邱國平
(中鐵大橋局湖北武漢430050)
鋼板樁圍堰在灄水特大橋施工中的應(yīng)用
邱國平
(中鐵大橋局湖北武漢430050)
本文結(jié)合工程實例,簡述拉森Ⅳ型鋼板樁在灄水特大橋水中主墩圍堰施工方案,施工方法和過程控制。
鋼板樁;圍堰;施工
灄水特大橋為合武鐵路湖北段的控制性工程,橋位河床開闊,河槽常年有水。22、23、24#墩為水中主墩,承臺尺寸為13.4m×10.6m×4.0m。主墩處河床面高程約15.45m,水位為20m時水深4.5m。灄水河在橋位處的水位由下游橡膠壩蓄水或泄水調(diào)節(jié),水位最低時與長江水位平,水位最高時由長江水倒灌控制。流量Q1%=4920m3/s,水位H1%=29.72m,流速Vp=1.82m/s。
根據(jù)巖土工程勘察報告,水中墩地質(zhì)土層分布由上至下依次為:
淤泥層,黑色,軟-流塑,層厚1.5m;
松散細(xì)砂,黃色、層厚1.3m;
松散中砂及粗砂(70%),含少量卵石,層厚1.55m;
松散粗砂(70%)及卵石(30%),層厚3.72m;
松散粗砂(60%)及卵石(40%),層厚2.27m;
中密粗砂(60%)及卵石(40%),層厚2.48m;
中風(fēng)化基巖。
根據(jù)現(xiàn)場的施工條件,在橋址下游兩堤岸之間已修建了一條寬6m長340m的鋼棧橋,作為河?xùn)|的施工通道及水中墩施工材料及機械設(shè)備進(jìn)出、混凝土輸送通道。灄水特大橋為合武鐵路湖北段的控制性工程,工程任務(wù)量大,工期十分緊張,這要求水中墩施工在確保安全質(zhì)量、經(jīng)濟效益的情況下,施工周期最短。為此,在確定水中墩承臺施工時,考慮了3種方案。
方案一:填土筑島施工。此工法在跨越魚塘、小河溝等情況下常采用。因灄水河床開闊,河槽常年有水,河床較深,采用大規(guī)模筑島,約需土方4.5萬方,土方砌筑高度達(dá)7m,經(jīng)測量放線,填土圍堰布置于接近河中心,縮窄了航道,堰體擋水高度較大,基礎(chǔ)為透水性強的粗砂,易造成預(yù)留河道淤積堵塞,不能滿足每年在5~8月份漲水期200~500t運砂機舶通行要求;同時,在筑島完成后進(jìn)行基坑開挖時仍需進(jìn)行深基坑支護(hù)。此方案需向外借大量土方進(jìn)行填筑,且無法滿足水務(wù)部門通航要求,在施工中難以執(zhí)行。
方案二:鋼套箱圍堰施工。利用樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒作為樁基礎(chǔ)施工平臺,樁基施工完畢后拆除部分鉆孔平臺,利用剩余鉆孔平臺,在水上施工平臺上搭設(shè)承臺施工鋼圍堰的起吊架,再進(jìn)行墩位處鋼圍堰拼裝,下鋼套箱圍堰,下沉、清基、封底施工,鋼圍堰內(nèi)抽水后進(jìn)行承臺施工,待承臺、墩身、墩帽施工完畢后,拆除鋼圍堰。此方案為水中墩施工常規(guī)方案,大約需投入圍堰模板及內(nèi)支撐60t,施工工藝較成熟,但施工內(nèi)容較多,施工周期太長,且鋼圍堰在墩身澆筑完后需進(jìn)行水下切割,成本較大,經(jīng)濟效益不明顯。
方案三:鋼板樁圍堰施工。利用樁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒作為樁基礎(chǔ)施工平臺,樁基施工完畢后拆除鉆機,將履帶吊機開往施工平臺,通過震動打樁錘將鋼板樁插打在待施工的承臺四周,形成鋼板樁圍堰。安裝內(nèi)支撐,抽水堵漏,清理至承臺底標(biāo)高,再進(jìn)行承臺施工,待承臺、墩身施工完后,拆除承臺、墩身模板,進(jìn)行鋼板樁拔除施工。此方案用鋼板樁代替了圍堰模板,施工內(nèi)容較少,可看作水中深基坑施工;同時,鋼板樁圍堰插打時間很短,拔除費用不高,不需要進(jìn)行水下切割施工,此方案優(yōu)勢明顯,缺點是需作好水下堵漏工作。
經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較,考慮施工工期緊張,決定采用矩形單層鋼板樁圍堰進(jìn)行水中墩承臺施工。
根據(jù)巖土工程勘察報告及工程所在地場地特點,結(jié)合鋼板樁的特性、施工方法等方面進(jìn)行考慮,選用拉森Ⅳ型鋼板樁。該型鋼板樁寬度適中,抗彎性能好,依地質(zhì)資料及作業(yè)條件選用鋼板樁長度為15m,要求鋼板樁入土深度達(dá)樁長0.5倍以上。鋼板樁插打范圍為承臺的平面尺寸外加1.5m寬的施工預(yù)留空間,即:尺寸為16.4m×13.6m(如圖1)。打樁設(shè)備為QUY70履帶吊機1臺、CM2-120型振動錘1臺、液壓拔樁機1臺。
