口进行限位；（2）采用楔形木枕楔紧桩身进行固定。
4.3 桩的相互带动
施工中，当遇到地层变化或不明障碍物时，板桩阻力增加，并带动相邻板桩。其处理措施有：（1）把相邻板桩焊牢在围檩上；（2）数根板桩用型钢连在一起；（3）在连接口上涂以黄油等油脂，以减少阻力；（4）分次将板桩打到设计高程，采用屏风法施打。
4.4 水上拔桩困难
当水上拔桩困难时，可考虑采用旱地履带吊振动式拔桩锤方式拔桩。
5 结语
无锡仙蠡桥钢板桩围堰在设计上进行的安全性计算和施工中所采取的相应措施在实践中得到了验证，满足工程在安全、质量及进度上的要，可供类似工程参考借鉴。
参 考 文 献
[1] 《桥梁施工专项技术手册》 人民交通出版社
[2] 《土力学地基基础（第4版）》清华大学出版社
作者简介
杨谦贤，男，工程师，现供职于中国葛洲坝集团无锡仙蠡桥水利枢纽工程施工项目部 。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词钢板桩围堰设计施工
1 工程概况
仙蠡桥水利枢纽南枢纽工程位于无锡市南部梁溪河与京杭运河的交汇处。南枢纽工程由两座24.8m×24m的节制闸和一座13.7m×16m南涵首及三孔3.3m×3.3m长145.99m的穿运地涵等主体建筑物组成。工程分两期围护施工，一期围堰全长638m，采用钢板桩縱向围堰和木桩横向围堰将梁溪河3/4截流，东侧1/4导流兼通航；二期围堰全长334m，采用木桩围堰和土围堰连接南涵首形成封闭围堰，西侧节制闸导流兼通航。工程具有防洪、排涝、航运及调水改善城市水环境等综合功能。工程地处长江三角洲冲积湖太湖水网平原区，地貌类型属古泻湖堆积的水网平原。河床地层以粉质粘土层为主。施工期间要求不断航，钢板桩围堰须在水上施工，工程于2004年5月开工,2006年6月竣工。
2 钢板桩围堰施工设计
2.1 钢板桩型号、规格及尺寸
采用日本产拉森钢板桩。型号：JIS A5528SY295；规格：400×170×15.5（mm×mm×mm），长度L＝12m~16m（原定有18m型号，因地质原因改为16m）；钢板桩的自重：76.1kg/m；惯性矩：38600cm4/m；截面抵抗矩：2270cm3/m。
2.2平面布置与断面设计
钢板桩纵向围堰全长260m， 根据建筑物的基础开挖深度，在节制闸65m范围段和顶管工作井37m范围段打双排16m长钢板桩(桩入土深12m，外露4m）；其余158m范围段打双排12m长钢板桩（桩入土深度8m，外露4m）。围堰横断面布设为双排钢板桩，间距6m。两排钢板桩之间采用Φ25@80cm拉杆连接，在高程▽3.5m处分别加焊[25b槽钢以作围檩。堰内填筑粘土，子堰迎水及背水侧码放袋装土。横剖面图详见图-1。
2.3 稳定验算
对围堰进行抗倾覆、抗滑和渗流稳定验算。以12m长钢板桩为例进行稳定验算。
（1）抗倾覆稳定计算
K0＝（M1+M2）/M0。式中：K0－抗倾覆安全系数（K0≥1.5）；M1―围堰背水侧钢板桩各持力层对格体趾部的抗倾覆总阻力矩，KN·m；M2―围堰内填土及钢板桩自重对格体趾部的抗倾覆总阻力矩，KN·m；M0―迎水侧钢板桩各持力层对格体趾部的倾覆总力矩，KN·m。
钢板桩迎水侧承受主动土(水)压力，背水侧承受被动土压力，根据各持力层特性及朗肯土压力计算公式，计算过程及计算结果如下：
持力层特性
围堰迎水侧▽4.53~▽-8.01分①~⑤不同持力层，背水侧分②~⑤不同持力层各持力层重度r、粘聚力c、内摩檫角Φ及层厚度h见表-1。
②倾覆力矩M0
M0=（i为①~⑤）。各持力层总主动土压力Pai=（Pa i1+ Pa i2）*hi/2，Pa i1为土体顶部主动土压力Pa i1=（Pai1≥0），其中h1为上部荷载折算成当量厚度，土压力系数（水压力取1.2）；Pai2为土体底部主动土压力Pai2=。Hi为各总主动土压力作用线。
③抗倾覆力矩M1、M2
M1=（i为②~⑤）。各持力层总被动土压力Ppi=（Pp i1+ Pp i2）*hi/2，Pp i1为土体顶部被动土压力Pp i1=，其中h1为上部荷载折算成当量厚度，土压力系数；Ppi2为土体底部被动土压力Ppi2=。Hi为各总被动土压力作用线。
M2=计算结果见表-1
（2）抗滑稳定计算
Ks＝（Gμ+Pp）/ Pa≥1.3，μ为围堰底部摩檫系数取0.4。
，不会产生滑动。
