拉森Ⅵ型鋼板樁在深水橋梁基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

李 群

(滬杭鐵路客運(yùn)專線股份有限公司，上海 200237)

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路、鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的公路或鐵路橋梁需要穿越河流或海灣，為此也涌現(xiàn)了越來(lái)越多的深水基礎(chǔ)施工。在深水基礎(chǔ)施工中，如何構(gòu)筑合理的水下作業(yè)空間并選用合適的維護(hù)結(jié)構(gòu)形式，是關(guān)系到工程成敗和安全的決定性因素。鋼板樁具有強(qiáng)度高、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)，并能按需要組成各種外形的圍堰，可多次重復(fù)使用，所以鋼板樁已廣泛應(yīng)用于深水基礎(chǔ)的施工中。與傳統(tǒng)的雙壁鋼圍堰、鋼套箱等相比，鋼板樁圍堰具有施工周期短、成本低及質(zhì)量易于控制的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為目前深水基礎(chǔ)圍堰最主要的結(jié)構(gòu)形式。例如，位于杭州市秋濤路的京江橋輔道橋，施工中圍堰三側(cè)臨水面采用單排9m［32b@40鋼板樁，內(nèi)側(cè)采用長(zhǎng)12m的拉森Ⅳ型鋼板樁，成功地將水中鉆孔灌注樁和承臺(tái)施工改變?yōu)殛懮鲜┕ぃ?］;淮安市通甫路大橋主橋墩深基坑采用拉森鋼板樁支護(hù)施工，圍堰施工時(shí)先卸載掉1m高度的土方以減少土壓力，再布置鋼板樁，達(dá)到良好的效果［2］;京滬高鐵澮河特大橋995號(hào)和996號(hào)墩均筑島鉆孔成樁，采用鋼板樁圍堰(平面尺寸25.6m×16m、長(zhǎng)15m的拉森Ⅳ型鋼板樁)施工承臺(tái)［3］。上述情況表明，鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)在深水基礎(chǔ)工程的施工和安全性方面則正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

本文結(jié)合滬杭客運(yùn)專線跨橫潦涇河特大橋121號(hào)深水橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)的施工，介紹了拉森Ⅵ型鋼板樁在橋墩基礎(chǔ)圍堰施工中的應(yīng)用，對(duì)鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)選型、穩(wěn)定驗(yàn)算、方案實(shí)施以及質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了論述，闡述了拉森鋼板樁在深水橋梁基礎(chǔ)工程施工中應(yīng)用的合理性和有效性，從而為今后其他同類大型深水基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

滬杭客運(yùn)專線跨橫潦涇連續(xù)梁橋位于上海市松江區(qū)，全長(zhǎng)421.5m，設(shè)計(jì)為75m+135m+135m+75m的4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，以62°交角斜跨橫潦涇河，如圖1所示。

大橋121號(hào)墩為水中墩，位于河道中央，將原河道分成上行、下行兩航道。墩基礎(chǔ)為16根直徑2.0m的鉆孔樁，樁長(zhǎng)121.5m;承臺(tái)為埋入式，底高程 -15.254m，平面尺寸19.75m×19.75m，厚度4.5m;承臺(tái)上設(shè)墩座，平面尺寸14.0m×14.0m，厚度2.5m，橋墩為7m直徑圓形墩，墩高21.5m。

圖1 跨橫潦涇連續(xù)梁橋橋式

1.2 水文地質(zhì)

橫潦涇是黃浦江支流，為感潮河道，2009年6～7月間的實(shí)測(cè)水位-0.1～+1.2m，橋位處平均潮差1.0～1.5m，平均漲潮歷時(shí)4 h 15 min，落潮歷時(shí)8 h 10 min，流速1.1m/s左右。根據(jù)對(duì)橋位下游米市渡2009年7～10月份預(yù)測(cè)潮汐表分析，在8～10月份常高潮位約為+1.42m;據(jù)當(dāng)?shù)胤从常?dāng)天文大潮、連日暴雨及大風(fēng)天氣同期出現(xiàn)時(shí)，短期內(nèi)最高水位可達(dá) +2.4m。

本工程位于沖積湖平原區(qū)，上部為第四系全新統(tǒng)黏性土及粉土、粉砂層，厚約20～50m，其下為上更新統(tǒng)黏性土及粉細(xì)砂層;橋位內(nèi)的褶曲、斷裂等構(gòu)造均隱伏于深厚層第四系地層以下的基巖內(nèi)，對(duì)工程無(wú)重大影響，無(wú)不良地質(zhì)作用。121號(hào)墩位處河床實(shí)測(cè)高程-11.4～-11.8m。

2 鋼板樁圍堰方案設(shè)計(jì)

