隨著我國經濟的發展和基礎設施建設規模的擴大，深基坑支護技術日益發展和不斷成熟。鎖口鋼管樁圍堰支護以其安全性能好、施工便捷及能適應各種複雜施工環境在工程實踐中的運用越來越廣泛。通過大西鐵路客運專線晉陝黃河特大橋主河槽深水區承臺施工採用鎖口鋼管樁圍堰為例，系統闡述了利用Midas 程序對鎖口鋼管樁圍堰進行結構設計和檢算過程，以及鎖口鋼管樁在本工程中的實際運用效果情況，為今後類似工程條件的深水基坑圍堰設計與檢算提供了借鑑經驗。
1 工程概況
大同至西安客運專線晉陝黃河特大橋跨越黃河，主橋77 號墩位於主河槽深水區內，基礎設計為30 根2. 0 m 的鑽孔樁，有效樁長92 m。鑽孔平臺採用鋼平臺，承臺採用鎖口鋼管樁圍堰施工。黃河河床主要以砂性黃土和粉砂土為主，承臺採用一階形式，底面高程為338. 43 m，結構尺寸為29. 2 m × 24. 0 m × 5. 0 m。根據現場調查提供資料: 鋼平臺高程+ 348. 00 m，20 年一遇洪水位高程+ 347. 32 m，經現場實際測量77 號墩處河床面高程約為338. 68 m。洪水位最大流速1. 93m/s，封底混凝土厚度擬定為2. 0 m，根據承臺底高程則圍堰內開挖至高程+ 336. 43 m。
2 設計情況
2. 1 設計方案比選
根據現場水文地質情況，承臺圍堰施工可採用拉森鋼板樁、雙壁鋼圍堰及鎖口鋼管樁3 種方式，現從技術性和安全性及經濟性上將各自優缺點進行比較。
2. 1. 1 技術性及安全性比較
( 1) 拉森鋼板樁
優點: 截面模量較大，可承受較大的水土壓力，支撐簡單，作業方便施工速度快，工藝簡單安全性較好。缺點: 由於承臺輪廓尺寸大且該處水流速度較大，採用拉森鋼板樁圍堰需設至少2 層內支撐，圍堰開挖及吊運樁頭施工不便，且受洪水和波浪力影響的安全性相對較差，滲水難於控制。
( 2) 雙壁鋼圍堰
優點: 整體剛度大，抗滲性能好。不受施工水位限制，可承受較大的水土壓力，安全性能好。缺點: 鋼材用量大、所需施工場地大，需用大型運輸、起吊設備，下沉工藝複雜，施工週期長。
( 3) 鎖口鋼管樁圍堰
優點: 截面模量、剛度大，具有很強的抗彎能力，支撐簡單方便，具有可靠的結構穩定性和作業方便性，施工速度快，製作、加工、安裝、插打方便靈活，工藝簡單，無需大型設備，結構形式靈活，安全性能好。缺點: 鎖口止水性要求高，管樁下沉時相互擠壓使鎖口間產生施工附加力而加大施工難度，相對用料多。
2. 1. 2 經濟性比較
( 1) 拉森鋼板樁
材料市場活躍，回收率高，可租可買，重複使用率高。
( 2) 雙壁鋼圍堰
一次性投入大，回收率低，重複利用率低。
( 3) 鎖口鋼管樁圍堰
設備式投入，可重複利用，經濟、適用。
綜上所述，根據現場實際情況及從安全經濟角度考慮，優先選用鎖口鋼管樁圍堰。
2. 2 鎖口鋼管樁圍堰設計
圍堰頂面高程根據20 年一遇洪水位設計，圍堰頂高程設定為347. 3 + 0. 5 + 0. 2 = + 348. 00 m，鎖口鋼管樁採用形式是管樁219 mm × 10 mm、管樁630 mm ×10 mm、工字鋼I20a 焊接組合，管樁219 mm 割口處理後與工字鋼形成鎖口，單個鎖口鋼管樁各構件連接處採用鋼板進行幫焊，鋼管樁樁長15 m。主墩承臺尺寸29. 2 m × 24. 0 m，由於鎖口鋼管樁施工中自身結構特點以及受力時向內位移，因此圍堰尺寸大小定為32. 5 m × 27. 3 m。圍堰只設置1 層內支撐，內支撐設置位置中心高程+ 347. 32 m，圍檁採用3 根工字鋼並排組成; 內支撐選用630 mm、壁厚10 mm 的鋼管支撐。圍堰平面佈置見圖1、圖2。
