深茂鐵路臺城河特大橋深水基坑鋼板樁圍堰施工技術(shù)

中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151

1 工程概況

新建深圳至茂名鐵路江門至茂名段臺城河特大橋，橋梁全長1941.61m。其中，跨越臺城河為(70+108+70)m后張法三向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁。橋梁在43孔～45孔為(70+108+70)m連續(xù)梁跨越臺城河，43號、44號墩位于水中，臺城河與線路大里程夾角為85°。臺城河為潭江支流，于橋位下游約10km處匯入潭江，河面寬度約為120m，近期觀測低潮水位為-0.13m，高潮水位為1.8m，低潮水位水深約2m，流向為從左至右，受潮汐影響較大，河堤為土質(zhì)河堤，堤頂寬度約為1.5m。原設(shè)計采用雙壁鋼圍堰施工，經(jīng)方案優(yōu)化，采用鋼板樁施工。43號、44號墩位于河道中，其中43號墩中心距河堤41m，44號墩中心距河堤18m。橋墩均為圓端形，墩高13.5m。43號墩處河床底標(biāo)高為-0.97m，承臺底標(biāo)高為-7.708m；44號墩處河床底標(biāo)高為-1.25m，承臺底標(biāo)高為-7.836m。主墩承臺參數(shù)如表1所示。

表1 主墩承臺參數(shù)

2 主墩處地質(zhì)條件

43號墩處河床以下地質(zhì)為淤泥（流塑狀，σ0=40kPa）、粉質(zhì)黏土（軟塑狀，σ0=120kPa）、粗砂（稍密，σ0=200kPa）、砂巖（全風(fēng)化，σ0=200kPa）。44號墩處河床以下地質(zhì)為淤泥（流塑狀，σ0=40kPa）、粉質(zhì)黏土（軟塑狀，σ0=120kPa）、粗砂（稍密，σ0=200kPa）、粉質(zhì)黏土（硬塑，σ0=180kPa）、砂巖（全風(fēng)化，σ0=200kPa）。

3 鋼板樁圍堰設(shè)計與驗算

（1）建立計算模型的依據(jù)。臺城河特大橋43號、44號墩需要搭設(shè)鋼板樁圍堰形成阻水結(jié)構(gòu)進(jìn)行承臺與墩身施工。44號墩處的地質(zhì)條件較差，因此對44號墩處的鋼板樁圍堰進(jìn)行設(shè)計和驗算，然后搭設(shè)鉆孔平臺，在鉆孔灌注樁施工完成后，拆除部分鉆孔平臺，進(jìn)行鋼板樁圍堰施工；在進(jìn)行水下混凝土封底前，采用高壓射水配合吸泥機(jī)清除承臺與封底混凝土范圍內(nèi)的土方；在水下混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，邊抽水邊安裝支撐；利用圍堰計算模型并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在考慮靜水壓力、動水壓力、河床底部土壓力等的基礎(chǔ)上進(jìn)行受力計算。根據(jù)施工順序，混凝土內(nèi)支撐需要考慮封底混凝土的受力情況，驗算鋼板樁的安全性能，對鋼板樁的入土深度、封底混凝土的厚度、支撐的方式等進(jìn)行設(shè)計。選擇長度為18m的鋼板樁，考慮到模板安裝、塔吊板樁圍堰內(nèi)支撐所需空間，承臺右側(cè)加寬2.0m，其他側(cè)加寬1.5m，鋼板樁圍堰內(nèi)尺寸確定為13.6m×19.3m。

（2）確定支撐位置。承臺高4m，封底混凝土頂至承臺頂?shù)闹涡枰ＷC4.5m?？紤]到高水位時，水面至承臺封底混凝土頂約10.5m，圍堰所承受的側(cè)壓力較大，為確保安全，并減少大體積混凝土的水化熱，擬將承臺分2次澆筑，每次澆筑2m，2次混凝土澆筑面按施工縫處理。完成承臺第一次混凝土澆筑后，承臺頂面0.5m以下采用泥土回填，泥土頂面0.5m以下采用C25混凝土回填，回填混凝土與承臺之間采用厚度為1cm的木板隔離。承臺第二次混凝土澆筑完成后，承臺周邊處理同樣采用泥土回填與混凝土澆筑。第一層支撐中心設(shè)在標(biāo)高1.700m處，第二層支撐中心設(shè)在標(biāo)高-1.300m處，第三層支撐中心設(shè)在標(biāo)高-3.200m處。