2.1 施工方案選比

水中基礎(chǔ)承臺(tái)開挖支護(hù)一般有鋼板樁圍堰、草袋圍堰、雙壁鋼套箱圍堰、鋼套箱圍堰等形式［4］。目前，如圖2(a)所示雙壁鋼圍堰鉆孔樁基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，尤其是適用于各種河床的河流、湖泊、水庫(kù)的深水基礎(chǔ)的施工中。然而，對(duì)于本橋而言，雙壁鋼圍堰存在著不可忽視的缺點(diǎn)，即施工周期長(zhǎng)、占用水域大，所以在業(yè)主對(duì)工期要求特別嚴(yán)格的情況下，施工不得不另辟蹊徑，尋找突破口，超長(zhǎng)鋼板樁圍堰施工深水基礎(chǔ)就是在這樣的情形下被提出來(lái)的。根據(jù)本工程實(shí)際情況，從安全、經(jīng)濟(jì)與施工方便角度綜合考慮，最終決定將體積龐大的雙壁鋼圍堰優(yōu)化為長(zhǎng)29m拉森Ⅵ鋼板樁單壁圍堰，如圖2(b)所示。

2.2 圍堰總體方案

121號(hào)墩承臺(tái)采用鋼板樁圍堰法施工，鋼板樁在鉆孔樁施工后期開始插打，待鉆孔樁完成、部分平臺(tái)拆除后圍堰合龍;圍堰內(nèi)先取土、清基，再進(jìn)行水下封底;進(jìn)行內(nèi)支撐安裝，最后抽水施工承臺(tái);鋼板樁圍堰在墩身施工完畢，墩頂支架布置完成后拆除。

圖2 雙壁鋼圍堰與鋼板樁圍堰方案

常規(guī)施工工序?yàn)橄茹@孔成樁，再布置圍堰［5］，但存在成樁、拆平臺(tái)、圍堰先后施工無(wú)交叉作業(yè)，等待時(shí)間長(zhǎng)的不足。因此，本橋的施工過程中，在鉆孔樁封填一半的同時(shí)，沿承臺(tái)周邊線開始插打圍堰鋼板樁，改流水作業(yè)為平行作業(yè)，在鉆孔樁完成時(shí)，圍堰鋼板樁已插打完成4/5，當(dāng)鉆孔平臺(tái)拆除完成時(shí)，圍堰已順利合龍，搭接施工節(jié)省時(shí)間約25天。

2.3 圍堰結(jié)構(gòu)

鋼板樁圍堰為方形，平面尺寸24.0m×24.0m，高29m，頂高+3.5m，入土14.1m，設(shè)5道內(nèi)支撐，封底厚度2.2m。鋼板樁采用拉森Ⅵ型，內(nèi)支撐圈梁采用H588及 H800型鋼梁，斜撐采用 φ800 mm、φ630 mm鋼管，如圖3、圖4所示。

2.4 鋼板樁及插打設(shè)備

圍堰用鋼板樁為SKSP-SX27型，即拉森Ⅵ型高強(qiáng)度鋼板樁，單根寬度60 cm，如圖5所示，截面參數(shù)見表1。

表1 鋼板樁結(jié)構(gòu)截面參數(shù)

鋼板樁插打設(shè)備為美國(guó)ICE公司的28C-350E液壓振動(dòng)錘，錘寬30 cm，設(shè)備自帶動(dòng)力，由振動(dòng)錘和動(dòng)力站兩大部分組成，最大可提供116 t的擊震力和71 t的拔樁拉力。

圖3 鋼板樁圍堰立面

圖4 第一道支撐平面布置

圖5 鋼板樁斷面

2.5 施工步驟

鋼板樁圍堰的施工步驟如下:

鉆孔樁施工過程中，在靠近承臺(tái)側(cè)定位樁上+2.0m高程處焊接牛腿，安裝第一道支撐作為鋼板樁插打時(shí)的導(dǎo)向。

合理安排鉆孔樁成樁順序，依次插打圍堰3個(gè)側(cè)面的鋼板樁;鉆孔樁施工塊結(jié)束時(shí)拆除部分平臺(tái)，進(jìn)行圍堰內(nèi)部分區(qū)域清基、吸泥工作;圍堰合龍，鉆孔樁施工完成后拆除平臺(tái)，布置封底平臺(tái)，進(jìn)行圍堰封底。

在鋼板樁未測(cè)+2.0m處增設(shè)一道圈梁，拆除第一道內(nèi)支撐圈梁;在原第一道內(nèi)圈梁安裝處拼裝第五道內(nèi)支撐，并下放到位，臨時(shí)吊掛于鋼板樁上;依據(jù)同樣的方式下放第四道內(nèi)支撐，吊掛于鋼板樁上。

(4)待封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，抽水至-2.0m，安裝第二道內(nèi)支撐。

