超長(zhǎng)鋼板樁圍堰施工深水低樁承臺(tái)技術(shù)

周 敏

1 工程概況

廣州—珠海城際軌道交通工程順德水道特大橋全長(zhǎng)為4027.53 m,跨越國(guó)家Ⅴ級(jí)航道——順德水道,該水道寬 450 m,規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道,最高水位3.684 m,施工常水位1.5 m,流速1.53 m/s,通航凈寬2×60 m,通航凈高10 m。主跨為44.85 m+2×75 m+44.85 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,主墩 63號(hào),64號(hào),65號(hào)墩高22 m,承臺(tái)長(zhǎng)18.95 m,寬16.2 m,高 6.5 m,C30混凝土1632 m3,由 12根直徑2 m的鉆孔灌注樁組成,樁長(zhǎng)59 m;邊墩62號(hào),66號(hào)墩高 30 m,25 m,承臺(tái)長(zhǎng)13.7 m,寬 13.7 m,高6 m,C30混凝土967 m3,由9根直徑2 m的鉆孔灌注樁組成,樁長(zhǎng)44 m,62 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),主跨處水深在14 m～20.5 m之間,承臺(tái)底(除63號(hào)外)位于河床面以下 0 m～4 m。河床覆蓋層為軟塑狀淤泥質(zhì)亞黏土或淤泥質(zhì)粉砂層,下臥淤泥層,層厚在16 m～27 m 之間,容許承載力[σ]=55 kPa～100 kPa。

2 施工方案的選擇

主跨處水深在14 m～20.5 m之間,由于主橋左側(cè)為太澳高速公路大橋(在建),右側(cè)為碧桂路西海大橋(既有),相鄰大橋樁基距本橋中心僅14 m～16 m,施工區(qū)域狹窄,大型船機(jī)不能近位作業(yè),采用雙壁鋼圍堰施工安裝拆除實(shí)施困難。鋼板樁圍堰的擋水高度一般不宜超過11 m,若采用鋼板樁圍堰施工,必須強(qiáng)化鋼板樁圍堰的內(nèi)支撐系統(tǒng)。通過檢算采取鋼圍檁、水平井字撐、豎撐和封底混凝土與鋼板樁相結(jié)合的形式,可滿足深水長(zhǎng)樁軟基狀況下鋼板樁圍堰的受力、變形、穩(wěn)定性等方面的要求。

3 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

3.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式

考慮到鋼板樁圍堰內(nèi)支撐系統(tǒng)寬度以及工人的施工空間等因素,圍堰平面布置與承臺(tái)邊線的距離為1.5 m,主墩 63號(hào),64號(hào),65號(hào)鋼板樁圍堰橫橋向 22 m,順橋向19.2 m;邊墩 62號(hào),66號(hào)鋼板樁圍堰橫橋向16.7 m,順橋向16.7 m。鋼板樁選用拉森Ⅳ型,樁長(zhǎng)30 m,頂面標(biāo)高 4.0 m,樁底標(biāo)高-26.0 m,入土深11 m～15.5 m。以64號(hào)墩為例,鋼板樁圍堰內(nèi)支撐系統(tǒng)由鋼圍檁、水平井字撐、豎撐、斜撐和剪刀撐組成,共設(shè)5層。鋼圍檁、水平井字撐采用 2Ⅰ56a,水平斜撐采用φ 325×6 mm螺旋鋼管,上下層圍檁之間豎撐采用Ⅰ56a共20道,在第4層與第5層圍檁的豎撐間設(shè)Ⅰ40a剪刀撐,其他各層豎撐間設(shè)Ⅰ40a斜撐。各層圍檁的高程分別為+2.5 m,-0.5 m,-3.5 m,-6.0 m,-9.2 m。

