京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

景兆德

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,西安 710054；2.北京交通大學(xué),北京 100044)

1 工程簡(jiǎn)介

京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋總長(zhǎng)5.143 km,主橋?yàn)?112+3×168+112) m下承式等高度連續(xù)鋼桁梁(圖1),在中跨設(shè)置加勁拱,桁高16 m,桁寬30 m,節(jié)間14.0 m。主橋墩為0～5號(hào),其中1、2、3、4號(hào)墩各采用28根φ2.5 m鉆孔灌注樁,承臺(tái)厚度6.0 m,平面尺寸42.5 m×23.3 m。0、5號(hào)墩各采用21根φ2.0 m鉆孔灌注樁,承臺(tái)厚度4.5 m,平面尺寸34.6 m×13.8 m。承臺(tái)混凝土為C45。主橋1、2號(hào)墩承臺(tái)位于主河道(常年有水),其他承臺(tái)位于南岸灘地淺灘區(qū)。0號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+33 m(地面高程+33.50 m)、1號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27 m、2號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27 m、3號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27 m(地面高程+30.14 m)、4號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27 m(地面高程+29.91 m)、5號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+30 m(地面高程+30.92 m)。

圖1 濟(jì)南黃河大橋主橋布置(單位：cm)

主橋橋址處河道河流平均流速2.07 m/s,黃河枯水期僅主河槽有水,設(shè)計(jì)施工洪水位30.5 m,河床高程枯水期為+24 m左右,汛期河床高程為+22～+17 m。

2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料,黃河大橋主橋3、4、5號(hào)墩地處黃河南岸河漫灘,地表以下19 m范圍均為富含水的粉土和粉砂層,在其下厚約2 m范圍(高程約+9～+11 m)有一個(gè)硬塑狀黏土層,分布比較完整且均勻。主橋1、2號(hào)墩位于黃河主河道,河床高程+17～24 m,表層覆蓋層主要是松散的粉砂,在+9～+11 m有一個(gè)厚約2 m硬塑狀黏土層。厚約2 m的硬塑狀黏土層在鋼護(hù)筒施打和鉆孔樁施工過(guò)程均得到了確認(rèn),取出的土樣為黏性非常大的硬塑狀黏土塊。

根據(jù)詳細(xì)的施工調(diào)查,確定了主橋1、2、3、4號(hào)墩承臺(tái)施工采用鋼板樁圍堰方案,0、5號(hào)墩承臺(tái)由于開(kāi)挖深度較淺,采用明挖法開(kāi)挖基坑、過(guò)程防護(hù)。

2.2 方案比選

2.2.1 方案一(長(zhǎng)鋼板樁方案)

主橋基礎(chǔ)鋼板樁圍堰平面為矩形,其內(nèi)口尺寸為46.5 m×28.3 m,鋼板樁單根長(zhǎng)24 m。水中1、2號(hào)墩鋼板樁圍堰底口高程為+7.0 m,頂面高程為+31 m(承臺(tái)頂面高程+27 m,洪水位高程+30.5 m),灘地3、4號(hào)墩鋼板樁圍堰底口高程為+6.5 m,頂面高程為+30.5 m。鋼板樁圍堰采用德國(guó)拉森Ⅳ型鋼板樁,由單層鋼板樁和3層由鋼管和型鋼組成的內(nèi)撐梁組成,鋼板樁內(nèi)支撐圈梁為I56組合結(jié)構(gòu),內(nèi)支撐為φ630 mm鋼管。岸上鋼板樁圍堰采用50 t履帶吊配合液壓振動(dòng)錘施工、水中鋼板樁圍堰采用水中平臺(tái)40 t龍門吊機(jī)、20 t浮吊配合液壓振動(dòng)錘施工。岸上圍堰內(nèi)開(kāi)挖清淤采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)開(kāi)挖和高壓射水吸泥法配合進(jìn)行,水中圍堰內(nèi)清淤采用高壓射水吸泥法。考慮到鋼板樁下口深入到+9～+11 m硬塑狀黏土層以下,鋼板樁圍堰內(nèi)在清淤完成后可以不進(jìn)行水下封底,而是直接抽干圍堰內(nèi)的水,再澆筑20 cm厚混凝土墊層,然后割除鋼護(hù)筒、鑿除樁頭,進(jìn)行承臺(tái)施工。