（3）設(shè)計封底混凝土厚度。在圍堰封底抽水后，封底素混凝土在受到產(chǎn)生的向上最大水壓力的作用下不應(yīng)出現(xiàn)折裂致使圍堰穿孔，即封底混凝土的抗彎性能需滿足要求。封底素混凝土采用C35混凝土，依據(jù)《路橋施工計算手冊》，C35混凝土設(shè)計抗拉強度Rl=1.95MPa，封底混凝土厚度h的計算公式如下：

式中：k為安全系數(shù)，取1.5；M為跨中彎矩的最大值，取211.22kN·m；Rl為混凝土設(shè)計抗拉強度，考慮到工期要求，擬在達(dá)到設(shè)計強度的80%時開始抽水，Rl=1.95×80%=1.56MPa；b為最大彎矩，取7.4m；D為考慮水下混凝土可能與圍堰下泥土摻混的增加厚度，一般取0.3～0.5m，該項目取0.4m。代入式（1）計算，得h=0.948m。根據(jù)計算結(jié)果，參考以往工程的施工經(jīng)驗，設(shè)計封底混凝土的厚度為1.20m。

（4）最不利工況鋼板樁圍堰受力檢算。現(xiàn)場施工最不利工況為完成水下混凝土封底，將圍堰內(nèi)水位降至-3.7m，安裝于第三道支撐前。此時鋼板樁承受靜水壓力、河床底的主動土壓力、流水的動水壓力。鋼板樁圍堰受力如圖1所示。將圍堰內(nèi)外靜水壓力、主動土壓力與被動土壓力簡化，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計算鋼板樁在工況二時的受力圖如圖2所示。最不利工況下鋼板樁結(jié)點反力計算結(jié)果如表2所示，最大彎矩Mmax=357.30kN·m，鋼板樁容許彎應(yīng)力［σ］=180MPa，計算得每延米鋼板樁抗彎模量Mmax/［σ］=1876cm3。根據(jù)《建筑施工計算手冊》，選擇拉森Ⅳ鋼板樁，寬420mm，每延米重74kg，每延米截面矩為2037cm2，每延米面積為303cm2，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2003），鋼板樁的抗剪強度為fv=125MPa，則每延米鋼板樁能承受的剪力為Q=125MPa×303cm2=3787.5kN，遠(yuǎn)大于鋼板樁所承受的豎直力，因此選擇拉森Ⅳ鋼板樁滿足要求。

表2 最不利工況下鋼板樁結(jié)點反力計算

圖1 鋼板樁圍堰受力（單位：cm）

圖2 最不利工況下鋼板樁彎矩圖

根據(jù)《路橋施工計算手冊》，選用2根I40a工字鋼，每延米所需抗彎模量Wx=1090cm3，截面積A=86.1cm2。

內(nèi)支撐選擇2根40a槽鋼對拼滿足要求。對拼槽鋼每側(cè)用25cm寬，1cm厚的鋼板作為綴板組焊，間距100cm。

4 鋼板樁施工

（1）鋼板樁插打及要點。測量人員實測鉆孔平臺預(yù)留的鋼管樁中心坐標(biāo)，在CAD中將實測樁位及鋼板樁圍堰的設(shè)計位置畫出，直接在CAD中測量并標(biāo)示出鋼板樁圍堰與預(yù)留鋼管樁的相對關(guān)系，設(shè)置導(dǎo)向圍囹。鋼板樁插打方法確定為先插合攏后再打的方法。臺城河水流速較慢，采用從上游分兩側(cè)向下游合攏的次序進(jìn)行插打。第一根鋼板樁的樁位與垂直度關(guān)系整個圍堰的鋼板樁的插打，必須嚴(yán)格控制好第一根鋼板樁的垂直度，從兩個相互垂直方向同時控制，確保垂直不偏。鋼板樁起吊前，按要求在鎖口內(nèi)填嵌黃油混合料。利用吊車的兩個吊鉤將鋼板樁從鐵駁上吊起，運用兩個吊鉤起吊和下放，使鋼板樁處于垂直狀態(tài)，脫出小鉤移向安插位置，插入已就位的鋼板樁鎖口中。

