鋼板樁圍堰在深水基礎(chǔ)施工中的探討

萬延陽

(上海申元巖土工程有限公司,上海 200011)

隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施的大力投入,公路和鐵路建設(shè)得到高速發(fā)展,而我國江河湖泊眾多,水系發(fā)達,跨越大江大河越來越多的采用橋梁工程。橋梁工程的基礎(chǔ)往往設(shè)置在深水中,而在深水中修建基礎(chǔ)具有施工難度大、安全風險高、施工周期長等特點。因此,合理的深水基礎(chǔ)施工技術(shù)在橋梁建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平,深水基礎(chǔ)施工一般采用防水的圍堰形式。

1 圍堰的分類

圍堰根據(jù)材料和布置形式的不同,可分為土石圍堰、鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、雙壁圍堰：①土石圍堰：成本低,但適用水深一般不超過4m,施工范圍大,影響防洪排澇；②鋼套箱圍堰、雙壁圍堰：適用水深較深,河床覆蓋層較薄(下臥密實的大漂石或巖層)的深水基礎(chǔ),但造價高、施工難度大、工期長；③鋼板樁圍堰：適用水深相對較深；結(jié)合內(nèi)支撐,安全度高；可回收重復(fù)利用、造價經(jīng)濟；施工便利,工期短。

鋼板樁圍堰較其他圍堰優(yōu)勢顯著,使用的地域范圍也越來越廣。部分地區(qū)基于傳統(tǒng)的施工經(jīng)驗,該類圍堰適用的深度范圍仍控制在10m左右,影響了鋼板樁圍堰的進一步發(fā)展。下文通過對已有項目的理論分析,結(jié)合現(xiàn)場實施效果,闡述鋼板樁圍堰在更深的深水基礎(chǔ)施工中的可行性。

2 鋼板樁圍堰案例一

2.1 項目概況

西南某跨湖特大型橋梁下設(shè)三座主橋墩,均位于深水區(qū),橋墩承臺平面尺寸30.6m×13.6m,承臺面標高+20.0m,承臺厚4.5m,封底混凝土厚2.5m,封底混凝土底標高+13.0m。

2.2 地質(zhì)概況

水面按施工高水位+30.0m考慮,水深10m,下覆土層如下：

土層厚度(m)重度(kN/m3)粘聚力(Kpa)內(nèi)摩擦角(度)粘土318.415.317.7粘土420.251.620.1細砂5203.028.0圓礫1020.5030.0

2.3 鋼板樁圍堰概況

采用小止口拉森NSP-IVw鋼板樁,樁頂標高+30.5m,樁長24m,材質(zhì)為SY295。圍堰內(nèi)部設(shè)置四道鋼支撐,為增加圍堰的安全可靠性,一～四道鋼支撐、鋼圍檁的材料與尺寸均一致,即鋼圍檁為2H700×300×13×24型鋼雙拼,鋼支撐為,609×16鋼管,鋼支撐材質(zhì)均為Q235b。

2.4 施工方式

采用安全度較高的濕挖,即先施工鋼板樁、第一道鋼支撐,然后再進行水下吸泥及水下澆筑封底混凝土,待封底混凝土達到一定設(shè)計強度后,逐層抽水并架設(shè)鋼支撐。

2.5 理論計算

(1)利用MIDAS/Civil空間有限元計算軟件對鋼板樁圍堰在不同施工工況下進行受力分析。

①有限元模型。鋼板樁按照每延米的慣性矩等效為矩形截面的鋼板,用4點板單元模擬；圍檁、水平鋼管對撐、斜撐按照梁單元模擬,圍堰內(nèi)的封底混凝土則采用實體單元模擬。

圖3.1 鋼板樁圍堰有限元模型

②鋼板樁強度驗算。在各工況計算過程中,鋼板樁最大彎矩標準值為317KN.m,即對應(yīng)最大應(yīng)力設(shè)計值為σmax=161Mpa<鋼板樁的容許應(yīng)力[σ]=236Mpa。

圖3.2 鋼板樁最大彎矩云圖

③鋼板樁剛度驗算。在各工況計算過程中,鋼板樁最大變形dmax=25.2mm<鋼板樁的容許變形[d]=24m/400=60mm。

圖3.3 鋼板樁最大變形云圖

④鋼圍檁、鋼支撐驗算。根據(jù)計算,鋼圍檁最大應(yīng)力標準值為34.5Mpa,即最大應(yīng)力設(shè)計值為σmax=47.5Mpa<鋼圍檁的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa；鋼支撐最大應(yīng)力標準值為106Mpa,即最大應(yīng)力設(shè)計值為σmax=146Mpa<鋼支撐的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa。

圖3.4 鋼圍檁應(yīng)力云圖

圖3.5 鋼支撐應(yīng)力云圖

(2)利用理正深基坑計算軟件分析按最不利的干法施工工況下鋼板樁圍堰的受力。計算時不考慮下部已封底混凝土的支撐作用,直接分層抽水,逐道施工鋼支撐,直至施工至封底混凝土底標高,其中封底混凝土按第五道支撐進行考慮,具體計算結(jié)果詳見圖3.6。

圖3.6 鋼板樁內(nèi)力位移包絡(luò)圖

①鋼板樁強度驗算。鋼板樁最大彎矩標準值為275.3KN.m,即對應(yīng)最大應(yīng)力設(shè)計值為σmax=101.9Mpa<鋼板樁的容許應(yīng)力[σ]=236Mpa。