圖1 鋼板樁圍堰示意圖單位:cm
在設(shè)計時,首先按先抽水再挖土的干挖法設(shè)計,對選用鋼板樁長度、基坑穩(wěn)定性能進(jìn)行驗算。
4.1 坑底涌砂驗算
圍堰基坑處于含松散粗砂夾卵石,對基坑內(nèi)抽水可能引起涌砂的危險。
用滲流理論對基坑進(jìn)行涌砂驗算(如圖2),不產(chǎn)生涌砂的安全條件為:
式中:K—安全系數(shù);
在施工中,水位為20.00m,鋼板樁長度為15m,設(shè)計坑底標(biāo)高為12.008m,河床地面標(biāo)高為15.45m,鋼板樁高出施工水位50cm,則:
圖2 基坑涌砂驗算示意圖
板樁的有效深度t=6.508m;板樁打入土中的深度h1= 9.95m;開挖深度rs=2.719;h’=8.492m;空隙比e=0.82;r’= 1.10g/cm3
水力梯度i=h’/(h1+t)=0.516
K=r’/(i·rw)=1.10/(0.516·1)=2.13
4.2 坑底隆起驗算
當(dāng)圍堰內(nèi)抽水和基坑挖深時,由于圍堰內(nèi)基坑底面上水壓與土壓的不平橫力,坑底軟土可能受擠在坑底發(fā)生擠高隆起現(xiàn)象(如圖3)。不滑動安全系數(shù)為:
圖3 坑底隆起驗算示意圖
Ks=Nc·Su/(rH+q)
式中:q—圍堰外土面以上的超荷載;即:q=50.5kN
Su—抗剪強度,即:Su=r(H-h)/2=32kN
Nc—承載力系數(shù)。
由于基坑挖深不深(H/B≤1),可取太沙基的承載力系數(shù)Nc=5.7。
則:Ks=5.7×32/(20×2.719+50.5)=1.74。
由以上驗算發(fā)現(xiàn)本基坑在使用15m長鋼板樁的情況下,對基坑不出現(xiàn)涌砂情況的安全系數(shù)為2.13≥2.0;不出現(xiàn)隆起的安全系數(shù)為1.74≥1.2。所以,本基坑選用抽水干挖法滿足施工要求。
4.3 鋼板樁圍堰內(nèi)支撐設(shè)計
在確保安全的前提下,基坑支撐的施工與基坑內(nèi)水位的下降按“先支撐后降水,分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行,結(jié)合本基坑工程的特點,共設(shè)2層內(nèi)支撐。導(dǎo)梁采用雙拼I56b工字鋼,支撐采用雙拼I45b工字鋼組成,下料長度按實際丈量長度在現(xiàn)場加工改制。
5.1 鋼板樁的整修
將鋼板樁運到工地后,進(jìn)行檢查、分類、編號及登記。整修后鋼板樁應(yīng)符合下列技術(shù)要求:
每組鋼板樁的寬度允許偏差為±30mm。
鎖口內(nèi)外應(yīng)光潔、并呈一直線。
鎖口在拼裝處的高低偏差均不得大于2mm。
鎖口拼接處應(yīng)盡量緊密,間隙不得大于3mm。
鎖口整修后應(yīng)用同類型3m長的短鋼板樁作試驗,以2~3人拉動通過為宜,或以電動絞車牽動,最大牽引力不超過5kN;鎖口通不過或樁身有彎曲、扭曲、死彎等缺陷,采用冷彎,熱敲(溫度不超過800~1000℃),焊補、鉚補、割除、接長等方法加以整修;同時接頭強度與其它斷面相等,接長焊接時,用堅固夾具夾平,以免變形,在焊接時,先對焊,再焊接加固板,對新樁或接長樁、在樁端制作吊樁孔。
全長不得有焊瘤、鋼板或其他突出物,應(yīng)保持平滑,兩端均應(yīng)切割整齊,上端按拔樁需要開圓孔(千斤繩眼)并焊鋼板加固圓孔;每組長度誤差相對中間一塊長度應(yīng)在2mm以內(nèi)。鋼板樁的扭曲及彎曲應(yīng)符合施工規(guī)范要求。
5.2 鋼板樁的組拼
選擇、整修鋼板樁,將長度相同的每三塊鋼板樁套連成組,同時將黃油、瀝青混合物嵌入鎖口內(nèi);組樁及單樁的鎖口內(nèi),涂以黃油混合物油膏(重量配合比為:黃油∶瀝青∶干鋸末∶干粘土=2∶2∶2∶1),以減少插打時的摩阻力,并加強防滲性能。
焊接鋼板樁,檢查鋼板樁兩邊鎖口用弧形夾箍將鋼板樁夾成與內(nèi)導(dǎo)環(huán)相符的弧度。
鋼板樁組鎖口縫用棉絮和桐油灰嵌縫,嵌縫方法用竹桿塞棉絮,外面再涂一道桐油灰或防水油膏。
5.3 測量定位及導(dǎo)向安裝
為確保打入樁的精度,利用已有的樁基鋼護(hù)筒施工平臺進(jìn)行導(dǎo)向設(shè)置。測量放出鋼板樁插打的平面位置。
