深水墩鋼板樁圍堰設(shè)計與施工技術(shù)

干昌洪 何 偉

1 工程概況

京滬高速鐵路土建工程一標(biāo)段天津特大橋C段在DK119+450～DK119+650處橫跨子牙河,交角74°。子牙河為海河水系五大河之一,橋位上游約3 km設(shè)有西門閘,調(diào)節(jié)子牙河的水量,跨越此段河道為不通航河道。共有四個橋墩位于子牙河河道內(nèi),河道水深3 m～7 m,C51墩、C52墩位于河道中,常水位到承臺底水深在12 m左右,水中墩的承臺底均在河床線以下3 m～5 m左右。橋位處的地質(zhì)情況為淤泥、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、砂層。橋墩基礎(chǔ)均為鉆孔樁樁基,樁徑100 cm,每個橋墩樁基根數(shù)12根,樁長48 m。低樁雙層承臺,承臺底尺寸8 m×11 m,橋梁墩身為雙線單圓柱橋墩,雙線流線形圓端實體墩,墩高12.5 m。梁體為預(yù)制架設(shè)32 m簡支箱梁。

2 鋼板樁圍堰的設(shè)計

天津特大橋C段C51號,C52號橋址位于子牙河中,水面標(biāo)高+0.10 m,平均水深在5 m左右。承臺尺寸8 m×11 m,承臺底標(biāo)高-9.75 m,-9.65 m,封底混凝土底標(biāo)高-12 m。計算選用子牙河常水位+0.10 m標(biāo)高。

2.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)說明

橋墩基礎(chǔ)圍堰采用拉森Ⅳ型鋼板樁,鋼板樁橫橋向?qū)?2.6 m,順橋向長9.6 m,設(shè)置3道內(nèi)支撐,第一道在樁頂往下0.5 m處,第二道距第一道3 m,第三道距第二道3.5 m,如圖1所示。封底混凝土厚2 m,防止坑底涌砂。子牙河水流速較低,圍堰受力按凈水壓力和土壓力計算。一般地,在鋼板樁圍堰設(shè)計驗算中,可以對所有的施工工況進行驗算,也可以選擇一種最不利的工況進行驗算。根據(jù)筆者的工程經(jīng)驗,在水流流速較小的情況下,圍堰抽水清底后為最不利的荷載工況,因此,本文以C51號橋墩為例選擇這一工況作為鋼板樁圍堰的設(shè)計荷載工況。

2.2 荷載計算

采用彈性支點法計算,選取圍堰最不利一邊(近岸邊)進行計算。

施工步驟如下:1)施打鋼板樁,樁頂設(shè)計標(biāo)高0.50 m;2)安裝頂部整體鋼冠梁;3)圍堰內(nèi)開挖降水到-3.50 m標(biāo)高,安裝第一道型鋼圍檁支撐系統(tǒng);4)圍堰開挖降水到-7.00 m標(biāo)高,安裝第二道型鋼圍檁支撐系統(tǒng);5)圍堰開挖降水到封底混凝土標(biāo)高,并澆筑封底混凝土。

計算結(jié)果如下:最大位移變形:S=32.868 mm;最大標(biāo)準(zhǔn)彎矩:M=268.336 kN·m;第一道支撐最大軸力:F=174.04 k N;第二道支撐最大軸力:F=285.56 k N。

鋼板樁強度檢驗:選用拉森Ⅳ型鋼板樁,最小長度18 m,慣性矩38 600 cm4/m,截面彈性模量2 270 cm3/m,鋼材材質(zhì)SY295;其最大抗彎能力:M′=2 270×295/1 000=669.65 k N·m;安全系數(shù):K=M′/Mmax=669.65/268.336=2.5?1.4(滿足)。圍檁支撐:平面布置如圖2所示。

第一道支撐:圍檁可選用H400×400型鋼單枝,支撐選用H400×400型鋼單枝;第二道支撐:圍檁可選用H350×350型鋼雙拼,支撐選用H400×400型鋼單枝;經(jīng)計算,C51號和C52號橋墩用最少18 m拉森Ⅳ型鋼板樁,外加一道頂冠梁和兩道道內(nèi)支撐即可滿足工程需求,施工中圍護板樁和圍檁支撐系統(tǒng)材料可通用,考慮翻打一次方案。