3.2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)度計(jì)算分析

計(jì)算時(shí)取鋼板樁圍堰的頂面標(biāo)高為+4.0 m,支護(hù)的最不利工況為澆筑封底混凝土后并把圍堰內(nèi)的水抽完,取此工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)所受的側(cè)面壓力在河床以上的范圍內(nèi)為靜水壓力,在河床以下至封底混凝土底面以上的范圍內(nèi)為靜水壓力以及主動(dòng)土壓力之和。主動(dòng)土壓力根據(jù)朗肯土壓力理論來(lái)進(jìn)行計(jì)算,主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tan2(45°-φ/2),圍堰開挖范圍內(nèi)的土質(zhì)為淤泥質(zhì)亞黏土或淤泥質(zhì)粉砂層,內(nèi)摩擦角取10°,則:Ka=tan2(45°-10°/2)=0.704,土的飽和容重 r=9.0 kN/m3。計(jì)算采用Midas civil 6.1.1,其中鋼板樁圍堰采用板單元模擬,支撐與圍檁采用梁?jiǎn)卧M。鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)體系計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)體系計(jì)算結(jié)果

4 承臺(tái)鋼板樁圍堰施工

4.1 內(nèi)支撐系統(tǒng)拼裝牛腿及下放吊架

內(nèi)支撐系統(tǒng)的拼裝在拼裝牛腿進(jìn)行,牛腿采用承臺(tái)4個(gè)角部1號(hào),3號(hào),10號(hào),12號(hào)孔樁鋼護(hù)筒作支撐,在水面1.0 m以上鋼護(hù)筒的縱橫方向割除寬200 mm,高500 mm的4個(gè)孔洞,用于抽插Ⅰ45a,縱向、橫向孔洞高低布置,以方便縱向、橫向Ⅰ45a的抽插互不影響,鋼圍檁、水平井字撐、豎撐的安裝在Ⅰ45a牛腿上進(jìn)行。內(nèi)支撐系統(tǒng)的下放采用φ 32精軋螺紋鋼筋作吊桿,共設(shè)吊點(diǎn)12個(gè),下放時(shí)采用150 t穿心千斤頂進(jìn)行,共需千斤頂6套。千斤頂安置在鋼護(hù)筒頂部2根縱向和1根橫向2Ⅰ45a的兩側(cè)。

4.2 內(nèi)支撐系統(tǒng)拼裝及下放

1)鋼圍檁及支撐桿件的加工采用廠制和現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合。2)在鋼護(hù)筒牛腿上安裝第5層鋼圍檁、水平井字撐、斜撐及第4層豎撐(當(dāng)河床面不影響時(shí),第 5層豎撐也要安裝,潛水工水下割除影響水平斜撐拼裝的4號(hào),6號(hào),7號(hào),9號(hào)鋼護(hù)筒),安裝φ 32精軋螺紋鋼和穿心千斤頂。3)同步頂起內(nèi)支撐系統(tǒng)10 cm,抽出鋼護(hù)筒側(cè)面的Ⅰ45a牛腿,同步下放第5層鋼圍檁及井字撐至設(shè)計(jì)位置。4)插入鋼護(hù)筒側(cè)面的Ⅰ45a牛腿,拼裝第 4層鋼圍檁、井字撐、斜撐及第3層間豎撐。按照步驟3)同步下放第4層鋼圍檁及井字撐至設(shè)計(jì)位置。5)依次同步下放其他各層鋼圍檁及井字撐至設(shè)計(jì)位置,固定鋼圍檁于鋼護(hù)筒上。6)圍檁下放必須設(shè)置牢靠的導(dǎo)向和限位裝置,確保圍檁平面位置和標(biāo)高的精度滿足要求。豎撐、斜撐的規(guī)格、數(shù)量嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求安設(shè),底層圍檁的豎撐埋入封底混凝土的深度不小于30 cm。