5.4 鋼板樁的插打
插打鋼板樁采用履帶吊機+震動錘(CM2-120型)組合而成。鋼板樁檢查合格后,將鋼板樁運至指定位置,然后用QUY70履帶吊機的兩個吊鉤將其吊起和放下,使鋼板樁成垂直狀態(tài),脫出小鉤,移向安插位置,插入已就位的鋼板樁鎖口中。
起吊前,鎖口內(nèi)填嵌黃油瀝青混合料。箍緊鋼板樁用的弧形卡箍,在插入鎖口時逐個拆除。
鋼板樁逐塊(組)插打到底或全圍堰(矩形圍堰可為一邊),先插合攏后,再逐塊(組)打入,矩形圍堰一般先插上游邊,在下游合攏。
圖4 鋼板打樁深度
在鋼板樁的垂直度較好時,一次將樁打到要求深度;垂直度較差時,分兩次施打,即先將所有的樁打入約一半深度后,再第二次打到要求深度(圖4)。
在插樁過程中,應(yīng)做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調(diào)整合攏”的要點。
5.5 插打鋼板樁預(yù)防傾斜的措施
在插鋼板樁前,除在鎖口內(nèi)涂以潤滑油以減少鎖口的磨阻力外,同時在未插套的鎖口下端打入鐵楔或硬木楔,防止沉入時泥砂堵塞鎖口。
采用復(fù)式滑車組糾正鋼板樁的傾斜。
5.6 鋼板樁鎖口漏水預(yù)防措施(抽水堵漏)
鋼板樁插打完,即進(jìn)行基坑抽水施工。因水位較高,須加設(shè)內(nèi)支撐,先支撐再抽水,并檢查各節(jié)點是否頂緊,防止因抽水而出現(xiàn)事故。抽水速度不能過快,且要隨時觀察鋼板樁圍堰的變化情況。當(dāng)鎖口不緊密漏水時,用棉絮等在內(nèi)側(cè)嵌塞,在樁腳漏水處,采用混凝土墊層等措施(如圖5:基坑抽水堵漏)。
圖5 基坑抽水堵漏
圖6 基坑清理
鋼板樁圍堰內(nèi)水抽干后,進(jìn)行基坑開挖清理至承臺底設(shè)計標(biāo)高,進(jìn)行承臺墩身施工(如圖6所示:樁頭鑿除及基坑清理)。
5.7 、拔樁
承臺、墩身施工完后,拆除承臺、墩身模板,進(jìn)行鋼板樁拔除施工。
鋼板樁拔樁前,先將圍堰內(nèi)的支撐,從下到上陸續(xù)拆除,并陸續(xù)灌水至圍堰外水位,使內(nèi)外水壓平衡,使板樁擠壓力消失,并與部分混凝土脫離(指有水下混凝土封底部份)。再在下游選擇一組或一塊較易拔除的鋼板樁,用拔樁機夾住鋼板樁頭部振動1min~2min,使鋼板樁周圍的土松動,產(chǎn)生“液化”,減少土對樁的摩阻力,然后慢慢的往上振拔(如圖7所示:鋼板樁拔樁施工)。
圖7 鋼板樁拔樁
鋼板樁插打完畢,基坑支撐與基坑內(nèi)水位的下降按“先支撐后降水,分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行。并在抽水的同時施行適當(dāng)?shù)亩侣┐胧?,基坑抽干水后,可清楚觀察到圍堰擋水止水效果:鋼板樁圍堰內(nèi)僅留1臺小水泵抽出剩余漏水即可;基坑內(nèi)也沒有出現(xiàn)滲漏、管涌等現(xiàn)象,本橋鋼板樁圍堰設(shè)計施工質(zhì)量良好。
[1]凌冶平.基礎(chǔ)工程[M].北京:人民交通出版社.
[2]殷萬壽.水下地基與基礎(chǔ)[M].北京:中國鐵道出版社.
[3]J162-2002,鐵路橋涵施工規(guī)范[S].
[4]TZ213-2005,客運專線鐵路橋涵施工技術(shù)指南[S].
On Application of Steel Sheet Pile in Coffer-Dam Construction
With practical instances cited form the construction of the key piers in water of Sheshui Super Large Bridge,this writer of the paper provides a brief description of the steel sheet pile coffer-dam construction technology concerning the construction plan,construction method and process control.
steel sheet pile;coffer-dam;construction
U443.16+2
A
1671-9107(2011)10-0008-04
10.3969/j.issn.1671-9107.2011.10.008
2011-06-28
邱國平(1964-),男,大學(xué)本科,高級工程師。