圖1 圍堰平面佈置示意( 單位: cm
圖2 圍堰平面細部佈置( 單位: mm)
3 設計原則
鎖口鋼管樁圍堰的設計原則按下述的工作狀態和非工作狀態計算設計。“工作狀態”是指有施工人員在圍堰內，必須保證絕對的安全，設防標準最高。要求各構件應力小於容許值，臨建結構容許應力可提高20%，則Q235 鋼材容許彎曲應力取170 MPa，容許剪切應力取102MPa，軸向容許應力170 MPa; 結構具有足夠的耐疲勞性能; 梁的允許跨中撓度按照桁架選取，為1 /400 的單跨跨徑; 結構上的任何連接不破壞。“非工作狀態”是指由於出現概率較小、荷載值較大，且圍堰停止施工並封閉，因而要求可以相對放寬，允許發生可修復性的破壞，圍堰經簡單的修復後能夠迅速地投入使用。
4 靜力分析
圍堰採用有水開挖、基坑內不排水，開挖時保證基坑內水頭與堰外水頭高度一致，水下澆築封底混凝土後抽水至內部支撐位置處及時安裝內撐，由此可知堰內水全部抽去時是鎖口鋼管樁圍堰結構最不利情況，見圖3。
圖3 圍堰最不利工況示意
4. 1 荷載計算
圍堰外洪水位高程按20 年一遇洪水位+ 347. 32m 計算，承臺底高程+ 338. 43 m，開挖施工中圍堰內不排水並保持圍堰內外水頭高度一致。水壓力荷載分為靜水壓力和動水壓力，靜水壓力作用於圍堰的四周，動水壓力作用於圍堰迎水面，這裡驗算迎水面的鋼管樁受力情況。水流速度1. 93 m/s。
靜水壓力水頭差: 347. 32 － 338. 43 = 8. 89 m；靜水壓力計算公式: p = γh = 10h
靜水壓力荷載在Midas 中模擬時全部作用在630 mm × 10 mm 的鋼管樁上，不考慮工字鋼和219mm × 10 mm 鋼管樁受力的作用，它們只考慮阻水的作用。動水壓力按下式計算:
式中，K 為形狀係數，取1. 5; A 為阻水面積，0. 91× 8. 89 = 8. 09 m2 ; V 為設計水流速度，取1. 93 m/s; γ為河水容重，取10 kN/m3。故動水壓力為22. 6 kN，其作用於水面下1 /3 水深處。
4. 2 圍堰受力分析
根據結構的受力情況，利用Midas 軟件對結構建模計算。1 個鎖口鋼管樁只考慮630 mm 鋼管受力，鎖口鋼管樁、圍檁及內支撐用梁單元模擬，封底混凝土採用實體單元模擬。結構受到靜水壓力和動水壓力，模型及荷載佈置見圖4。
圖4 圍堰結構模型及荷載分佈
圍堰計算結果見表1。
表1 圍堰計算結果
最大位移發生在鋼管樁中部，容許位移值8. 89 /400 = 0. 022 m = 22 mm; Q235 鋼材容許彎曲應力取170 MPa，容許剪切應力取102 MPa，所以上述結果均滿足設計要求。計算結果詳見圖5 ～圖8。
圖5 結構位移
圖6 梁單元組合應力
圖7 內支撐鋼管應力
圖8 實體單元應力
4. 3 封底混凝土的檢算
( 1) 抗浮力計算
封底採用2. 0 m 厚的C20 混凝土，其受到水頭壓力差的作用，洪水期水位高程+ 347. 32 m，開挖基坑底高程+ 336. 43 m，則水頭差h = 10. 89 m。主墩承臺共有30 根2m 樁基，取樁基與封底混凝土的摩阻力τ = 120 kPa。圍堰內部尺寸31. 87m × 26. 87m，其中30 個鋼護筒2. 4 m，則基底淨面積是720. 70 m2。
水浮力: P = γhA = 10 × 10. 89 × 720. 70 =78 484. 23 kN;
