超長鋼板樁圍堰施工深水低樁承臺技術

周 敏

1 工程概況

廣州—珠海城際軌道交通工程順德水道特大橋全長為4027.53 m,跨越國家Ⅴ級航道——順德水道,該水道寬 450 m,規劃為Ⅲ級航道,最高水位3.684 m,施工常水位1.5 m,流速1.53 m/s,通航凈寬2×60 m,通航凈高10 m。主跨為44.85 m+2×75 m+44.85 m預應力混凝土連續梁,主墩 63號,64號,65號墩高22 m,承臺長18.95 m,寬16.2 m,高 6.5 m,C30混凝土1632 m3,由 12根直徑2 m的鉆孔灌注樁組成,樁長59 m;邊墩62號,66號墩高 30 m,25 m,承臺長13.7 m,寬 13.7 m,高6 m,C30混凝土967 m3,由9根直徑2 m的鉆孔灌注樁組成,樁長44 m,62 m。根據現場實測,主跨處水深在14 m～20.5 m之間,承臺底(除63號外)位于河床面以下 0 m～4 m。河床覆蓋層為軟塑狀淤泥質亞黏土或淤泥質粉砂層,下臥淤泥層,層厚在16 m～27 m 之間,容許承載力[σ]=55 kPa～100 kPa。

2 施工方案的選擇

主跨處水深在14 m～20.5 m之間,由于主橋左側為太澳高速公路大橋(在建),右側為碧桂路西海大橋(既有),相鄰大橋樁基距本橋中心僅14 m～16 m,施工區域狹窄,大型船機不能近位作業,采用雙壁鋼圍堰施工安裝拆除實施困難。鋼板樁圍堰的擋水高度一般不宜超過11 m,若采用鋼板樁圍堰施工,必須強化鋼板樁圍堰的內支撐系統。通過檢算采取鋼圍檁、水平井字撐、豎撐和封底混凝土與鋼板樁相結合的形式,可滿足深水長樁軟基狀況下鋼板樁圍堰的受力、變形、穩定性等方面的要求。

3 鋼板樁圍堰設計

3.1 鋼板樁圍堰結構形式

考慮到鋼板樁圍堰內支撐系統寬度以及工人的施工空間等因素,圍堰平面布置與承臺邊線的距離為1.5 m,主墩 63號,64號,65號鋼板樁圍堰橫橋向 22 m,順橋向19.2 m;邊墩 62號,66號鋼板樁圍堰橫橋向16.7 m,順橋向16.7 m。鋼板樁選用拉森Ⅳ型,樁長30 m,頂面標高 4.0 m,樁底標高-26.0 m,入土深11 m～15.5 m。以64號墩為例,鋼板樁圍堰內支撐系統由鋼圍檁、水平井字撐、豎撐、斜撐和剪刀撐組成,共設5層。鋼圍檁、水平井字撐采用 2Ⅰ56a,水平斜撐采用φ 325×6 mm螺旋鋼管,上下層圍檁之間豎撐采用Ⅰ56a共20道,在第4層與第5層圍檁的豎撐間設Ⅰ40a剪刀撐,其他各層豎撐間設Ⅰ40a斜撐。各層圍檁的高程分別為+2.5 m,-0.5 m,-3.5 m,-6.0 m,-9.2 m。

3.2 鋼板樁圍堰結構體系強度計算分析

計算時取鋼板樁圍堰的頂面標高為+4.0 m,支護的最不利工況為澆筑封底混凝土后并把圍堰內的水抽完,取此工況對結構進行驗算。結構所受的側面壓力在河床以上的范圍內為靜水壓力,在河床以下至封底混凝土底面以上的范圍內為靜水壓力以及主動土壓力之和。主動土壓力根據朗肯土壓力理論來進行計算,主動土壓力系數Ka=tan2(45°-φ/2),圍堰開挖范圍內的土質為淤泥質亞黏土或淤泥質粉砂層,內摩擦角取10°,則:Ka=tan2(45°-10°/2)=0.704,土的飽和容重 r=9.0 kN/m3。計算采用Midas civil 6.1.1,其中鋼板樁圍堰采用板單元模擬,支撐與圍檁采用梁單元模擬。鋼板樁圍堰結構體系計算結果見表1。

表1 鋼板樁圍堰結構體系計算結果

4 承臺鋼板樁圍堰施工

4.1 內支撐系統拼裝牛腿及下放吊架

內支撐系統的拼裝在拼裝牛腿進行,牛腿采用承臺4個角部1號,3號,10號,12號孔樁鋼護筒作支撐,在水面1.0 m以上鋼護筒的縱橫方向割除寬200 mm,高500 mm的4個孔洞,用于抽插Ⅰ45a,縱向、橫向孔洞高低布置,以方便縱向、橫向Ⅰ45a的抽插互不影響,鋼圍檁、水平井字撐、豎撐的安裝在Ⅰ45a牛腿上進行。內支撐系統的下放采用φ 32精軋螺紋鋼筋作吊桿,共設吊點12個,下放時采用150 t穿心千斤頂進行,共需千斤頂6套。千斤頂安置在鋼護筒頂部2根縱向和1根橫向2Ⅰ45a的兩側。