方案優(yōu)點(diǎn)：鋼板樁圍堰不封底,降低了大面積封底混凝土施工的風(fēng)險(xiǎn)和施工投入,減少了圍堰清淤深度,節(jié)約了大量的封底混凝土。同時(shí)圍堰內(nèi)開(kāi)挖、清淤、混凝土墊層施工均在干處進(jìn)行,提高了施工效率,加快了施工進(jìn)度。

方案缺點(diǎn)：鋼板樁長(zhǎng)度增加了6 m,增加了鋼板樁的投入。

2.2.2 方案二(短鋼板樁方案)

采用長(zhǎng)18 m的鋼板樁,其他同方案一。考慮到鋼板樁圍堰位于較為松散的粉砂層內(nèi),鋼板樁圍堰內(nèi)在清淤完成后要進(jìn)行水下封底,封底混凝土強(qiáng)度滿足后抽干圍堰內(nèi)的水,割除鋼護(hù)筒、鑿除樁頭,進(jìn)行承臺(tái)施工。

方案優(yōu)點(diǎn)：鋼板樁減少了6 m,降低了鋼板樁的投入。

方案缺點(diǎn)：要進(jìn)行水下混凝土封底,增加了圍堰內(nèi)水中開(kāi)挖和清淤的施工難度,降低了施工效率。大面積、大方量封底混凝土施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)很高,大量的封底混凝土增加施工的不確定性和施工成本。

2.2.3 方案選用

經(jīng)過(guò)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和方案比選,確定采用方案一。從施工技術(shù)和安全可靠性方面考慮,如果按照方案一施工不能抽干圍堰內(nèi)的水,還可以按照方案二施工,不存在太大的風(fēng)險(xiǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,方案一施工成本較方案二要低很多,成功實(shí)施就意味著大量的成本節(jié)約。

2.3 水中鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)驗(yàn)算

水中1、2號(hào)墩鋼板樁圍堰平面為矩形,其內(nèi)口尺寸為46.5 m×28.3 m,鋼板樁單根長(zhǎng)24 m。鋼板樁圍堰底口高程為+7.0 m,頂面高程為+31 m。如圖2、圖3所示。鋼板樁施打完成后,安裝第1層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu),然后抽水吸泥至第2層內(nèi)支撐以下50 cm后安裝第2層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu),繼續(xù)抽水吸泥至第3層內(nèi)支撐以下50 cm后安裝第3層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu),內(nèi)支撐體系安裝完成后抽水吸泥至承臺(tái)底面以下20 cm,澆筑混凝土墊層后進(jìn)行承臺(tái)施工。

圖2 鋼板樁圍堰立面(單位：cm)

圖3 鋼板樁圍堰平面(單位：cm)

2.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)主河道內(nèi)主要為軟塑的粉質(zhì)黏土、黏土,土體力學(xué)性能如下。

土體容重r=18.5 kN/m3,土粒容重r1=16.97 kN/m3,土體內(nèi)摩擦角φ=20°，土體總應(yīng)力黏結(jié)力Cu=12.16 kPa。

(2)鋼板樁力學(xué)性能

鋼板樁采用Ⅳ型拉森樁,質(zhì)量75 kg/m,每1 m寬截面模量W=2 037 cm3,允許應(yīng)力為[σ]=210 MPa。

(3)型鋼力學(xué)性能

[σ]=145 MPa,[τ]=85 MPa。

2.3.2 圍堰基底設(shè)計(jì)驗(yàn)算

(1)抗基底翻起計(jì)算

基底開(kāi)挖較深時(shí),當(dāng)鋼板樁背后的土柱重力超過(guò)基底底面以下地基土的承載力時(shí),地基的平衡狀態(tài)受到破壞,在軟基條件可能發(fā)生基底翻起。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工鋼管樁、鋼護(hù)筒施打以及鉆孔過(guò)程中取樣驗(yàn)證,在鋼板樁下口深入到+9～+11 m硬塑狀黏土層，非常堅(jiān)硬且不透水,考慮其作用,基底土體是穩(wěn)定的。

