填土鋼板樁圍堰結構計算及關鍵施工技術

周芷嫻，盧新宇，韋苡松

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530000; 2.廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著國家在交通基礎建設領域的大力投入,公路建設過程中出現了許多跨江跨海的大跨徑橋梁。大跨徑橋梁建設往往伴隨著許多工程技術難題,水中承臺施工就是其中一道難題,由于承臺受河水或潮汐影響,故需先進行圍堰施工,給承臺施工提供干施工條件[1]。常用的水中圍堰施工工藝有鋼板樁圍堰、鋼吊箱圍堰、沉井等,鋼板樁圍堰結構因具有強度高、防水性能好、可重復利用等優點廣泛應用在建筑工程中[2]。鋼板樁圍堰施工一般在完成樁基灌注,并拆除樁基鋼平臺后進行。對于半島半海的施工環境,如何優化傳統鋼板樁圍堰施工流程,減少鋼平臺使用,提高施工效率,是項目建設的重要環節。

1 工程概況

廣西濱海公路龍門大橋是目前廣西規劃建設的最大跨徑橋梁,大橋主橋為主跨1 098 m懸索橋。龍門大橋東引橋上構為等截面預應力混凝土先簡支后連續箱梁及變截面預應力混凝土先簡支后連續箱梁,橋墩采用花瓶式墩,墩臺采用樁基礎。東引橋承臺包括8.2 m×8.2 m×3.5 m,8.2 m×8.2 m×3.0 m類型,均采用一次澆筑工藝。承臺結構設計如圖1所示。其中,68號—70號、78號、92號—93號墩柱承臺位于半海半島施工區域,受海水潮汐的影響,如圖2所示。

2 填土鋼板樁圍堰工藝概況

對于傳統鋼板樁圍堰,其結構包含鋼板樁、內圍檁兩部分,一般的施工流程為:在樁基施工階段進行鋼平臺的安裝,隨后進行樁基施工。在樁基施工完成后,進行樁基施工階段的鋼平臺拆除。完成鋼平臺的拆除后方可進行鋼板樁圍堰的插打,并進行后續的圍堰內土體開挖及內圍檁安裝,在開挖至設計標高后進行封底混凝土澆筑,隨后進行承臺鋼筋安裝及混凝土施工。

對于填土鋼板樁圍堰,其結構上與傳統鋼板樁圍堰相似,較傳統鋼板樁圍堰結構,填土鋼板樁圍堰新增外圍檁結構,以抵抗回填后圍堰內的土體壓力。填土鋼板樁圍堰整體施工流程為:在樁基施工前完成鋼板樁插打與外圍檁的安裝,隨后向圍堰內填土形成樁基施工平臺,進行樁基施工。在樁基施工完成后,對填土鋼板樁圍堰內的土體進行開挖并安裝內圍檁,便可轉入傳統鋼板樁圍堰的施工步驟,進行封底及后續承臺施工。

填土鋼板樁圍堰的特點就是利用半海半島的現場施工條件,向圍堰內進行填土,為樁基施工提供陸上施工環境,無須另行搭設樁基施工的鋼平臺,施工成本效益顯著。完成樁基施工的填土鋼板樁圍堰僅需挖除填土及安裝內圍檁兩步即可轉入傳統鋼板樁圍堰施工流程,無須進行鋼平臺拆除,施工流程得到簡化,施工周期大幅縮減。

在施工工藝方面,與傳統搭設鋼平臺進行樁基施工,再拆除鋼平臺施工鋼板樁圍堰的承臺施工工藝相比,填土鋼板樁圍堰省去搭設及拆除鋼平臺的過程,減少大量施工環節,顯著提高施工效率。

在施工成本方面,填土鋼板樁圍堰完全取代樁基施工的鋼平臺。對于本項目,單處樁基鋼平臺設計重量約150 t,而填土鋼板樁圍堰的使用,能節省鋼平臺的用鋼量,提高了材料的利用效率,降低了施工中非必要的投入。

在工藝適應性和環保方面,填土鋼板樁圍堰工藝地形地貌適應性好,占地空間小。傳統鋼結構平臺工藝處理類似海島交界處地形地貌處,需搭設混凝土橋臺、開挖土體,方可適應鋼結構構件的標準尺寸,此類條件下無法避免地破壞周遭地形、污染海域;而填土鋼板樁圍堰對圍堰以外地形地貌影響極小,于半島半海條件下能更好地保護周邊生態環境。

在施工質量方面,填土鋼板樁圍堰內回填土體經樁基礎施工階段壓實后,細微的土顆粒填充至圍堰底的地層間隙中,避免圍堰內滲水,底層1 m～2 m的帶片石的壓實土體可代替部分圍堰封底混凝土,降低施工中的安全及質量風險。不同鋼板樁圍堰施工工藝對比見表1。

表1 不同鋼板樁圍堰施工工藝對比

3 填土鋼板樁結構計算

3.1 結構設計概況

針對依托項目68號—70號、78號、92號—93號墩柱承臺的半海半島施工環境,承臺施工采用填土鋼板樁圍堰施工。填土鋼板樁圍堰的尺寸為:11.8 m×11.8 m(長×寬),根據地質水文以及承臺標高等情況設置一層或兩層圍檁,采用分層設計圍檁,第一層內外圍檁采用雙拼HN500×200×10/16型鋼,其余內外圍檁采用三拼HN500×200×10/16型鋼,鋼板樁采用拉森鋼板樁SP-IVw,鋼材材質為Q290[3]。填土鋼板樁圍堰結構如圖3所示。

