單排鋼板樁加鋼支撐圍堰技術(shù)在沿河步道貫通工程中的應(yīng)用

周奕琦

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

為了讓人民都能享受到河流帶來的美好生活，還河于民，許多城市在進(jìn)行河流兩岸貫通工程的改造。然而在實(shí)際改造過程中，尤其是大都市里，不免會(huì)遇到河道岸邊有建筑物，岸邊道路無法貫通的情況，形成了整個(gè)河道貫通工程的斷點(diǎn)，嚴(yán)重影響市民的沿河通行感受。[1-3]解決此類問題，緊鄰岸邊設(shè)置人行棧橋，聯(lián)通斷點(diǎn)兩側(cè)人行步道，可避免破拆防汛墻以及影響岸后的建筑物。建造人行棧橋常需設(shè)置圍堰進(jìn)行干施工，如何保證施工過程中圍堰自身的穩(wěn)定以及避免危及現(xiàn)狀河道護(hù)岸，成了方案實(shí)施的關(guān)鍵問題。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

上海某骨干河道步道貫通工程，沿岸某處存在一座建筑物，貫通開放難度較大，形成一處斷點(diǎn)。為了辟通斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)真正貫通，考慮在該座建筑物沿岸建設(shè)一座人行棧道，連接上下游已建成的濱河步道。

棧橋沿河道現(xiàn)狀防汛墻布置，全長約76.8m，寬1.8m；鋼格柵棧道，鋼結(jié)構(gòu)龍骨。濱水步道標(biāo)高3.8m，在東西兩端布置踏步至防汛墻頂標(biāo)高5.2m處，設(shè)置轉(zhuǎn)向平臺；經(jīng)轉(zhuǎn)向平臺跨越防汛墻后，設(shè)置梯道，與現(xiàn)狀濱河步道連通。棧橋下部結(jié)構(gòu)采用樁接蓋梁式的橋墩，即鉆孔灌注樁一樁到頂，樁柱一體，立柱頂部設(shè)蓋梁。橋墩設(shè)置防撞設(shè)施即橋墩附著式安全防護(hù)裝置?；A(chǔ)采用直徑800mm的鉆孔樁。

1.2 水文及工程地質(zhì)條件

1.2.1水文條件

在河道河口設(shè)置水閘，相關(guān)研究成果表明，該河道設(shè)計(jì)高水位為4.79m，正常蓄水位為2.5～3.5m，設(shè)計(jì)低水位為1.5m。

1.2.2工程地質(zhì)條件

擬建場地地基基礎(chǔ)影響深度范圍內(nèi)的地層均屬第四紀(jì)全新世長江三角洲濱海平原型沉積土層，主要由粘性土組成。

擬建場地位于河流上，在河流防汛墻內(nèi)存在老碼頭舊基礎(chǔ)，老碼頭舊基礎(chǔ)寬約2.30～4.50m，主要為石塊水泥板水下護(hù)坡及水下障礙物。為了棧橋下部結(jié)構(gòu)的施工，需要將老碼頭舊基礎(chǔ)挖出，故需設(shè)置圍堰進(jìn)行干施工。

2 圍堰設(shè)計(jì)與分析

擬建工程所處河道寬約43m，水深約2.0～6.4m。設(shè)計(jì)常水位為2.50～3.50m。圍堰需安排在非汛期施工，堰頂按照標(biāo)高4.00m設(shè)計(jì)(施工期高水位3.50m+0.50m超高)。

考慮該項(xiàng)目的現(xiàn)場條件，擬采用單排鋼板樁圍堰型式，順河布置，圍堰距離防汛墻約5m。鋼板樁樁長15m，鋼板樁與防汛墻接頭部位，采用袋裝土封堵[4-6]。

2.1 單排鋼板樁圍堰不設(shè)支撐方案分析

單排鋼板樁型號采用400mm×170mm，圍堰內(nèi)坑底高程為-1.25m，鋼板樁樁長15m，基坑深度為5.25m，嵌入深度為9.75m。需對圍堰穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核。

根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，土的c、φ值均采用固結(jié)快剪指標(biāo)，鋼板樁變形、內(nèi)力計(jì)算和各項(xiàng)穩(wěn)定驗(yàn)算均依據(jù)水土分算原則[7]。

由于施工安排在非汛期，最高水位為3.50m，最低水位為1.50m，計(jì)算中地面超載原則上取為10kPa，地下水位取地面以下1.0m。采用同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件FRWS 8.2計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1—2所示。

圖1 水位1.50m單排鋼板樁無支撐時(shí)計(jì)算結(jié)果

圖2 水位3.50m單排鋼板樁無支撐時(shí)計(jì)算結(jié)果

由圖1—2可知，水位1.50m時(shí)，鋼板樁最大位移為43.4mm;水位3.50m時(shí)，鋼板樁最大位移為133.6mm，均大于允許值基坑深度的0.8%即42mm。故單排鋼板樁圍堰需要加強(qiáng)，可改為雙排鋼板樁圍堰中間填土的方案，但此方案會(huì)大幅增加工程投資，不經(jīng)濟(jì)，故考慮給單排鋼板樁加一道鋼支撐，作用在現(xiàn)狀防汛墻上。[8-9]鋼支撐一方面可以使圍堰得到加強(qiáng)，另一方面，由于干施工時(shí)基坑內(nèi)無水，對現(xiàn)狀防汛墻的安全不利，而鋼支撐可以將圍堰所受水壓力傳遞至現(xiàn)狀防汛墻上，減少了施工期對現(xiàn)狀防汛墻的影響。