(2)基底土體管涌(穩(wěn)定性檢算)

如圖4所示,鋼板樁圍堰內(nèi)抽水后水頭差為h,由此引起的水滲流,其最短流程為緊靠板樁的(h1+t)+t,故在此流程中,水對(duì)土粒滲透的力,其方向應(yīng)是垂直向上?，F(xiàn)近似地以此流程的滲流來(lái)檢算坑底的涌沙問(wèn)題,要求垂直向上的滲透力不超過(guò)土在水中的密度,故安全條件如公式所示

Ksiρw≤ρb

式中Ks——安全系數(shù),取1.4；

ρw——水的容重；

ρb——水的浮容重。

圖4 鋼板樁圍堰抗?jié)B流示意

2.3.3 鋼板樁、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算

通過(guò)計(jì)算確定鋼板樁圍堰內(nèi)支撐采用3層并確定間距,對(duì)鋼板樁及圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)按照計(jì)算模型分工況分別計(jì)算后滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求,計(jì)算略。在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系中增加了豎向和水平聯(lián)結(jié),增加了整體穩(wěn)定性。

2.4 灘地鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)驗(yàn)算

灘地鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)和水中鋼板樁圍堰類似,按照水中鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算均能滿足要求,驗(yàn)算略。

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 水中鋼板樁圍堰施工

主橋水中墩鉆孔樁施工完成后,拆除鋼板樁頂部范圍內(nèi)的鋼平臺(tái),給鋼板樁打設(shè)留出作業(yè)空間,平臺(tái)剩余部分可作為鋼板樁臨時(shí)存放場(chǎng)地。鋼板樁施打采用履帶吊或平臺(tái)上的龍門吊配合液壓振動(dòng)錘進(jìn)行。一邊打設(shè)一邊拆除平臺(tái)。鋼板樁圍堰施工工藝流程如下：鉆孔樁施工完畢，拆除圍堰范圍內(nèi)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)→鋼板樁進(jìn)場(chǎng)、校正、檢驗(yàn)、施工準(zhǔn)備、機(jī)械進(jìn)場(chǎng)→鋼板樁定位→插打鋼板樁→圍堰合龍、相鄰鋼板樁之間進(jìn)行點(diǎn)焊連接→圍堰內(nèi)清淤→安裝第1層內(nèi)支撐→安裝第2層內(nèi)支撐→安裝第3層內(nèi)支撐→清淤至設(shè)計(jì)高程封底混凝土施工→準(zhǔn)備承臺(tái)施工。

3.1.1 施工準(zhǔn)備

鋼板樁運(yùn)到工地后,需進(jìn)行整理。清除鎖口內(nèi)雜物,對(duì)于檢查出來(lái)的缺陷部位須校正后再用標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁進(jìn)行檢查直到合格。對(duì)于樁身殘缺、不整齊等都要做全面的檢查,并采取相應(yīng)措施,以確保正常使用。施工前鋼板樁應(yīng)進(jìn)行鎖口潤(rùn)滑及并進(jìn)行防滲處理。

3.1.2 鋼板樁的插打

插打工作從上游開(kāi)始,在下游合龍,減小了黃河水流沖刷的影響。首先在原有鉆孔鋼護(hù)筒上焊接牛腿,借助牛腿制作導(dǎo)向架,這樣既保證了鋼板樁在水中定位準(zhǔn)確,打設(shè)順直,同時(shí)節(jié)省了制作導(dǎo)向架的成本,節(jié)約了工期。平臺(tái)外圍不利于起吊設(shè)備作業(yè),所以鋼板樁打設(shè)在平臺(tái)上進(jìn)行。打設(shè)時(shí)平臺(tái)少部分拆除,利用平臺(tái)龍門吊機(jī)與履帶吊機(jī)相互配合進(jìn)行。

