鋼板樁圍堰施工設(shè)計在某黃河特大橋中的應用

陳維英

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院, 陜西渭南 714000)

1 工程概況

某黃河特大橋位于寧夏青銅峽—石嘴山河段上游,橋址區(qū)位于銀川平原中黃河的一、二級階地及河漫灘,河面寬約800 m,主河槽水深8～14 m,流速2.0～2.5 m/s,屬非穩(wěn)定分汊型河段與游蕩型的過渡段；其中63～70號墩均位于黃河河道中,63號墩位于東側(cè)主河道中,64～69號墩位于河床沖積漫灘上,70號墩位于西側(cè)主河道中。深水承臺基礎(chǔ)采用鋼板樁圍堰圍護結(jié)構(gòu)形式施工。

2 鋼板樁圍堰設(shè)計

2.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)沖擊漫灘墩鋼板樁圍堰

64～69號墩位于黃河沖擊漫灘上,承臺平面尺寸為14.6 m×14.6 m,底高程為1 099.06 m,采用砂土筑島鋼板樁圍堰。鋼板樁圍堰采用長18 m,寬0.4 m的ISP-Ⅳ鋼板樁,圍堰平面尺寸為16.8 m×16.8 m。鋼板樁頂高程1 112.05 m,底高程1 094.05 m,采用不排水開挖,設(shè)置2 m厚水下混凝土封底,封底混凝土底面高程1 097.06 m。圍堰內(nèi)共設(shè)置五道圍囹,每層間隔2.5 m,采用2I45b工字鋼制成,每層圍囹內(nèi)側(cè)設(shè)計8榀2I45b 工字鋼斜支撐。

(2)水中墩鋼板樁圍堰方案

63號、70號墩位于主河槽中,承臺平面尺寸為14.6 m×14.6 m,底高程1 099.06 m,鋼圍堰平面尺寸設(shè)計為17.6 m×17.6 m,采用24 m長鋼板樁,入封底混凝土深度9.81 m,承臺底至水面鋼板樁長12.49 m。鋼板樁內(nèi)共設(shè)四層圍囹,每層圍囹采用2I45b工字鋼制成,頂層圍囹間隔3.49 m,其余每層間隔3 m,內(nèi)側(cè)采用8榀2I45b工字鋼斜支撐。

2.2 鋼板樁圍堰設(shè)計計算

(1)施工工況

鋼板樁圍堰所受荷載主要包括靜水壓力、動水壓力、水浮力、主動土壓力、被動土壓力等,圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計過程按下列工況對其進行結(jié)構(gòu)計算。

工況一：圍堰第一層圍囹安裝完,局部沖刷完成,不排水開挖至封底混凝土底高程時,動水壓力作用下圍堰穩(wěn)定性計算。

工況二：封底混凝土等強后,基坑內(nèi)排水完畢,圍堰中鋼板樁及圍囹等強度及鋼度計算。

工況三：封底混凝土等強后,基坑內(nèi)排水完畢,圍堰抗浮計算。

工況四：封底混凝土等強后,基坑內(nèi)排水完畢,封底混凝土厚度計算。

(2)工況計算結(jié)果

②工況二：自承臺底至水面鋼板樁長12.49 m,為保證抽水后鋼板樁安全,基坑支撐的施工與基坑內(nèi)水位的下降按“先支撐后降水,分層支撐分層降水”的原則進行。

鋼板樁受力計算：取單塊0.4 m寬鋼板樁計算。動水壓力產(chǎn)生的線荷載q1=0.9 kN/m，靜水壓力產(chǎn)生的線荷載q2=50 kN/m。采用清華大學SM Solver 進行結(jié)構(gòu)計算分析,鋼板樁最大彎矩Mmax=39.52 kN·m,σmax=110 MPa<[σ]=200 MPa,最大剪力τmax=8 MPa<[τ]=106 MPa,fmax=2.6 mm<7.5 mm,滿足要求。最底層考慮混凝土封底作為支撐,支點反力F=155 kN,σ=F/A=0.32 MPa<75%Ra=10.9 MPa,混凝土合格。

八字內(nèi)支撐受力計算：最底層斜撐受力最大,采用2根I45b工字鋼制成,工字鋼主要受軸力N=1 454 kN,自重q=0.874 kN/m,λ=μl0/i=61,查穩(wěn)定系數(shù)表得出ψ=0.842,則σ=N/A+M/Wx=82 MPa<ψ[σ]=135 MPa,壓桿穩(wěn)定性合格。經(jīng)過焊縫計算hf=8 mm,合格。