(5)繼續(xù)抽水至-4.9m，安裝第三道內(nèi)支撐。

(6)繼續(xù)抽水至封底混凝土高程，砂漿找平后進(jìn)行承臺(tái)施工。

(7)待承臺(tái)模板拆除后，向鋼板樁與承臺(tái)間內(nèi)回填砂土混合物并在頂部澆筑50 cm厚C30混凝土圈梁，拆除第五道內(nèi)支撐。

(8)施工墩身、墩帽，布置墩頂托架。

(9)向圍堰內(nèi)回填砂土至-7.7m，拆除第四道內(nèi)支撐。

(10)繼續(xù)向圍堰內(nèi)填筑砂至-6.0m，注水至-4.9m拆除第三道內(nèi)支撐。

(11)向圍堰內(nèi)注水至 -2.0m，拆除第二道內(nèi)支撐。

(12)繼續(xù)向圍堰內(nèi)注水至圍堰外水位，拆除第一道內(nèi)支撐。

(13)依次拔出鋼板樁。

3 鋼板樁結(jié)構(gòu)受力檢算

3.1 圍堰結(jié)構(gòu)的受力工況

根據(jù)鋼板樁圍堰施工步驟，將鋼板樁、內(nèi)支撐受力情況按如下工況計(jì)算:

工況1，鋼板樁插打合龍后，水下吸泥、清淤至-17.454m。

工況2，灌注封底混凝土并水下安裝五道內(nèi)支撐后抽水至-1.0m時(shí)。

工況3，抽水至-3.9m時(shí)。

工況4，抽水至-6.7m時(shí)。

工況5，抽水至-9.4m時(shí)。

工況6，圍堰內(nèi)抽光水。

3.2 各工況受力分析

本工程圍堰鋼板樁及內(nèi)支撐計(jì)算根據(jù)上述施工工況，計(jì)算各支撐在各工況可能出現(xiàn)的最大反力和鋼板樁最大內(nèi)力。在計(jì)算時(shí)，各工況下鋼板樁計(jì)算長(zhǎng)度按等值梁法確定，從主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力相等的反彎矩截面(即凈土壓力為零或彎矩為零)截?cái)嘈纬傻戎盗河?jì)算支撐反力和鋼板樁彎矩［5］。

取1m寬度鋼板樁采用MIDAS 2006建立模型進(jìn)行計(jì)算，以工況6為例，鋼板樁及內(nèi)支撐反力計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6及表2所示。

圖5 支撐反力

圖6 鋼板樁彎矩

通過計(jì)算得到鋼板樁Mmax=377.3 kN·m，此時(shí)鋼板樁的應(yīng)力為

表2 鋼板樁和支撐反力計(jì)算結(jié)果匯總

3.3 結(jié)構(gòu)受力檢算

(1)通過以上計(jì)算，水封混凝土方案中封底混凝土厚度、圍堰整體抗浮、鋼板樁入土深度、基坑底土抗隆起驗(yàn)算均能夠滿足規(guī)范要求。

(2)水封混凝土方案中鋼板樁最大組合應(yīng)力為140 MPa，鋼板樁材質(zhì)為Q295，若安全系數(shù)取為1.4，則容許應(yīng)力為210 MPa，滿足要求;若考慮鋼板樁的鎖口部分應(yīng)力折減，則容許應(yīng)力為295/1.2×0.75=184.4 MPa，應(yīng)力偏大。

(3)鋼板樁圍堰共五道圈梁，在最不利工況即工況六(圍堰內(nèi)抽光水)時(shí)，圈梁2HN800×300型鋼應(yīng)力為164.3 MPa，在型鋼上下翼緣板貼10 mm厚鋼板補(bǔ)強(qiáng)后內(nèi)支撐鋼管受力均能滿足要求。

(4)鋼板樁插打完成后，在鋼板樁上焊接支撐牛腿，圈梁及內(nèi)支撐自重由鋼板樁上的支撐牛腿承受，須保證第一道圈梁與鋼板樁之間聯(lián)結(jié)牢固，以防止向圍堰內(nèi)填筑細(xì)砂時(shí)，鋼板樁圍堰頂部變形過大。

4 圍堰受力監(jiān)控方案

4.1 監(jiān)控目的

由于121號(hào)水中墩鋼板樁圍堰較常規(guī)深，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，板樁及內(nèi)支撐受力大小與結(jié)構(gòu)布置、施工等多方因素相關(guān)。為保證鋼板樁圍堰施工過程的安全，有必要在鋼板樁及圍堰內(nèi)支撐上布置應(yīng)力測(cè)試元件來(lái)對(duì)各工況下結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行監(jiān)控，并與計(jì)算受力及允許受力進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)判斷結(jié)構(gòu)受力的安全性。同時(shí)，通過應(yīng)力檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析，也可檢驗(yàn)并完善鋼板樁圍堰的計(jì)算理論。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