4.2 內支撐系統拼裝及下放

1)鋼圍檁及支撐桿件的加工采用廠制和現場相結合。2)在鋼護筒牛腿上安裝第5層鋼圍檁、水平井字撐、斜撐及第4層豎撐(當河床面不影響時,第 5層豎撐也要安裝,潛水工水下割除影響水平斜撐拼裝的4號,6號,7號,9號鋼護筒),安裝φ 32精軋螺紋鋼和穿心千斤頂。3)同步頂起內支撐系統10 cm,抽出鋼護筒側面的Ⅰ45a牛腿,同步下放第5層鋼圍檁及井字撐至設計位置。4)插入鋼護筒側面的Ⅰ45a牛腿,拼裝第 4層鋼圍檁、井字撐、斜撐及第3層間豎撐。按照步驟3)同步下放第4層鋼圍檁及井字撐至設計位置。5)依次同步下放其他各層鋼圍檁及井字撐至設計位置,固定鋼圍檁于鋼護筒上。6)圍檁下放必須設置牢靠的導向和限位裝置,確保圍檁平面位置和標高的精度滿足要求。豎撐、斜撐的規格、數量嚴格按設計要求安設,底層圍檁的豎撐埋入封底混凝土的深度不小于30 cm。

4.3 鋼板樁插打

1)利用鋼圍檁作為插打鋼板樁的導向控制,先采用浮吊配合液壓壓樁機壓樁,使30 m鋼板樁平穩、均勻下沉至河床,然后采用浮吊配合振動錘打設。按照“逐片插打、垂直控制、逐漸糾偏、調整合龍”的方法進行插打施工。2)鋼板樁插打次序采取從上游面短邊分別向兩側開始插打,合龍口的位置選擇在下游面短邊處合龍。3)對鋼板樁插打全過程進行記錄,掌握鋼板樁的垂直度、入土深度,使其符合設計要求。

4.4 水下挖基

挖基前先安排潛水工摸清基底情況,清理基底下阻礙吸泥的石塊、草袋、麻繩、工具等雜物。吸泥管口距離吸泥面10 cm～50 cm,過低容易堵塞,過高吸泥效果不好,為此應經常上下左右移動吸泥機的位置。挖至最底層豎撐以下20 cm～30 cm時安排潛水工下水安裝底層豎撐(螺栓連接),繼續挖基至設計位置。

4.5 水下封底

采用分倉分層澆筑封底混凝土,整個圍堰共分12個倉。由潛水員將分倉隔板下放至設計位置,用鋼管將其固定在孔樁鋼護筒上。先澆筑兩側六個倉至混凝土面上升1.0 m～1.2 m時停止灌注,將料斗拆下安裝至剩下的中間六個倉,澆筑混凝土上升2.0 m～2.2 m時停止灌注,再將料斗拆下安裝至前六個倉,如此循環直至所有倉內混凝土灌至設計標高。水下混凝土澆筑時預留30 cm,待圍堰基坑抽水后,清理封底混凝土表面泥砂、剔除混凝土面松散部分,按設計標高用混凝土進行二次找平,并向四周順坡,在四個角預留集水坑。

4.6 圍堰抽水

整個抽水過程要嚴密監測鋼圍檁、水平井字撐、豎撐、斜撐和鋼板樁的位移和變形,如果超過設計值要立即停止抽水,待查明原因并對變形位置進行加固處理后方可繼續抽水。

4.7 承臺施工

承臺混凝土分二次澆筑,下層混凝土澆筑完成后,承臺與鋼板樁間空隙回填砂,頂部50 cm范圍用C20混凝土封頂,拆除底層鋼圍檁及水平井字撐,澆筑上層承臺混凝土。

4.8 鋼板樁圍堰拆除

墩身施工完成后,即可將鋼板樁圍堰拆除。拆除時先拔樁,后拆斜撐、水平井字撐、鋼圍檁、豎撐,按照與鋼板樁插打順序相反的次序拔樁。

5 結語

順德水道特大橋因地制宜采用30 m超長鋼板樁圍堰施工深水低樁承臺,先安裝鋼圍檁等內支撐系統,利用鋼圍檁做導向插打鋼板樁,創造了鋼板樁圍堰施工深水基礎的記錄,既加快了施工工期,又保證了工程質量,可為類似工程提供借鑒。

[1]郭鴻強.鋼板樁圍堰在河道深基坑施工中的應用[J].北方交通,2009(9):49-53.

[2]張蓮娜.鋼板樁圍堰在深基坑中的應用[J].山西建筑,2008,34(3):136-137.

[3]彭振斌.深基坑開挖與支護工程設計計算與施工[M].武漢:中國地質大學出版社,1997.