③工況三：圍堰封底后,整個圍堰受到被排水的向上浮力作用,應驗算其抗浮系數(shù)K。

K=G/F>1

式中：G為鋼板樁重量(含內(nèi)支撐)+封底混凝土自重+樁基混凝土重量之和+樁基側(cè)摩阻力,F=γV=38 689 kN,16根φ150 cm樁基混凝土重量,G樁=40 700 kN,由G樁>F,得G>F,即K>1,則圍堰穩(wěn)定性滿足要求。

④工況四：水下封底混凝土承受的荷載應按施工中最不利的情況考慮,即在圍堰封底以后,圍堰內(nèi)的水被排干,封底素混凝土將受到可能產(chǎn)生的向上水壓力的作用,以此荷載(即為水頭高度減去封底混凝土的重量)作為計算值。采用2 m厚C25混凝土封底,取4 m寬計算,水面至承臺底的高度h=1 111.55-1 099.06=12.49 m,混凝土主要受靜水壓力及自重,線荷載q=433 kN/m,混凝土彈性模量E=2.55×104MPa。采用清華大學SM Solver進行結(jié)構(gòu)計算分析,Mmax=591 kN·m,ft·max=0.62 MPa

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 施工準備

鋼板樁運到工地后,詳細對其檢查、丈量、分類、編號,鎖口損壞或樁身有彎曲、扭曲等缺陷,采用冷彎、熱敲(溫度不超過800～1 000 ℃)、焊補、鉚補、割除、接長等方法加以整修。

鋼板樁圍堰采用DZ120振動錘插打,振動錘是打拔鋼板樁的關(guān)鍵設(shè)備,在打拔前應進行專門檢查,確保線路暢通,功能正常。振動錘的電壓一般在380～420 V。

3.2 導向裝置安裝

利用現(xiàn)場鋼管樁或鋼護筒作為定位樁,再在定位樁上焊接型鋼牛腿,支撐導向工字鋼,用該導向工字鋼來保證打出的鋼板樁在一條直線上,同時導向架上設(shè)置一個限位框架,限位口大小比鋼板樁鎖口邊放大1 cm。插打時鋼板樁背緊靠導向架,邊插打邊將吊鉤緩慢下放。同時在互相垂直的兩個方向用線錘觀測,以確保鋼板樁不傾斜。然后以第一根鋼板樁為基準,再對稱插打鋼板樁。

3.3 鋼板樁合龍及合龍調(diào)整措施

(1)鋼板樁合龍

鋼板樁即將合龍時,測量并精確計算出鋼板樁底部的直線距離,再根據(jù)鋼板樁的寬度,算出所需鋼板樁的片數(shù),按此確定下一步鋼板樁如何插打：是增加鋼板樁,還是鋼板樁插打時向外繞圓弧。

(2)合龍調(diào)整措施

鋼板樁圍堰合龍施工是最關(guān)鍵的一步,直接關(guān)系到圍堰能否成功,對此,鋼板樁圍堰在合龍施工過程中需要注意以下處理措施：

①為方便合龍,特別將合龍?zhí)幍膬善瑯对O(shè)置為一高一低,當出現(xiàn)上小下大的情況時,用兩個走四滑車組向兩邊拉開,直到合龍樁兩邊樁頂?shù)木嚯x等于鋼板樁寬度為止。在接近平行時,再將合龍樁插人,打到設(shè)計高程。

②鋼板樁合龍位置要選擇在角樁附近,一般離角樁4～5片,如果有誤差,可調(diào)整合龍邊相鄰一邊離導向架的距離。為了防止合龍?zhí)巸善瑯恫辉谝粋€平面內(nèi),一定要調(diào)整好角樁方向,讓其一面鎖口與對面的鋼板樁鎖口盡量保持平行。

3.4 鋼板樁插打施工

(1)鋼板樁插打施工技術(shù)要求

插打順序一般從上游側(cè)開始,然后逐步向兩邊插打,在下游側(cè)進行合龍,最初的一、二塊鋼板樁的打設(shè)位置和方向要確保精度,以起到導向的作用。每完成3 m對鋼板樁測量校正1次,確保所打鋼板樁在同一直線上。每根鋼板樁施打完畢后,即與導向型鋼進行焊接牢固。