（2）鋼板樁圍堰調(diào)整與合攏。當(dāng)鋼板樁上端出現(xiàn)向合攏口傾斜情況時，可采用在鋼板樁頂端使用千斤頂互頂或用2套復(fù)式滑車組向外側(cè)張拉的方式調(diào)整至所需的間距。在鋼板樁兩側(cè)各剩下幾組即將完成合攏時，應(yīng)考慮鋼板樁合攏情況是否需要做調(diào)整。如需調(diào)整，可懸掛鋼板樁，使樁底不落到河床，由專業(yè)潛水員下水安設(shè)復(fù)式滑車組進(jìn)行調(diào)整。在合攏鋼板樁施工時，若出現(xiàn)經(jīng)過調(diào)整的鋼板樁間距不能完全平行，必須施加壓力才能插下，或鋼板樁仍有較大長度不能套入鎖口且不能采用錘擊方法施工的情況，可采用在頂端安裝復(fù)式滑車組的方式將鋼板樁接入鎖口。插樁過程中，應(yīng)做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調(diào)整合攏”。因水流或其他原因，合攏口無法合攏時，可制作異形鋼板樁進(jìn)行合攏。對合攏口進(jìn)行丈量時，丈量位置應(yīng)選擇在各層導(dǎo)環(huán)平面處，用2根小木條頂緊兩邊的鋼板樁并固定好，然后取出水面，量取木條長度，即可測得準(zhǔn)確的合攏口寬度。根據(jù)合攏口的寬度及采用的鎖形式，制作異型鋼板樁，當(dāng)合攏口寬度為40cm左右時，需要制作對扣式異型鋼板樁。

（3）圍堰開挖清基。將圍堰內(nèi)的水位抽至第一層支撐下50cm，安裝好第一層支撐，再將圍堰內(nèi)水位降至第二層支撐下50cm，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行水下清基，然后將圍堰內(nèi)水位回升至與圍堰外水位一致，用吸泥機(jī)進(jìn)行清基，每臺吸泥機(jī)清理面積約為20m2。一個橋墩一般設(shè)置10～12臺吸泥機(jī)，由專人觀察出泥情況，以此決定吸泥機(jī)的升除和移位?？拷摪鍢陡浇^難吸出的泥沙，由潛水工用軟射水管采取0.3～0.5MPa的水壓將泥沙沖向吸泥機(jī)附近吸出。在清基過過程中，應(yīng)及時向圍堰內(nèi)抽水，使堰內(nèi)外水位平衡。圍堰內(nèi)吸泥整平后要進(jìn)行測量，測點分布在與導(dǎo)管的位置大致相同的部位，基底標(biāo)高需要符合設(shè)計要求，局部高低容許偏差為±20cm，鋼板樁上不得粘有泥沙。