②鋼板樁剛度驗算。鋼板樁最大變形d=27.22mm<鋼板樁的容許變形[d]=24m/400=60mm。

③鋼圍檁、鋼支撐驗算。根據(jù)鋼支撐平面計算,鋼圍檁最大應(yīng)力設(shè)計值為σmax=56.3Mpa<鋼圍檁的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa；鋼支撐最大應(yīng)力設(shè)計值為σmax=150Mpa<鋼支撐的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa。

通過以上兩種計算方法的理論分析,鋼板樁圍堰在施工過程中均能滿足受力要求,方案可行。

2.6 現(xiàn)場實施的效果

三座主橋墩施工順利,未出現(xiàn)異常情況。在施工過程中,鋼板樁、鋼支撐、鋼圍檁等應(yīng)力均在可控范圍,且實測值普遍小于設(shè)計值。

本項目原圍堰方案采用雙壁圍堰,考慮到工期緊張、施工難度大,經(jīng)與設(shè)計單位溝通后,調(diào)整為鋼板樁圍堰。在最終成本結(jié)算時,鋼板樁圍堰為建設(shè)單位節(jié)省成本約45%,工期提前2個月。

3 鋼板樁圍堰案例二

3.1 項目概況

西北某跨河大橋設(shè)四座主橋墩,均位于深水區(qū),橋墩承臺平面尺寸36m×25m,承臺面標高+308m,承臺厚5m,封底混凝土厚3m,封底混凝土底標高+300m。

3.2 地質(zhì)概況

水面按施工高水位+319考慮,水深12m,下覆土層分別為2m厚砂土及15m厚卵石。

3.3 鋼板樁圍堰概況

采用小止口拉森NSP-IVw鋼板樁,樁頂標高+320.5m,樁長24m,材質(zhì)為SY295。圍堰內(nèi)部設(shè)置四道鋼支撐,一～四道鋼支撐材料與尺寸均一致,即,609×16鋼管,鋼支撐材質(zhì)均為Q235b。一、二道鋼圍檁為2H700×300×13×24型鋼雙拼,三、四道鋼圍檁為3H700×300×13×24型鋼三拼。

考慮到基礎(chǔ)埋設(shè)過深,同時水深超過10m,鋼板樁剛度有限,故采用組合型鋼板樁,即在圍堰外側(cè)每根鋼板樁上焊接一根等長度、同材質(zhì)的H700×300×13×24型鋼,由此大大增加鋼板樁圍堰的剛度。

3.4 施工方式

采用安全度較高的濕挖。

3.5 理論計算

同上文,采用MIDAS/Civil空間有限元計算軟件及理正深基坑計算軟甲對鋼板樁圍堰系統(tǒng)進行驗算分析,均滿足要求,理論可行,具體計算在此不再詳細敘述。

3.6 現(xiàn)場實施的效果

在施工過程中,鋼板樁、鋼支撐、鋼圍檁等應(yīng)力均在可控范圍內(nèi),且實測值同樣普遍小于設(shè)計值。

由于河床下臥卵石層,鋼板樁在初期打設(shè)較為困難,工效低、鋼板樁下部損壞嚴重。經(jīng)對鋼板樁打設(shè)工藝的改進,即在鋼板樁下部設(shè)置高壓水槍,后續(xù)施工較為順利。同時為臨近鋼板樁圍堰項目提供了重要的施工經(jīng)驗。

鋼板樁本身剛度有限,在超過常規(guī)深度的深水基礎(chǔ)應(yīng)用中需采取加強措施。本項目自高水面至封底混凝土底近19m,通過鋼板樁組合H型鋼,有效提高了鋼板樁圍堰的剛度。

本項目原圍堰方案采用鋼套箱圍堰,也是基于工期、施工及造價等諸多因素,將圍堰方案調(diào)整為鋼板樁圍堰。本項目在最終成本結(jié)算時,鋼板樁圍堰為建設(shè)單位節(jié)省成本約35%,工期提前3個月。

4 結(jié)束語

鋼板樁圍堰施工簡單、可回收、綠色環(huán)保、造價經(jīng)濟,在越來越多的項目中被采用。本文通過案例分析鋼板樁圍堰不僅適用于一般深度的深水基礎(chǔ),在更深的深水基礎(chǔ)中也可采用。鋼板樁圍堰隨著鋼板樁的發(fā)展,適用的范圍會更加廣泛。

(1)中國地域廣闊,各地區(qū)地層差異較大,鋼板樁圍堰使用的前提首先要滿足地質(zhì)條件。隨著鋼板樁工藝的提高,受于地層的約束也將越來越少。

(2)隨著國家科技水平的提高,鋼鐵制造工藝能力的提升,相應(yīng)在不遠的將來,高強度的鋼板樁也會越來越多的被應(yīng)用到實際工程中。

(3)目前市面上,各種組合型鋼板樁的出現(xiàn),在保證鋼板樁本身優(yōu)勢的前提下,將鋼板樁的剛度大幅提升,使用范圍擴大。

(4)目前鋼板樁圍堰的理論計算尚有待進一步完善,尤其是關(guān)于風荷載、波浪荷載及流水荷載的考慮。設(shè)計時需綜合分析MIDAS/Civil空間有限元計算軟件與理正深基坑計算軟件的計算結(jié)果,保證足夠的安全系數(shù)。

(5)施工隊伍的技術(shù)水平對鋼板樁圍堰的施工質(zhì)量至關(guān)重要,因此在選擇專業(yè)隊伍時,不應(yīng)僅僅本著價格最低的原則進行選擇,應(yīng)選擇信譽好,專業(yè)化程度高的隊伍。