在插打過程中,鋼板樁下端有土擠壓,鋼板樁鎖口之間縫隙較大,上端會產(chǎn)生向遠離第一根鋼板樁的方向傾斜。因此,每打四五根鋼板樁就要用垂球吊線,將鋼板樁的傾斜度控制在1%以內(nèi),超過限定的傾斜度應予糾偏。當鋼板樁偏移太多時,只能采用多次糾偏的方法逐步減少偏移量,若因土質(zhì)太硬糾編困難時,可采用走四滑輪組進行拽拉糾偏。

(2)鋼板樁打插工藝

采用50T履帶式吊機及25T輔助吊機配合施工,輔助吊機停在距離打樁點約4 m,側(cè)向施工,便于起重操作人員觀察。掛上振動錘,升高,理順油管及電纜。

用輔助吊機將鋼板樁吊放就位,并焊接型鋼卡子,然后履帶吊起吊樁錘,松開液壓口。

對準樁與定位樁的鎖口,錘下降,靠錘與樁自重壓樁至淤泥以下一定深度不能下降為止。

試開打樁錘30 s左右,停止振動,利用樁錘慣性打樁至堅實土層,開動振動錘打樁下降,控制打樁錘下降的速度,過程中使樁保持豎直,以便鎖口能順利咬合,提高止水能力。

鋼板樁至設(shè)計高度前30 cm時,停止振動,振動錘因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定時間,打樁至設(shè)計高度。

松開液壓夾口,錘上升,打第二根樁,以上類推至打完所有樁。打樁前一般應在鎖口內(nèi)涂以黃油、鋸末等混合物,在打完鋼板樁后,開始進行鋼板樁圍堰內(nèi)的止水處理。

4 圍堰內(nèi)支撐安裝

內(nèi)支撐采用I45b工字鋼進行組合焊接而成,其設(shè)置除了考慮受力外,還應考慮承臺及墩身方便施工。基坑內(nèi)支撐的施工與坑內(nèi)水位的下降按“先支撐后封底,然后再分層支撐分層降水”的原則進行抽水,過程中應嚴格控制抽水速度和降水高度,當抽水達到預定的深度后,應及時加支撐防護。

5 圍堰拆除

圍堰拆除原則為：先將基坑內(nèi)積水排除完畢,回填基坑并夯實,然后將圍囹型鋼八字斜撐及牛腿割除,再拆除邊梁型鋼。型鋼圍囹全部拆除完畢，最后拔出所有鋼板樁。

6 鋼板樁圍堰施工遇到的問題及安全措施

(1)鋼板樁斷樁或開叉

本橋63號墩圍堰水下封底后在降水過程中發(fā)現(xiàn)鋼板樁在封底面鎖口開叉,降水失敗,采取的的處理措施是：潛水員下潛探明鋼板樁開叉位置及大小,在圍堰外側(cè)包打鋼板樁,兩層鋼板樁間回填黏土密實,在開叉鋼板樁內(nèi)外進行高壓旋噴樁施工,起到堵漏防涌砂的目的。

(2)圍堰基底涌砂

由于圍堰范圍內(nèi)局部有淤質(zhì)黏土及粉細砂層液化嚴重,本橋64號墩鋼板樁圍堰在吸泥過程中出現(xiàn)泉涌,圍堰一角整體下沉1.2 m,造成內(nèi)支撐變形,圍堰外土體下塌。對此采取的主要措施為：在鋼板樁下層范圍(東北角)包打24片鋼板樁,在圍堰底板及兩層鋼板樁之間進行高壓注漿,固結(jié)底板下細粉砂層及淤質(zhì)黏土。

7 結(jié)束語

實踐證明,鋼板樁圍堰具有施工進度快、更安全、占地空間小等優(yōu)點,這對于水深較大、流急、淤泥或粉細砂等軟基工程使用較為有利,也為今后類似工程的施工提供一個探索與解決問題的思路。

[1]張會洲,陳玉鑫,李恩宏.鋼板樁圍堰設(shè)計與施工[J].黑龍江水專學報,2006(2)

[2]王君堂,郜滿珍.鋼板樁圍堰設(shè)計與施工[J].山西建筑,2007(4)

[3]魏愛軍.鋼板圍堰施工技術(shù)[J].北方交通,2008(1)