3.1.2.1 鋼板樁傾斜預(yù)防措施

插打鋼板樁前,除在鎖口內(nèi)涂以潤(rùn)滑油以減少鎖口的摩阻力外,同時(shí)在未插套的鎖口下端打入鐵楔或硬木楔,防止沉入時(shí)泥沙堵塞鎖口。設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)糾正鋼板樁的傾斜。

3.1.2.2 鋼板樁鎖口漏水預(yù)防措施

鋼板樁由于插打不當(dāng)致使鎖口發(fā)生變形,出現(xiàn)滲透。其補(bǔ)救措施是在漏水鎖口處的圍堰外側(cè)采用細(xì)砂和鋸末的混合物堵塞漏水。由于水的側(cè)壓力,會(huì)促使鋸末堵住漏水。

3.1.2.3 導(dǎo)向圍囹的安裝措施

為防止圍堰的變形,要求將導(dǎo)向工字鋼圍囹與鋼板樁之間的間隙全部用型鋼焊接支撐連接,圍堰的4個(gè)角進(jìn)行加強(qiáng)。

3.1.2.4 反向牛腿安裝

為防止鋼板樁受力過(guò)大后產(chǎn)生上拱,帶動(dòng)圍囹朝上滑移,在導(dǎo)向工字鋼圍囹上側(cè)設(shè)置反向牛腿加以固定。

3.1.2.5 鋼板樁的合龍

鋼板樁圍堰在合龍時(shí),兩側(cè)鎖口往往不盡平行,可在鋼板樁頂端使用千斤頂互頂或采用倒鏈向外側(cè)張拉調(diào)整至所需間距,然后施打合龍鋼板樁。實(shí)際施工中由于水流影響或其他原因,采用上述措施鋼板樁仍無(wú)法合龍時(shí),可以制作異形鋼板樁進(jìn)行合龍。

主橋1、2、3、4四個(gè)鋼板樁圍堰施工中采取了有效的措施,在合龍時(shí)都能利用倒鏈和千斤頂順利調(diào)整到位,沒(méi)有采用異性鋼板樁就成功進(jìn)行了合龍。主要措施：一是在鋼板樁施打前對(duì)每個(gè)鋼板樁進(jìn)行檢查和矯正,確保每個(gè)鋼板樁順直無(wú)變形；二是在施打過(guò)程中在導(dǎo)向架上安裝有縱橫向雙向固定和調(diào)節(jié)卡具,保證每個(gè)鋼板樁在施打完成后都保持豎直且位置基本準(zhǔn)確；三是在鋼板樁圍堰合龍口還剩余十多根鋼板樁時(shí),在每根鋼板樁施打前后都測(cè)量合龍口兩側(cè)鋼板樁的間距并和理論間距比較,適時(shí)進(jìn)行調(diào)整,直至最后一根鋼板樁,確保了合龍尺寸。

3.1.3 圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)安裝

1、2號(hào)主墩圍堰施工時(shí)水位較低,第1道內(nèi)支撐在鋼板樁施打時(shí)作為導(dǎo)向圍囹同步進(jìn)行了安裝,安裝完第1道圍囹后需要及時(shí)清淤吸泥,到達(dá)一定高程后安裝第2道內(nèi)支撐。待第2道內(nèi)支撐安裝完成后繼續(xù)清淤吸泥,然后安裝第3道內(nèi)圍囹及內(nèi)支撐,并同步安裝所有支撐間的豎向、橫向聯(lián)結(jié)系。水中鋼板樁圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)汽車從加工場(chǎng)運(yùn)輸至平臺(tái)側(cè)的棧橋上,利用龍門吊機(jī)安裝到位。