3.2 有限元模型建立

通過Midas Civil有限元軟件對龍門大橋填土鋼板樁圍堰進行建模分析計算,鋼板樁采用板單元建模,內圍檁、外圍檁等采用梁單元進行模擬,拉桿采用桁架連接;拉桿采用SPB830型號的φ32精軋螺紋鋼,鋼板樁采用Q295鋼材,圍檁采用Q235鋼材。各材料應力及變形容許值見表2。

表2 主要材料容許應力值及變形容許值

采用容許應力法進行計算,各工況下各項荷載組合系數均為1.0,驗算在各個工況荷載組合下的各項材料承載力及變形是否滿足要求。

鋼板樁圍堰主要荷載為結構自重荷載、鉆機荷載、水流荷載、土壓力荷載、罐車荷載。荷載加載如圖4所示,有限元計算模型如圖5所示。

3.3 荷載工況

填土鋼板樁圍堰施工主要分為以下七個階段:鋼板樁插打、圍堰內填土及外圍檁安裝、樁基施工、外圍檁拆除、安裝第二道內圍檁前、安裝第二道內圍檁、封底混凝土施工。在模型建立時,將各個結構、邊界、荷載劃分為組,按施工荷載工況相應進行激活。

3.4 計算結果

對填土鋼板樁圍堰施工各個施工階段進行受力分析,驗算其強度及剛度是否滿足要求,其驗算結果如表3所示。從驗算結果可看出,填土鋼板樁圍堰在施工的各個階段,鋼板樁及內外圍檁的應力均小于容許應力,強度滿足要求,鋼板樁的變形滿足使用要求,填土鋼板樁圍堰的結構設計是可行的。

4 填土鋼板樁圍堰關鍵施工技術

4.1 總體工藝流程

填土鋼板樁圍堰總體施工流程為[4]:鋼板樁插打→安裝外圍檁及拉桿→圍堰內填土→樁基施工→下挖土體及外圍檁拆除→安拆第二道內外圍檁→封底混凝土施工→承臺鋼筋混凝土施工→鋼圍堰拆除。

4.2 關鍵施工技術

1)鋼板樁插打。采用靜壓植樁機、打板機等設備,于承臺周邊按設計位置打設鋼板樁。先利用振動錘施工幾根鋼板樁提供靜壓植樁機作業平臺,然后將反力重塊放置于反作用力基座的兩側,利用其總的重量作為反力壓入第1根樁。之后每次完成壓入作業之后,使螺旋鉆靜壓植樁機自走前移依次抓住植入的完成樁,當機身完全移到初期反力樁上后,撤除反力重塊與反作用力基座完成初期壓入[5]。之后按將插打好的鋼板樁拔出阻力作為反力,利用靜載荷將下一根樁壓入地面的“壓入機理”進行后續鋼板樁插打。

2)安裝外圍檁與拉桿。鋼板樁插打完畢后,為增加圍堰在樁基施工時的穩定性,抵抗退潮后的側向土壓力,在上口設置一道對拉桿,鋼板樁外側使用雙拼28b工字鋼做外圍檁和使用φ32的螺紋鋼筋做拉桿,對拉桿設置時需注意預留出樁基位置與間距。外圍檁安裝完成后現場圖如圖6所示。

3)圍堰內填土。使用長臂挖掘機對做好外支撐的圍堰進行填土,內填土主要有兩種用途:第一,內填土用于對抗外部潮汐荷載;第二,內填土承受沖擊鉆自身荷載與混凝土罐車荷載。向鋼板樁內的填土,優先采用強風化、全風化巖層破碎后的小粒徑片石與砂性土混合形成的混合土。

4)樁基施工。樁基施工前,測量人員進行實地測量,確定樁基中心位置。利用平整后的內填土體作為施工平臺,放置沖擊鉆開始鉆孔作業。樁基施工期間定時對填土沉降進行觀測,以防內填土受壓變形導致沖擊鉆側翻,成孔后按正常樁基施工進行澆筑作業。

5)下挖土體及外圍檁拆除。樁基施工完成后,進行圍堰內土體開挖,利用長臂挖掘機進行土體下挖。在土體開挖過程,鋼圍堰的內支撐力會隨著土體標高的降低而減弱,可能導致內外支撐力不平衡。因此,在圍堰上部利用雙拼槽鋼與正反牛腿的組合安裝一道內圍檁,并拆除第一道外圍檁。

6)安拆第二道內外圍檁。繼續下挖土體到第二道外圍檁,此時,拆除外圍檁與拉桿。繼續開挖到第二道內圍檁位置后建立內圍檁。當內圍檁搭設完畢,此時的圍堰已達到承臺施工要求,繼續開挖到樁頂標高即可。

7)封底混凝土施工。在開挖至樁頂標高后,在圍堰內澆筑封底混凝土墊層,抽除多余積水,轉換為普通承臺鋼板樁圍堰干法施工,從而繼續進行后續破樁頭與承臺施工。

5 結語

文章以廣西龍門大橋東引橋半海半島區域承臺施工為例,介紹了更適用于現場的填土鋼板樁圍堰施工工藝,對比分析了填土鋼板樁圍堰在施工工藝、施工質量、施工成本、工藝適應性及環保效益等方面相對傳統鋼板樁圍堰工藝的優勢。通過不同施工階段荷載組合下的有限元模擬計算,驗證填土鋼板樁圍堰的強度及剛度等指標均滿足要求。文章最后簡述了填土鋼板樁圍堰的總體工藝流程以及關鍵施工技術。

目前,該施工工藝在龍門大橋東引橋半海半島區域承臺施工中成功應用,相關施工區域的承臺均已施工完畢,顯著提高施工效率,縮短工期,并大幅節約施工成本,環保效益明顯,施工效果良好。