深水墩鋼板樁圍堰設計與施工技術

干昌洪 何 偉

1 工程概況

京滬高速鐵路土建工程一標段天津特大橋C段在DK119+450～DK119+650處橫跨子牙河,交角74°。子牙河為海河水系五大河之一,橋位上游約3 km設有西門閘,調節子牙河的水量,跨越此段河道為不通航河道。共有四個橋墩位于子牙河河道內,河道水深3 m～7 m,C51墩、C52墩位于河道中,常水位到承臺底水深在12 m左右,水中墩的承臺底均在河床線以下3 m～5 m左右。橋位處的地質情況為淤泥、粉土、粉質黏土、黏土、砂層。橋墩基礎均為鉆孔樁樁基,樁徑100 cm,每個橋墩樁基根數12根,樁長48 m。低樁雙層承臺,承臺底尺寸8 m×11 m,橋梁墩身為雙線單圓柱橋墩,雙線流線形圓端實體墩,墩高12.5 m。梁體為預制架設32 m簡支箱梁。

2 鋼板樁圍堰的設計

天津特大橋C段C51號,C52號橋址位于子牙河中,水面標高+0.10 m,平均水深在5 m左右。承臺尺寸8 m×11 m,承臺底標高-9.75 m,-9.65 m,封底混凝土底標高-12 m。計算選用子牙河常水位+0.10 m標高。

2.1 鋼板樁圍堰結構說明

橋墩基礎圍堰采用拉森Ⅳ型鋼板樁,鋼板樁橫橋向寬12.6 m,順橋向長9.6 m,設置3道內支撐,第一道在樁頂往下0.5 m處,第二道距第一道3 m,第三道距第二道3.5 m,如圖1所示。封底混凝土厚2 m,防止坑底涌砂。子牙河水流速較低,圍堰受力按凈水壓力和土壓力計算。一般地,在鋼板樁圍堰設計驗算中,可以對所有的施工工況進行驗算,也可以選擇一種最不利的工況進行驗算。根據筆者的工程經驗,在水流流速較小的情況下,圍堰抽水清底后為最不利的荷載工況,因此,本文以C51號橋墩為例選擇這一工況作為鋼板樁圍堰的設計荷載工況。

2.2 荷載計算

采用彈性支點法計算,選取圍堰最不利一邊(近岸邊)進行計算。

施工步驟如下:1)施打鋼板樁,樁頂設計標高0.50 m;2)安裝頂部整體鋼冠梁;3)圍堰內開挖降水到-3.50 m標高,安裝第一道型鋼圍檁支撐系統;4)圍堰開挖降水到-7.00 m標高,安裝第二道型鋼圍檁支撐系統;5)圍堰開挖降水到封底混凝土標高,并澆筑封底混凝土。

計算結果如下:最大位移變形:S=32.868 mm;最大標準彎矩:M=268.336 kN·m;第一道支撐最大軸力:F=174.04 k N;第二道支撐最大軸力:F=285.56 k N。

鋼板樁強度檢驗:選用拉森Ⅳ型鋼板樁,最小長度18 m,慣性矩38 600 cm4/m,截面彈性模量2 270 cm3/m,鋼材材質SY295;其最大抗彎能力:M′=2 270×295/1 000=669.65 k N·m;安全系數:K=M′/Mmax=669.65/268.336=2.5?1.4(滿足)。圍檁支撐:平面布置如圖2所示。

第一道支撐:圍檁可選用H400×400型鋼單枝,支撐選用H400×400型鋼單枝;第二道支撐:圍檁可選用H350×350型鋼雙拼,支撐選用H400×400型鋼單枝;經計算,C51號和C52號橋墩用最少18 m拉森Ⅳ型鋼板樁,外加一道頂冠梁和兩道道內支撐即可滿足工程需求,施工中圍護板樁和圍檁支撐系統材料可通用,考慮翻打一次方案。

3 鋼板樁圍堰的施工

子牙河常水位+0.1 m,至承臺底高差為12 m,水中墩的承臺底均在河床線以下3 m～4 m左右。地質情況為:粉質黏土、粉砂、粉質黏土。根據現場調查情況,C51,C52承臺施工采用鋼板樁圍堰,施工中圍護板樁和圍檁支撐系統材料可通用,考慮翻打一次方案,鋼板樁施工導向架及內支撐材料采用型鋼。

3.1 施工方案

鋼板樁圍堰施工時,利用導向架在大于承臺各邊尺寸80 cm的四周外圍,插打鋼板樁形成鋼板樁圍堰,同時為了克服水壓力,在樁頂設鋼冠梁,鋼板樁內設2道內支撐,圍囹和支撐采用型鋼組成的框架式結構,圍堰內需用高壓水槍配合砂石泵清除淤泥或吸泥至封底混凝土底標高處,然后澆筑水下封底混凝土,抽水堵漏,支撐,進入圍堰內進行承臺及墩身施工。

3.2 施工方法及工藝流程

拆除樁基鉆孔平臺,進行施工放樣,確定導向架位置。板樁采用振動打樁機下沉,振動打樁施工速度較快;拔樁時,效果更好;相對沖擊打樁機施工的噪聲小,不易損壞樁頂,操作簡單,無柴油或蒸汽錘施工所產生的煙霧。振動打樁機的原理是將機器產生的垂直振動傳給樁體,減小鋼板樁周圍的阻力,利于樁的貫入。

鋼板樁打入時采用振動打樁法,拔樁采用50 t履帶吊配合振動錘。鋼板樁的施工步驟按以下順序進行:設置導樁框架→清理鋼板樁→插打鋼板樁→設置內支撐→堵漏→吸泥→施工封底混凝土→承臺和墩身施工→拔除鋼板樁。

3.3 鋼板樁質量保證措施

鋼板樁到貨后,應核對鋼板樁的型號是否與設計所采用的型號相符,若不相符合,需對鋼板樁強度和支撐重新進行驗算。鋼板樁進入施工現場前均需檢查整理,只有完整平直的板樁可運入現場。對多次利用的板樁,尤其要強調檢查,使用過的板樁,在拔樁、運輸、堆放過程中,容易受外界因素影響而變形,如不整理,不利于打入。檢查方法可用小平車,在其上放置一塊長1.5 m～2.0 m的標準板樁,從頭至尾沿被檢查板樁走一次,發現缺陷隨時調整,板樁整理后,在運輸和堆放時要盡量不使其彎曲變形,避免碰撞,尤其不能將連續鎖口碰壞。堆放場地應平整堅實,不產生大的沉陷。最下層板樁應墊木塊。不同斷面板樁需分開堆放,每堆板樁間要留出一定通道,便于吊機或運輸車輛的通行。設置導向架確保施工后的板樁軸線,導向架用型鋼,導向梁間的凈距即板樁墻寬度。為保持準確距離,可在導向梁間每隔一定距離嵌一臨時墊木,導向裝置在用完后,可拆出移至下一段繼續使用。

4 結語

結合京滬高速鐵路子牙河段工程實例,本文詳細探討了粉土、黏土、砂層深水墩鋼板樁圍堰的設計與施工技術問題,給出了鋼板樁圍堰的設計方法和施工流程,對施工中的重要技術措施和質量保證措施也予以詳細地說明,可為類似工程的設計與施工提供參考。

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