3.1.4 圍堰內(nèi)吸泥清淤

根據(jù)鋼板樁圍堰內(nèi)土層的特點(diǎn),圍堰內(nèi)清淤工作采用高壓水槍配合吸泥機(jī)進(jìn)行。水中鋼板樁圍堰高壓射水吸泥均在干處進(jìn)行,隨著圍堰內(nèi)土體的不斷清理,鋼板樁圍堰四周接縫有局部滲水,通過(guò)在外側(cè)拋灑砂和鋸末的拌和物都能基本封堵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)吸泥過(guò)程的觀測(cè),從吸泥開(kāi)始到結(jié)束,隨著圍堰內(nèi)土體面不斷下降,從圍堰底面滲流的水不斷增多,但土體很穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)分析,確定+9～+11 m硬塑狀黏土層起到了關(guān)鍵作用,方案和預(yù)想的非常吻合,實(shí)施很成功。而圍堰底面滲流的水可以斷定是圍堰外2 m硬塑狀黏土層以上透水粉砂層經(jīng)鋼板樁間縫隙滲入圍堰內(nèi)。

每個(gè)圍堰內(nèi)約有4 500 m3粉砂土體,按照一個(gè)圍堰內(nèi)3～4臺(tái)吸泥機(jī), 6把高壓水槍,20個(gè)操作人員的配置, 水中1號(hào)墩累計(jì)經(jīng)過(guò)11 d全部吸泥清淤至設(shè)計(jì)位置,2號(hào)墩累計(jì)經(jīng)過(guò)9 d全部吸泥清淤到設(shè)計(jì)位置,為承臺(tái)的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.1.5 圍堰基底墊層施工

鋼板樁圍堰內(nèi)吸泥清淤至設(shè)計(jì)高程后,在圍堰4個(gè)角埋設(shè)4個(gè)鋼管積水井,利用汽車泵澆筑20 cm厚混凝土墊層。

3.2 灘地鋼板樁圍堰施工

灘地3、4號(hào)墩鋼板樁圍堰施工條件較水中好,采用50 t履帶吊進(jìn)行鋼板樁施打,施工過(guò)程和水中1、2號(hào)墩類似。高壓射水吸泥還是在干處進(jìn)行,沒(méi)有進(jìn)行水下混凝土封底施工,整個(gè)施工過(guò)程比水中效果還好,按照方案順利實(shí)施。

4 結(jié)語(yǔ)

黃河大橋主橋鋼板樁圍堰平面尺寸超大、圍堰很深,在國(guó)內(nèi)鋼板樁圍堰施工中罕見(jiàn),設(shè)計(jì)施工中采取了加長(zhǎng)鋼板樁入土深度,在每個(gè)內(nèi)支撐端部增加八字形撐架,豎向每層撐間增加空間桁架,每層內(nèi)支撐與鋼板樁間設(shè)上下限位牛腿等許多有力措施,整體穩(wěn)定性得到了保障。方案合理利用粉砂層中2 m厚硬塑性黏土不透水夾層,將鋼板樁深入夾層以下,在工藝上取消了水下吸泥清淤和水下混凝土封底,消除了水下封底施工的難度和風(fēng)險(xiǎn),減小了施工中的不確定性,降低了施工成本,節(jié)約了施工工期。

京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋主體工程已基本完成,工程實(shí)踐證明,在黃河下游和類似地質(zhì)地區(qū)水中橋梁基礎(chǔ)施工中，采用不進(jìn)行水下混凝土封底的鋼板樁圍堰,施工方便快捷、安全可靠并節(jié)約成本,取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,也為類似工程的基礎(chǔ)施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2]余志成,施文華.深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[3]劉自明.橋梁深水基礎(chǔ)[M].北京：人民交通出版社,2003.

[4]錢家歡.土力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社,1988.

[5]歐陽(yáng)效勇,任回興,徐 偉.橋梁深水樁基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2006.

[6]韓躍國(guó)，陳永勇，皮海波.永修大橋主墩鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(5).