陡河2號特大橋陡河水庫段鋼板樁圍堰設計

馮樂平

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建福州 350014)

1 概況

1.1 概述

新建津秦鐵路客運專線陡河2號特大橋起點里程DK153+ 902.6，終點里程DK163+917.24，中心里程DK158+909.92，線路主要在唐山市灤縣境內，線路全長10 015 m。其中DK156+140～DK156+477段線路經過唐山市陡河水庫，DK158+610～DK158+ 690段經過唐山市陡河水庫支管灣河，均為水源二級保護區。

水中墩為69號～79號、143號～144號計12個，均為低樁承臺鉆孔樁基礎，承臺最大厚度為3.5 m。

1.2 工程條件

水庫蓄水變化-2 m～+4.5 m，其中每月中期為高水位，最高水位為+4.5 m。水中段上覆砂礫層、卵石土層，下伏花崗閃長巖，地質較穩定但滲流較大。

1.3 方案選擇

目前，圍堰主要有以下幾種:土石圍堰、木質圍堰、鋼板樁圍堰、混凝土圍堰、鋼套箱圍堰以及鋼—混凝土組合結構圍堰。針對橋墩處承臺埋深低、水位高的特點，土石圍堰、木質圍堰不適合使用。混凝土圍堰自重大、不便于吊裝或浮運且較不經濟，混凝土圍堰方案難以實施。鋼套箱圍堰以及鋼—混凝土組合結構圍堰施工工藝復雜，組拼、下沉工期長且不經濟，也不適合使用。由于河床覆蓋層厚、基巖面低，承臺底距基巖面均在20 m以上。根據現場的地質情況和技術經濟比較，采取施工簡單、快捷、成本較低的鋼板樁圍堰。

2 鋼板樁圍堰設計

2.1 主要設計原則

1)根據施工水位、承臺底標高和水壓力、土壓力大小情況，確定鋼板樁類型與樁長;2)圍堰頂面應高出施工期間最高水位0.5 m～0.7 m;3)圍堰內面積應滿足基礎施工空間(主要由基礎尺寸決定)的要求。

2.2 設計思路

常規思路是鋼板樁打設完成，邊開挖、降水邊安裝內支撐。考慮到橋墩處地質為透水層、滲流較大，未水下封底進行降水施工難以實現。同時根據蓄水特點，可先封底后趁低水位安裝最下層內支撐，從而實現承臺一次澆筑施工。因此設計思路為:鋼板樁打設合龍→低水位安裝第一、二道內支撐→鋼板樁設置連通孔→不排水開挖至封底混凝土底面標高→水下封底混凝土施工→最低水位安裝第三道內支撐。

2.3 設計結構分析

以陡河2號特大橋陡河水庫河段69號墩為例，其他墩臺類似。采取結構力學求解器檢算鋼板樁及內支撐強度，Midas6.7.1有限元檢算封底混凝土強度。

2.3.1 設計資料

1)施工水位:高水位+4.5 m，一般低水位-0.5 m，最低水位-2.0 m;2)承臺底標高為:-7.5 m;3)地質情況:礫砂:-2.0 m～-13.0 m，深11 m，γ=1.95 t/m3，φ=30°;4)承臺尺寸:16.7 m× 12.2 m×4 m;5)鋼板樁圍堰平面尺寸:18.8 m×14.0 m，鋼板樁長18 m，鋼板樁頂標高+5.0 m，底標高-13.0 m;6)鉆孔樁: 12φ2.0 m;7)鋼板樁:德國拉森Ⅳ，寬40 cm，W=2 370 cm3/m;8)型鋼:A3，［σ］=170 MPa，［σw］=180 MPa;9)封底混凝土:強度C20，厚2.0 m，彎曲壓應力［σw］=7 MPa，彎曲拉應力［σwl］= 0.4 MPa，粘結力［c］=0.67 MPa。