3 鋼板樁圍堰的施工

子牙河常水位+0.1 m,至承臺底高差為12 m,水中墩的承臺底均在河床線以下3 m～4 m左右。地質(zhì)情況為:粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況,C51,C52承臺施工采用鋼板樁圍堰,施工中圍護板樁和圍檁支撐系統(tǒng)材料可通用,考慮翻打一次方案,鋼板樁施工導(dǎo)向架及內(nèi)支撐材料采用型鋼。

3.1 施工方案

鋼板樁圍堰施工時,利用導(dǎo)向架在大于承臺各邊尺寸80 cm的四周外圍,插打鋼板樁形成鋼板樁圍堰,同時為了克服水壓力,在樁頂設(shè)鋼冠梁,鋼板樁內(nèi)設(shè)2道內(nèi)支撐,圍囹和支撐采用型鋼組成的框架式結(jié)構(gòu),圍堰內(nèi)需用高壓水槍配合砂石泵清除淤泥或吸泥至封底混凝土底標(biāo)高處,然后澆筑水下封底混凝土,抽水堵漏,支撐,進入圍堰內(nèi)進行承臺及墩身施工。

3.2 施工方法及工藝流程

拆除樁基鉆孔平臺,進行施工放樣,確定導(dǎo)向架位置。板樁采用振動打樁機下沉,振動打樁施工速度較快;拔樁時,效果更好;相對沖擊打樁機施工的噪聲小,不易損壞樁頂,操作簡單,無柴油或蒸汽錘施工所產(chǎn)生的煙霧。振動打樁機的原理是將機器產(chǎn)生的垂直振動傳給樁體,減小鋼板樁周圍的阻力,利于樁的貫入。

鋼板樁打入時采用振動打樁法,拔樁采用50 t履帶吊配合振動錘。鋼板樁的施工步驟按以下順序進行:設(shè)置導(dǎo)樁框架→清理鋼板樁→插打鋼板樁→設(shè)置內(nèi)支撐→堵漏→吸泥→施工封底混凝土→承臺和墩身施工→拔除鋼板樁。

3.3 鋼板樁質(zhì)量保證措施

鋼板樁到貨后,應(yīng)核對鋼板樁的型號是否與設(shè)計所采用的型號相符,若不相符合,需對鋼板樁強度和支撐重新進行驗算。鋼板樁進入施工現(xiàn)場前均需檢查整理,只有完整平直的板樁可運入現(xiàn)場。對多次利用的板樁,尤其要強調(diào)檢查,使用過的板樁,在拔樁、運輸、堆放過程中,容易受外界因素影響而變形,如不整理,不利于打入。檢查方法可用小平車,在其上放置一塊長1.5 m～2.0 m的標(biāo)準(zhǔn)板樁,從頭至尾沿被檢查板樁走一次,發(fā)現(xiàn)缺陷隨時調(diào)整,板樁整理后,在運輸和堆放時要盡量不使其彎曲變形,避免碰撞,尤其不能將連續(xù)鎖口碰壞。堆放場地應(yīng)平整堅實,不產(chǎn)生大的沉陷。最下層板樁應(yīng)墊木塊。不同斷面板樁需分開堆放,每堆板樁間要留出一定通道,便于吊機或運輸車輛的通行。設(shè)置導(dǎo)向架確保施工后的板樁軸線,導(dǎo)向架用型鋼,導(dǎo)向梁間的凈距即板樁墻寬度。為保持準(zhǔn)確距離,可在導(dǎo)向梁間每隔一定距離嵌一臨時墊木,導(dǎo)向裝置在用完后,可拆出移至下一段繼續(xù)使用。

4 結(jié)語

結(jié)合京滬高速鐵路子牙河段工程實例,本文詳細探討了粉土、黏土、砂層深水墩鋼板樁圍堰的設(shè)計與施工技術(shù)問題,給出了鋼板樁圍堰的設(shè)計方法和施工流程,對施工中的重要技術(shù)措施和質(zhì)量保證措施也予以詳細地說明,可為類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

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