為達(dá)到檢測(cè)目的，使收集的數(shù)據(jù)具有代表性，測(cè)點(diǎn)布置的原則是在鋼板樁、內(nèi)支撐上分別布置，能反映鋼板樁全長(zhǎng)的應(yīng)力分布，能反映內(nèi)支撐圈梁、斜撐的應(yīng)力分布情況。

(1)鋼板樁上測(cè)點(diǎn)布置

圍堰內(nèi)共選取2根鋼板樁布置測(cè)點(diǎn)，位于兩個(gè)垂直的圍堰邊的中間段，每根板樁上布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，共18個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖7所示)。在立面布置上，鋼板樁上的測(cè)點(diǎn)順長(zhǎng)度方向布置于第1～5支撐處及支撐跨中部位，以及封底面處，如圖8所示。

(2)內(nèi)支撐上測(cè)點(diǎn)布置

選第3～5道內(nèi)支撐布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖9所示，在第五道圈梁的跨中處布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，第3～5道最外側(cè)斜撐的跨中共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)支撐共布置測(cè)點(diǎn)5個(gè)。

圖7 鋼板樁上應(yīng)變計(jì)平面布置

圖8 鋼板樁上應(yīng)變計(jì)立面布置

圖9 內(nèi)支撐上應(yīng)變計(jì)平面布置

5 質(zhì)量控制

鋼板樁鎖口之間連接是否緊密是鋼板樁圍堰施工中的難點(diǎn)，是關(guān)系到圍堰是否能成功抽水進(jìn)行下道工序的關(guān)鍵因素。為此，須從鋼板樁施工前、插打時(shí)、抽水后等每道工序加以控制:

①鋼板樁在運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，派專人仔細(xì)清理索口間雜物、觀察索口是否變形，對(duì)于索口變形的鋼板樁，應(yīng)調(diào)正后使用。

②在鋼板樁鎖口內(nèi)涂抹黃油混合物油膏(重量配合比為瀝青:黃油:滑石粉:鋸末=4：6：10：1)以防止鋼板樁的漏水。

③鋼板樁在插打時(shí)應(yīng)保證其垂直，防止相互傾斜的鋼板樁之間索口無(wú)法密貼。

④鋼板樁圍堰在抽水后若存在較小的漏水現(xiàn)象，在抽水時(shí)，可以看到哪條縫出現(xiàn)漏水，利用漏水處水壓差降產(chǎn)生吸力的原理，在漏水處鋼板樁上迅速溜下一袋干細(xì)砂或鋸木屑、粉煤灰(煤碴)等填充物，在吸力的作用下，填充物會(huì)被吸入接縫的漏水處，將漏水通道堵塞，有效的減少漏水量。若抽水后漏水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，則將舊棉被或土工布裁剪成3～5 cm的長(zhǎng)條狀，派潛水員將漏水處用棉條從水面堵塞至河床面。

⑤在水下灌筑封底混凝土?xí)r，將混凝土頂面高程降低0.2m，待圍堰內(nèi)水抽干后，在承臺(tái)范圍內(nèi)在補(bǔ)澆0.2m墊層，而在鋼板樁內(nèi)側(cè)做積水坑，防止鋼板樁間輕微的滲水對(duì)承臺(tái)施工的影響。

6 工程實(shí)施效果及評(píng)價(jià)

(1)拉森Ⅵ鋼板樁具有高強(qiáng)輕質(zhì)、止水性好、耐久性強(qiáng)、施工效率高、作業(yè)占用場(chǎng)地小、施工工期短、重復(fù)性好等獨(dú)特性能，在深水基礎(chǔ)工程方面具有廣闊的市場(chǎng)前景，有助于進(jìn)一步推廣使用。

(2)在深水橋梁基礎(chǔ)的施工過程中，在鉆孔樁封填一半的同時(shí)，沿承臺(tái)周邊線開始插打圍堰鋼板樁，改流水作業(yè)為平行作業(yè)，這種創(chuàng)新性的同步作業(yè)，不僅順利成樁，而且在平臺(tái)拆除完時(shí)，圍堰提前合龍，優(yōu)化了工序，節(jié)省了時(shí)間。

(3)本工程鋼板樁深水圍堰從施工完成到拔除未發(fā)生漏水、滲水、流砂、管涌等現(xiàn)象，保證了鉆孔 灌注樁及承臺(tái)的安全施工，說明拉森鋼板樁圍堰在該工程中的應(yīng)用是成功的。再加上其獨(dú)創(chuàng)的安全快速施工技術(shù)的創(chuàng)新理論，節(jié)省常規(guī)工期近一半，滿足了滬杭客專緊張的工期要求，對(duì)今后類似工程施工具有較高的借鑒作用和使用推廣價(jià)值。

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