2.3.2 設計圖

平面圖見圖1，立面圖見圖2。

圖1 鋼板樁平面圖（單位：cm）

2.3.3 強度及穩定性檢算

1)物理力學指標。

根據《陡河2號特大橋工程地質勘察報告》砂礫層物理力學指標:

圖2 鋼板樁立面圖（單位：cm）

2)檢算工況。

a.工況一:利用鋼護筒設置導向架打設鋼板樁。

因為內外覆蓋層及水位相平，鋼板樁荷載相等，不需檢算。

b.工況二:鋼板樁施打合龍，在低水位安裝第一、二道內支撐后，鋼板樁在標高0 m處設置連通孔保持內外水位相平開挖或抽沙至封底混凝土底標高處，即-9.5 m。立面圖見圖3。

圖3 工況二立面圖（單位：m）

鋼板樁外荷載:

鋼板樁內荷載:

求得D1=3.2 m(L=0.5+0.8+3.5+9.7+3.2=17.7 m＜18 m)。

鋼板樁強度:

c.工況三:封底施工完成后，待封底混凝土強度達到設計強度后，待退到低水位時，放置8臺抽水泵同時抽水至-3.6 m標高處，即第三道內支撐以下0.8 m處。立面圖見圖4。

圖4 工況三立面圖（單位：m）

已經封底，穩定性免計算。

鋼板樁強度:

σ=31.2×105/2 037=1 532 kg/cm2＜2 600 kg/cm2(安全)。

d.工況四:第三道內支撐安裝完成，封堵連通孔和鋼板樁堵水，抽水至封底混凝土頂面，進行承臺施工。立面圖見圖5。

已經封底，穩定性免計算。

鋼板樁強度:

圖5 工況四立面圖（單位：m）

2.3.4 基底抗隆起檢算

封底前，鋼板樁內外水位始終相平，h1=0。

得j=0。

K=γ浮/j→無窮大，基底不會隆起。

2.3.5 抗浮檢算

作用于封底混凝土底面的上浮力:

封底混凝土與鋼護筒間的粘結力，［c］=6.7 kg/cm2。

2.3.6 內支撐選用

1)內支撐反力。第一道內支撐:q1=9.9 t/m;第二道內支撐: q2=53.48 t/m;第三道內支撐:q3=48.82 t/m。

2)計算模型見圖6。

圖6 計算模型

3)計算內力表格見表1。

表1 計算內力表

4)內支撐選用。a.第一道內支撐:支撐梁采用工字鋼2Ⅰ36a，支撐桿采用φ530×9 mm螺旋焊管。b.第二、三道內支撐:支撐梁采用焊接工字鋼2Ⅰ450(400×16/400×25)，支撐桿采用φ630×10 mm螺旋焊管。c.計算應力表格見表2。

表2 計算應力表 MPa

2.3.7 封底混凝土檢算

1)邊界條件。鋼板樁位置為砂礫層，較干凈，見圖7。而且進行封底混凝土施工前封底混凝土段鋼板樁與鋼護筒潛水員用鋼絲刷清理干凈。封底混凝土與鋼護筒、鋼板樁內側連接可似為固結。

圖7 邊界條件立面圖

2)封底混凝土底面水壓。

3)計算結果。封底混凝土最大彎拉應力σWL=20.2 t/m2= 0.202 MPa＜［σwL］=0.4 MPa(安全)。

3 結語

陡河2號特大橋陡河水庫河段鋼板樁設計方案是結合蓄水水位標高、河床標高、河床地質等多種因素決定的。經實踐證明合理可行、極大的發揮了鋼板樁圍堰的優勢，希望能為今后同類型橋梁基礎施工提供有益借鑒。

［1］ 中鐵三院工程集團有限責任公司.陡河2號特大橋設計圖(B段)［Z］.2008.

［2］ 中鐵三院工程集團有限責任公司.陡河2號特大橋工程地質勘察報告［R］.2007.

［3］ 孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［4］ GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.