2.2 單排鋼板樁圍堰設(shè)支撐方案分析

單排鋼板樁圍堰設(shè)圍檁，通過一道鋼支撐，作用在現(xiàn)狀防汛墻墻身上，支撐與墻身之間設(shè)土工布+橡膠墊+支墊鋼板，以減少對墻身局部砼的損壞。圍檁采用雙道H型鋼，型號為GB_H350mm×175mm×7mm×11mm，鋼支撐采用H型鋼HM350mm×250mm，每隔6m布置一道。圍堰斷面如圖3所示。

圖3 圍堰斷面

經(jīng)過計(jì)算，加設(shè)支撐后圍堰的計(jì)算結(jié)果如圖4—5所示。

由圖4—5可知，加了支撐之后，水位1.50m時(shí)，鋼板樁最大位移為6.9mm;水位3.50m時(shí)，鋼板樁最大位移為20.0mm，均小于允許值基坑深度的0.8%即42mm，滿足要求?？梢娂釉O(shè)鋼支撐對減少鋼板樁圍堰的位移效果明顯。同時(shí)，計(jì)算得到圍堰及基坑的其它技術(shù)參數(shù)也滿足規(guī)范要求。

圖4 水位1.50m單排鋼板樁加支撐時(shí)計(jì)算結(jié)果

3 圍堰鋼支撐對現(xiàn)狀防汛墻的影響數(shù)值分析

本次工程涉及的防汛墻所在河道為上海市骨干河道，施工過程中現(xiàn)狀防汛墻的安全必須得到保證。由于墻前棧橋采用鋼板樁圍堰進(jìn)行干施工，施工內(nèi)容主要為鉆孔灌注樁和棧橋上部結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁無擠土效應(yīng)，棧橋上部結(jié)構(gòu)施工對防汛墻基本無影響，故項(xiàng)目施工對現(xiàn)狀防汛墻的影響主要為單排鋼板樁圍堰支撐作用下、墻前無水時(shí)的防汛墻穩(wěn)定。為保證防汛安全，需要對鋼板樁圍堰作用下的防汛墻穩(wěn)定狀況進(jìn)行復(fù)核。為了更好地模擬實(shí)際施工的情況，采用有限元分析軟件PLAXIS，建立施工過程對防汛墻影響的二維有限元模型，進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，預(yù)測棧橋施工引起的防汛墻的變形。

3.1 數(shù)值模型

有限元計(jì)算中采用硬化土小應(yīng)變模型(HS-Small model)。該模型共包含11個(gè)HSS模型參數(shù)和2個(gè)小應(yīng)變參數(shù)，可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為[10-11]，適用于該地區(qū)的土質(zhì)情況。計(jì)算模型采用的各土層的HSS模型參數(shù)見表1。

表1 土層HSS參數(shù)

鋼板樁等結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，同時(shí)采用Goodman接觸單元考慮了土體和結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

圖5 水位3.50m單排鋼板樁加支撐時(shí)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型必須足夠大，才能減小模型邊界對模擬結(jié)果的影響。本次計(jì)算模型的深度取28m，水平向取60m，滿足尺寸的要求。同時(shí)模型邊界設(shè)定約束，模型左右邊界設(shè)定X向約束，模型下邊界設(shè)定Y向約束。建立的有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 有限元模型及網(wǎng)格劃分

3.2 分析結(jié)果

通過計(jì)算可知：加了支撐之后，水位1.50m時(shí)，棧橋施工引起防汛墻的最大水平位移約為5.97mm，最大沉降量約為0.94mm；水位3.50m時(shí)，棧橋施工引起防汛墻的最大水平位移約為3.29mm，最大沉降量約為0.51mm；變形在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，不會(huì)影響現(xiàn)狀防汛墻結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行。同時(shí)可以看出，圍堰外水位較高時(shí)，擋墻位移更小，這與一般防汛墻的變形規(guī)律是相吻合的[13-14]。

4 結(jié)論

本文以上海某骨干河道步道貫通工程為例，探討了利用現(xiàn)狀防汛墻為鋼板樁圍堰提供支撐，來創(chuàng)造復(fù)雜現(xiàn)場情況下干地施工條件的設(shè)計(jì)方案的可行性。通過計(jì)算表明，這種設(shè)計(jì)方案既能保證單排鋼板樁圍堰的安全，減少投資，也不會(huì)影響現(xiàn)狀防汛墻的安全運(yùn)行。

因此，在類似岸邊條件受限、只能于墻前設(shè)置人行棧橋的步道貫通工程中，可考慮采用該設(shè)計(jì)方案。但考慮到理論計(jì)算與實(shí)際施工情況的差別，需要施工單位在施工過程中盡量避免對防汛墻下部土體的擾動(dòng)，加強(qiáng)對防汛墻的變形監(jiān)測，確保安全。