（3）渗流稳定计算
KS=iC/i。iC=（ρ-1）/（1+e），i=h/L。式中KS—安全系数， iC—临界水力坡降iC=（2.73-1）/（1+0.78）=0.97；i=4.74/（7.8+6+7.8）=0.22；KS=4.4>1.5满足抗渗稳定要求。
2.4打桩锤的选择
钢板桩能否顺利打入设计高程，与土质类别、钢板桩型号及打桩机械性能直接相关。本工程地质多为粉质粘土层，采用电动振动打桩锤沉桩方式。所选振动锤型号应满足以下几项指标（以12m钢板桩为例）：
①必要的振幅As
As=（mm），N为桩尖所在土层的标贯击数，对粉质粘土层取15，L为桩长12m（以12m为例），计算后As=6.0mm。
②必要的偏心力距M0
M0=
（kg-cm）， As=0.6cm，Qp为钢板桩自重913kg，计算后M0=1834kg-cm。根据As和M0选定DZ45型振动锤（电动功率45kw）。另通过计算16m长钢板桩应选DZ60型振动锤。钢板桩的施打以5分钟左右完成桩的打入为宜。若超过15分钟以上时，易使振动锤的动力装置发热以致烧坏，此时应考虑选用更大功率的振动锤。
③必要的质量Q0
必要质量Q0=Qm+Qp+Qw，Qm+Qp为振动锤自重及桩自重之和3970kg，Qw为附加质量。DZ45振动锤振动频率f为1220rpm，根据M0和f查出动量系数e为0.36，再根据动量系数e和N查出必要质量Q0为4900kg，附加质量Qw计算得出930kg。
3 钢板桩围堰施工
3.1 施工准备
（1）打桩设备：本工程采用水上打桩作业。打桩设备为：打桩船两艘，把杆起吊高度25~30m；300t级运桩船两艘；用于导向板焊接、围檩安装及水上交通的小型平头船两只；45kw振动打桩锤2副，60kw和90kw振动锤各一付。（2）钢板桩：投入钢板桩总量为1420t，钢板桩进场检查整理，发现缺陷随时调整，钢板桩运输和堆放时要尽量不使其弯曲变形，避免碰撞，尤其不能将连接锁口碰坏。打桩前钢板桩锁口宜涂以黄油或其它油脂，易于贯入。
3.2施工程序框图（见图-2）
3.3 钢板桩施打
钢板桩打入法有单根打入法和屏风打入法。本工程钢板桩围堰两端接木桩围堰，板桩自身无需合龙，故采用单根打入法。这种施工方法速度快，可一次性将单根桩打入设计高程。施工时先打桩的定位，每隔10米打一根定位桩，桩顶高程4.0m，定位桩之间焊槽钢连接。定位桩作为钢板桩施打过程中导向装置及高程控制标志。钢板桩施打时须测量定位，铅垂度控制在1%以内为宜。
3.4 围堰填筑及维护
钢板桩堰内粘土填筑采用水上抛填法，驳船运土，抓斗船卸土，粘土抛入水中自然沉降、饱和并固结，形成粘土心墙。为避免河道过往船只对围堰的碰撞，除设置安全警示标志外，在围堰迎水侧按3m间距打设防护木桩，中间采用横木连接并挂防撞轮胎。施工期间每天对围堰进行巡视，定期变形监测，发现异常情况及时处理。
4 钢板桩围堰施工中的问题及对策
4.1 钢板桩向前进方向倾斜
由于钢板桩连接锁口处的阻力大于板桩周围的土体阻力，从而形成了一个不均衡力使板桩向
前进方向倾斜。施打中可采用钢丝绳将板桩反向拉住后再打桩，当倾斜大于2%时，可施打楔形钢板桩（异型桩）达到纠偏目的。
4.2 施工中桩的扭转
由于桩的结构形状及锁口铰接式连接，抗扭曲性能较差，施打时易引起桩身的扭转。控制扭转主要措施有：（1）设置卡板对自由侧锁口进行限位；（2）采用楔形木枕楔紧桩身进行固定。
4.3 桩的相互带动
施工中，当遇到地层变化或不明障碍物时，板桩阻力增加，并带动相邻板桩。其处理措施有：（1）把相邻板桩焊牢在围檩上；（2）数根板桩用型钢连在一起；（3）在连接口上涂以黄油等油脂，以减少阻力；（4）分次将板桩打到设计高程，采用屏风法施打。
4.4 水上拔桩困难
当水上拔桩困难时，可考虑采用旱地履带吊振动式拔桩锤方式拔桩。
5 结语
无锡仙蠡桥钢板桩围堰在设计上进行的安全性计算和施工中所采取的相应措施在实践中得到了验证，满足工程在安全、质量及进度上的要，可供类似工程参考借鉴。
参 考 文 献
[1] 《桥梁施工专项技术手册》 人民交通出版社
[2] 《土力学地基基础（第4版）》清华大学出版社
作者简介
杨谦贤，男，工程师，现供职于中国葛洲坝集团无锡仙蠡桥水利枢纽工程施工项目部 。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。