4.3 鋼板樁插打

1)利用鋼圍檁作為插打鋼板樁的導(dǎo)向控制,先采用浮吊配合液壓壓樁機(jī)壓樁,使30 m鋼板樁平穩(wěn)、均勻下沉至河床,然后采用浮吊配合振動(dòng)錘打設(shè)。按照“逐片插打、垂直控制、逐漸糾偏、調(diào)整合龍”的方法進(jìn)行插打施工。2)鋼板樁插打次序采取從上游面短邊分別向兩側(cè)開始插打,合龍口的位置選擇在下游面短邊處合龍。3)對(duì)鋼板樁插打全過程進(jìn)行記錄,掌握鋼板樁的垂直度、入土深度,使其符合設(shè)計(jì)要求。

4.4 水下挖基

挖基前先安排潛水工摸清基底情況,清理基底下阻礙吸泥的石塊、草袋、麻繩、工具等雜物。吸泥管口距離吸泥面10 cm～50 cm,過低容易堵塞,過高吸泥效果不好,為此應(yīng)經(jīng)常上下左右移動(dòng)吸泥機(jī)的位置。挖至最底層豎撐以下20 cm～30 cm時(shí)安排潛水工下水安裝底層豎撐(螺栓連接),繼續(xù)挖基至設(shè)計(jì)位置。

4.5 水下封底

采用分倉(cāng)分層澆筑封底混凝土,整個(gè)圍堰共分12個(gè)倉(cāng)。由潛水員將分倉(cāng)隔板下放至設(shè)計(jì)位置,用鋼管將其固定在孔樁鋼護(hù)筒上。先澆筑兩側(cè)六個(gè)倉(cāng)至混凝土面上升1.0 m～1.2 m時(shí)停止灌注,將料斗拆下安裝至剩下的中間六個(gè)倉(cāng),澆筑混凝土上升2.0 m～2.2 m時(shí)停止灌注,再將料斗拆下安裝至前六個(gè)倉(cāng),如此循環(huán)直至所有倉(cāng)內(nèi)混凝土灌至設(shè)計(jì)標(biāo)高。水下混凝土澆筑時(shí)預(yù)留30 cm,待圍堰基坑抽水后,清理封底混凝土表面泥砂、剔除混凝土面松散部分,按設(shè)計(jì)標(biāo)高用混凝土進(jìn)行二次找平,并向四周順坡,在四個(gè)角預(yù)留集水坑。

4.6 圍堰抽水

整個(gè)抽水過程要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)鋼圍檁、水平井字撐、豎撐、斜撐和鋼板樁的位移和變形,如果超過設(shè)計(jì)值要立即停止抽水,待查明原因并對(duì)變形位置進(jìn)行加固處理后方可繼續(xù)抽水。

4.7 承臺(tái)施工

承臺(tái)混凝土分二次澆筑,下層混凝土澆筑完成后,承臺(tái)與鋼板樁間空隙回填砂,頂部50 cm范圍用C20混凝土封頂,拆除底層鋼圍檁及水平井字撐,澆筑上層承臺(tái)混凝土。

4.8 鋼板樁圍堰拆除

墩身施工完成后,即可將鋼板樁圍堰拆除。拆除時(shí)先拔樁,后拆斜撐、水平井字撐、鋼圍檁、豎撐,按照與鋼板樁插打順序相反的次序拔樁。

5 結(jié)語(yǔ)

順德水道特大橋因地制宜采用30 m超長(zhǎng)鋼板樁圍堰施工深水低樁承臺(tái),先安裝鋼圍檁等內(nèi)支撐系統(tǒng),利用鋼圍檁做導(dǎo)向插打鋼板樁,創(chuàng)造了鋼板樁圍堰施工深水基礎(chǔ)的記錄,既加快了施工工期,又保證了工程質(zhì)量,可為類似工程提供借鑒。

[1]郭鴻強(qiáng).鋼板樁圍堰在河道深基坑施工中的應(yīng)用[J].北方交通,2009(9):49-53.

[2]張蓮娜.鋼板樁圍堰在深基坑中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(3):136-137.

[3]彭振斌.深基坑開挖與支護(hù)工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1997.