（4）圍堰混凝土封底。采用水下混凝土封底方案，封底前利用鉆孔護(hù)筒和鉆孔平臺工字鋼搭設(shè)灌注平臺混凝土封底前，檢查拌和站機(jī)組、混凝土運輸車輛、泵車與浮吊等，確保各種機(jī)械設(shè)備性能狀態(tài)良好。拌和站料倉內(nèi)儲備好充足的材料，并做好試驗檢測工作，對混凝土的運輸?shù)缆愤M(jìn)行檢查平整，確保運輸?shù)缆窌惩?。圍堰?nèi)壁平面尺寸為封底混凝土厚1.2m，單個圍堰封底混凝土方量為255m3，圍堰凈面積為213m2，每根導(dǎo)管有效作用半徑為2.5m，采用2套導(dǎo)管移動封底從圍堰中心向兩側(cè)封底。澆筑水下混凝土的導(dǎo)管密閉不漏水，且澆筑前對料斗進(jìn)行濕潤。根據(jù)計算，每個灌注點的首批混凝土的需求量為3.0m3，導(dǎo)管在每個灌注點首次灌注前，確保導(dǎo)管頂部的料斗必須儲滿料，同時輸送車也應(yīng)儲滿料?；炷翝仓?，導(dǎo)管底懸空高度控制在10～15cm，首盤封底后混凝土埋深不小于0.6m，且每點澆筑前必須根據(jù)實際測量深度確定導(dǎo)管提升高度，確保每個灌注點混凝土澆筑過程中無提空現(xiàn)象。澆筑不得中途停歇，每根導(dǎo)管間歇時間不宜大于20min。澆筑過程對混凝土的流動距離、流動坡度、導(dǎo)管埋入深度、澆筑速度和基坑內(nèi)混凝土面升高等情況隨時進(jìn)行測量，并及時調(diào)整。導(dǎo)管每次提升高度應(yīng)與混凝土澆筑速度相適應(yīng)，采用測錘檢查混凝土的上升高度，以確定導(dǎo)管提升量，保證導(dǎo)管的埋置深度，以及導(dǎo)管內(nèi)混凝土的高度。水下混凝土頂面的澆筑高度應(yīng)按照低于設(shè)計標(biāo)高10cm控制，以便于封底混凝土找平工作。在混凝土澆筑過程中，應(yīng)及時用水泵抽圍堰內(nèi)的水，使圍堰內(nèi)外水位保證平衡。

（5）圍堰抽水堵漏與內(nèi)支撐安裝。封底混凝土強度滿足設(shè)計強度后，即可開始抽水。圍堰抽水按照分段抽水分段支撐，上段支撐安裝好再進(jìn)行下段抽水的原則。為了改善內(nèi)支撐的受力狀況、減少鋼板樁的鎖口變形，要用硬木或鐵片堵塞鋼板樁與導(dǎo)環(huán)之間的所有空隙，水下部分由專業(yè)潛水員進(jìn)行操作。圍堰抽水設(shè)備根據(jù)圍堰的總抽水量準(zhǔn)備，剛開始利用吸泥管抽水，待抽不上時，再將水泵放入圍堰內(nèi)抽水。為保障圍堰安全，防止抽水過程中發(fā)生意外，現(xiàn)場必須配備從堰外向堰內(nèi)灌水的水泵，一旦發(fā)生異常情況，應(yīng)立即向圍堰內(nèi)灌水，及時恢復(fù)圍堰內(nèi)外水壓平衡，經(jīng)檢查處理后再進(jìn)行抽水作業(yè)。在抽水過程中，由專人觀察鋼板樁和內(nèi)支撐情況，并安排專門人員負(fù)責(zé)堵漏。堵漏工作需要在圍堰內(nèi)外同時進(jìn)行，圍堰外用細(xì)煤渣和木屑混合物倒入漏水部分，圍堰內(nèi)由專業(yè)潛水員用棉絮塞縫，也可以用塑料薄膜沿板縫封閉。堵漏工作需要一直進(jìn)行直到墩身出水面為止，防止圍堰外上半部分的粉煤渣被水流及風(fēng)浪沖走。圍堰抽水后，內(nèi)支撐嚴(yán)禁進(jìn)行切割或電焊，桿件拆換要按設(shè)計規(guī)定進(jìn)行，并派專人觀察各層內(nèi)支撐設(shè)置觀測點。

（6）鋼板樁施工防傾斜措施。①在鋼板樁插入施工前，應(yīng)在鎖口內(nèi)涂潤滑油減少鎖口的摩阻力，并在未插套的鎖口下端打入鐵楔或硬木楔，防止出現(xiàn)沉入時泥沙堵塞鎖口的情況。②采用復(fù)式滑車組糾正鋼板樁的傾斜。③在堅實地層插打鋼板樁時，可將樁尖截成一定角度，利用其反力作用使已傾斜的鋼板樁逐步恢復(fù)正常。

5 結(jié)束語

臺城河特大橋主要為跨河連續(xù)梁施工，主墩基礎(chǔ)施工是控制性工程，深水施工難度大，通過優(yōu)化原設(shè)計單壁鋼圍堰，采用拉森鋼板樁圍堰施工技術(shù)，顯著加快了現(xiàn)場施工速度，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。