封底混凝土自重: G = γV = 23 × 2. 0 × 720. 70 =33 152. 20 kN;
樁基與封底混凝土的摩阻力: F = τS = 120 × 30 ×3. 14 × 2 × 2 = 45 216. 0 kN;
鋼管樁對水浮力穩定作用取下式計算的較小值:
鋼管樁與封底混凝土的摩阻力F = τS = 120 ×( 31. 87 + 26. 87) × 2 = 14 097. 6 kN;
鋼管樁抗拔力F = 132 × 15 × ( 152. 9 + 51. 5 +27. 9 ) /100 + 132 × 3. 4 × 3. 14 × 0. 63 × 20= 22 355. 8 kN;
鎖口鋼管樁數量132 根，鋼管樁與砂土摩阻力取20 kPa，封底混凝土底面下鋼管入土深度3. 4 m，鋼管樁630 mm × 10 mm，單重152. 9 kg /m，鋼管樁219mm × 10 mm，單重51. 5 kg /m，I20a 型鋼單重27. 9kg /m。則抗浮係數:
k = (G + F)/P =（33 152. 20 + 45 216. 0 + 14 097. 6）/78 484. 23 =1.18 ＞1.0，滿足要求。
( 2) 封底混凝土強度檢算
考慮水下混凝土表層質量較差、養護時間短等因素，取C20 水下混凝土容許拉彎應力［σ］= 500 kPa，封底混凝土按均布荷載下的四邊固結雙向簡支板計算，Lx = 3. 2 m，Ly = 3. 2 m( 樁間距為3. 2 m) ，查《路橋施工計算手冊》，當Lx /Ly = 1. 0 時:
Mx = My = 0. 036 8 × qL2 = 0. 036 8 × 108. 9 × 3. 2 ×3. 22 = 131. 32 kN·m
封底混凝土簡支板W = bh2 /6 = 2. 13 m3，
則σ = M/W = 131. 32 /2. 13 = 61. 7 kPa ＜［σ］=500 kN/m2，滿足要求。
圖9 圍堰整體穩定受力簡圖
4. 4 圍堰整體穩定性的檢算( 圖9)
圍堰在靜水壓力作用下，受力是對稱的不會發生傾斜，只有在流水壓力作用下才有可能發生傾斜，如圍堰發生整體傾斜，那麼它的轉動軸就是背水面的圍堰腳趾處，穩定力矩是由鋼管自重G1、混凝土的自重G2、樁與土層的摩擦力G3 的合力與水浮力P 的差值。傾覆力矩是由流水壓力F 產生的。
穩定力矩:
Mo = ( G1 + G2 + G3 － P) L /2 = ( 22 355. 8 + 33152. 20 + 45 216 － 78 484. 23) 27. 3 /2 = 3 × 105 kN·m。
傾覆力矩:
Mr = FD = ( 1. 5 × 8. 89 × 32. 5 × 10 × 1. 932 /20) ×10. 89 × 1 /3 = 2. 2 × 103 kN· m。
式中L———圍堰重心位置到轉動軸的距離;
D———流水壓力作用點到轉動軸的距離。
穩定係數Ka = Mo /Mr = 3 × 105 /2. 2 × 103 = 136，遠遠大於1. 5，所以圍堰整體不存在傾覆的可能。
5 結論
鎖口鋼管樁圍堰的計算首先要明確荷載大小，然後利用Midas 軟件建模計算，使用Midas 結構分析計算軟件能夠極大簡化工作量，並且能夠對空間結構建模模擬，提供整體的分析計算，可以迅速對工程結構的安全性作出結論。
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