天津港航工程有限公司天津市300456
摘要：钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧（或冷弯）型钢，靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩墙，用来挡土和挡水；具有高强、轻型、施工快捷、环保、美观、可循环利用等优点。钢板桩结构从使用的角度可分为永久性结构和临时性结构两大类，永久性结构主要应用于码头、船坞坞壁、河道护岸、道路护坡等工程中；临时性结构则多用于高层建筑、桥梁、水利等工程的基础施工中，施工完成后钢板桩可拔除。在国内港口工程中，钢板桩用途主要分为两类，一是代替钢筋混凝土板桩作为码头主体，二是用于海上围护结构，形成干施工场地。在以往工程中，钢板桩用途主要为挡土和挡水，兼具挡浪功能。
关键词：钢板桩防波堤；港口工程；应用；
钢板桩是一种带有锁口、边缘带有联动装置的冷弯型钢，截面包括U形、Z形和Ω形等多种形式。其主要靠相邻的钢板桩锁口相互咬合连接、嵌入土体的弯矩、墙后的主动土压力以及桩体的拉伸作用，形成连续的墙体，起到止水、挡土以及消浪的作用。主要优点有：强度高，自身重量轻，容易打入坚硬土层，形成的连续墙体具有很高的强度和刚性；防水性能好，钢板桩连接处锁口结合紧密，可自然防渗，能按需要组成各种外形的围埝，并可多次重复使用。因此，它的用途广泛。
一、缺点
项目建设工程造价较经济，但缺点也非常突出：第一，码头建成后，须进行围堰拆除工作。围堰护面采用的是大块石及人工块体，且堤脚处设块石护底，大部分都位于水下，这就给拆除工作造成相当大的困难，水下残余的大块石很难逐一清除干净。如果港池水域残留未拆除的大块石，会给进港船舶造成安全隐患。第二，块石拆除过程中，大型施工设备也会使码头前沿土层产生扰动，使该土层物理力学指标发生改变，影响码头结构稳定性。第三，在围堰拐角处，绕射进港池的波浪会产生波能集中，对围堰护面块石的稳定性会产生不可预知的影响。第四，根据平面布置，工程外护岸为斜坡式护岸结构，该外护岸轴线与码头地连墙轴线在航道西侧成一条直线，如果采用传统常规做法，就会造成外护岸与地连墙无法衔接。综上所述，为使围堰结构安全可靠，且拆除方便，不对码头结构造成影响，进行方案调整是必要的。
二、钢板桩防波堤在港口工程中的应用
1．钢板桩的计算。钢板桩支护结构的计算方法很多，包括古典的静力平衡法、等值梁法等，和解析求解的弹性法到弹性地基梁法（平面/空间）、连续介质数值计算方法等。古典的静力平衡法、等值梁法均不考虑墙体及支撑变形，将土压力作为外力施加于支护结构，然后通过求解水平方向合力及支撑点弯矩为零的方程得到结构内力，虽然这些方法未考虑墙体变形及墙体与土的相互作用，但在工程界仍广泛运用，在国内外的板式支护结构、钢板桩结构的计算规范或手册中均有推荐。通过试算确定板桩埋入深度t1，假定埋入深度为t1，然后将净主动土压力和净被动土压力对点取力矩，要求由产生的抵抗力矩大于所产生的倾覆力矩的1.25倍，即抗力分项系数为1.25以上。确定实际所需深度。求入土深度处剪力为零的点，通过试算求出点，该点净主动土压力应等于净被动土压力。
计算最大弯矩，此值应等于点的力矩之差值。选择板桩截面，根据求得的最大弯矩和钢板桩材料的允许应力（钢板桩取钢材屈服应力的1/2），计算板桩的最小横截面积，确定板桩型号。在码头南端与外护岸东端，码头地连墙外边线与外护岸轴线成一条直线，当地连墙施工完成后，外护岸岸坡应绕端点旋转90°，与地连墙墙体相接。按照最初方案，地连墙施工须形成施工场地，就需要围堰后方吹填砂提供，而外护岸为永久结构，堤心为10~100kg块石，而围堰为充填袋装砂结构，须与外护岸结构相接，当码头地连墙施工完毕，拆除围堰后，还需将围堰后方吹填砂挖除，再换填成10~100kg块石。此过程中，很难保证不漏砂，各部位的衔接很难协调，给施工带来极大难度。
2.钢板桩防波堤结构形式。因封闭水域内围堰临时结构取消了护面、护坡措施，须在主航道口门位置增加封堵设施，经设计单位、建设单位以及相关专家反复讨论研究，最终决定采用造价较低的钢板桩防波堤进行封堵，防波堤前后两侧使用围堰堤身进行防护和支撑。待港池内码头施工完成，临时围堰失去防护作用后，将钢板桩拔除。根据设计单位计算结果，防波堤也为临时结构，结构安全等级为III级，结构重要性系数。确定的钢板桩防波堤结构形式如下：钢板桩形式采用进口冷弯U型拉森4w（SP-Ⅳw型），单根桩长度为18m，顶标高4.0m，桩间上部使用钢导梁连接增加联锁作用。单根桩宽度600mm，此种钢板桩满足设计最小截面模量和最小惯性矩的要求。钢板桩上部钢导梁两侧采用36b工字钢，通过M24螺栓与钢板桩连成一个整体，加强钢板桩的整体性和强度。钢板桩及紧固件材质均为Q345。由于护岸与钢板桩防波堤合拢过程中及钢板桩防波堤与挡砂堤合拢过程中由于泥面处流速增大，可能会造成钢板桩底部泥面处冲刷。为防止冲刷，在钢板桩防波堤两端采取了相应的防护措施，同时与有必要在钢板桩的端头段设置过水通道。钢板桩两侧围堰堤底铺设土工布砂肋软体排，外侧紧贴钢板桩的软体排顶部铺设1m厚充填袋，宽度10m，内侧紧贴钢板桩排顶铺设充填袋至0.0m，宽度6m；两侧充填袋外侧坡比均为1：1.5。钢板桩内侧的围堰充填袋施工至+0.0m，起到增加桩后被动土压力的作用，海侧施工两层充填袋，同时钢板桩两侧的围堰充填袋还起到防止波流对原泥面的冲刷作用。钢板桩与已建京唐港三期挡砂堤衔接处抛填3T扭王字块体，其顶面宽度为6.0m，顶高程为3.5m，内、外侧坡坡比均为1：1.5，西侧与钢板桩东端相接，钢板桩东端向西10m范围内，内侧及外侧均设置充填袋，充填袋在钢板桩两侧结构相同，顶标高为3.5m，宽度为3m，外坡坡比为1：1.5，内侧紧贴钢板桩设置。扭王字块间的缝隙由于具有透水性能，完全能够满足后方大唐电厂取水用量。
3.钢板桩防波堤施工顺序：①铺设土工布砂肋软体排；②打设钢板桩；③钢板桩两侧充填袋施工；④抛填钢板桩东侧3T扭王字块。钢板桩打设过程中，应随时做好监测，确保底部土工布砂肋软体排保持平整；钢板桩应随打随支护，即及时进行两侧充填袋防护和上部钢导梁的安装，并保证充填袋与钢板桩连接紧密。同时，特别注意钢板桩泥面处的冲刷，如冲刷严重，须及时采取修复措施如在泥面上方增加高强度土工格栅等。钢板桩结构主要起到两个作用，一是挡浪作用，使围堰所在区域形成封闭水域；二是挡土作用，避免块石、吹填砂、充填袋及地连墙结构发生相互关系。该结构本身也存在不足，如钢板桩打设过程中主要为水上施工，施工过程须严格做好监测工作，避免延堤流对底部的冲刷；钢板桩与已建建筑物衔接处要设置合龙口结构；围堰及地连墙施工期也要对钢板桩结构做好监测工作，确保期稳定性；施工设备进入封闭水域后，出去比较困难，等等。最终方案与最初方案工程造价基本相同，但与原方案相比，优势明显，主要由于其不足之处相比原方案更好解决，工期更短，安全隐患更少。
采用钢板桩防波堤与内外护岸、砂堤形成全封闭区域，从而减少围堰的断面结构形式是一次大胆创新，不仅减少了工程造价，而且推进了钢板桩在水运工程港口项目中的应用，同时为施工带来了极大的方便，降低了生产成本，在类似的工程项目中可以借鉴。
参考文献：
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