鋼板樁圍堰在二七大橋深水基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

盧小偉，張自榮

(中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，武漢 430050)

鋼板樁圍堰是最常用的一種板樁圍堰，具有強度高、防水性能好等優(yōu)點，并能按需要組成各種外形的圍堰，又可多次重復使用。與鋼圍堰相比，它還具有工期短、施工難度小、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，在橋梁施工中常用于沉井的圍堰，管柱基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)及明挖基礎(chǔ)的圍堰等。

1 工程概況

武漢二七長江大橋是武漢市二環(huán)線東北段的重要組成部分和控制工程。橋位距上游的武漢長江二橋約3.2 km，距下游天興洲長江大橋約6.7 km。橋址區(qū)處于平坦狀平原區(qū)。高程為+19.0～+24.0 m。江面寬約1 900 m。河床最低點高程約+4.0 m。北側(cè)漢口岸邊灘寬約450 m，南側(cè)武昌岸邊灘寬約150 m。正橋工程全長2 922 m，其中，主橋為三塔六跨(90 m+160 m+2×616 m+160 m+90 m)鋼—混結(jié)合梁斜拉橋，建成后為世界上最大跨度的三塔斜拉橋;北引橋為一聯(lián)鋼—混結(jié)合連續(xù)箱梁(6×90 m)、一聯(lián)預應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁(5×50 m)及一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)(2×45 m+70 m+2×45 m);南引橋為一聯(lián)預應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁(45 m+60 m+45 m)。主橋基礎(chǔ)全部采用“鉆孔灌注樁+整體式高樁承臺”形式。

正橋工程I標段為3號主塔墩以北全部區(qū)域，除3號主塔墩因渡汛需要采用雙壁鋼吊箱圍堰外，江中深水區(qū)2號墩～N4墩及漫灘區(qū)N5～N10墩承臺，結(jié)合地質(zhì)情況及工期要求，經(jīng)過多次方案討論，最終決定全部采用鋼板樁圍堰方案施工。其中，深水區(qū)各墩使用24 m及27 m超長鋼板樁。通過方案優(yōu)化及過程監(jiān)控，成功地在最大水深13 m、流速2.0 m/s的長江深水區(qū)，順利完成了各墩鋼板樁圍堰施工方案，可作為同類型深水基礎(chǔ)施工時的重要參考。

本文主要以深水區(qū)內(nèi)平面尺寸最大、施工水位最深的2號墩為例，介紹深水區(qū)承臺鋼板樁圍堰施工技術(shù)。主橋結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。北引橋結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

2 工程地質(zhì)

2號墩局部沖刷高程為 +4.89 m(勘察設(shè)計資料)，施工期間實測河床高程汛期為 +0.7 m左右，枯水期為+11.8 m左右。河床表層為透水細砂、中砂及粉質(zhì)黏土層。基巖高程約-18.0 m。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)簡圖(單位:m)

根據(jù)橋位附近水文站資料，歷年最高水位為+27.62 m，最低水位為+7.98 m。逐月平均水位統(tǒng)計表見表1。

圖2 北引橋結(jié)構(gòu)簡圖

表1 1月—12月水位統(tǒng)計 m

3 鋼板樁圍堰方案設(shè)計

2號墩為主橋北邊跨輔助墩，平面輪廓尺寸26.55 m×19.30 m×6.0 m，四角倒圓半徑R=2.4 m，承臺底面高程為+4.5 m。原方案擬采用雙壁鋼吊箱圍堰施工工藝，后根據(jù)施工期間河床回淤及施工期水位較低等因素，以及鋼板樁圍堰施工工期及經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢，經(jīng)多次方案比選、論證及優(yōu)化，最終確定采用鋼板樁圍堰方案。2號墩鋼板樁圍堰設(shè)計參數(shù)如下。

鋼板樁型號:拉森VI(600 mm×210 mm×18 mm)(截 面 面 積 A=225.5cm2、截 面 慣 性 矩 IX=56 700 cm4、截面模量 ZX=2 700 cm3)。

鋼板樁頂高程:+16.0 m。鋼板樁底高程:-8.0 m。

承臺底高程:+4.5 m。承臺高度:6.0 m(分2次澆筑)。

封底混凝土底高程:+2.0 m。封底混凝土厚度:2.5 m。泥面高程:+4.89 m。

最高施工水位:+13.0 m。設(shè)計流速:0.82 m/s。封底混凝土強度等級:水下C25。

2號墩鋼板樁圍堰方案總體設(shè)計見圖3。

圖3 2號墩鋼板樁圍堰總體設(shè)計(單位:mm)

根據(jù)鋼板樁圍堰施工工藝，擬定11個計算工況，建模計算所得，鋼板樁最大變形量 δmax=29.5 mm，最大應(yīng)力σmax=210 MPa，圍檁及內(nèi)支撐最大應(yīng)力σmax=80～110 MPa，均能滿足受力要求;圍堰整體抗浮驗算(K=1.28，＞1.10)、護筒黏結(jié)力驗算(σ =99.5 kPa，＜120 kPa)、封底混凝土拉應(yīng)力 (σl=0.02 MPa，＜1.27 MPa)驗算均滿足要求。

4 鋼板樁圍堰施工

1)鋼板樁整修和接長。鋼板樁進場后，進行修整，主要是除銹、清理鎖口內(nèi)雜物，并保證鋼板樁順直、鎖口相互能良好連接。由于鋼板樁進場時分節(jié)長度達不到使用要求，需要現(xiàn)場焊接接長，并對焊接部位進行補強處理。整修、接長完畢后，按規(guī)格堆碼整齊，備用。

2)鉆孔平臺拆除和圍檁導向架安裝。樁基施工完畢后，將鉆孔平臺上貝雷梁及鋼主梁拆除，在各鋼護筒外側(cè)，安裝豎向?qū)蚣?，作為圍檁及內(nèi)支撐整體下放的導向及限位裝置。豎向?qū)蚣軐?yīng)于底層圍檁高程處設(shè)有牛腿，以承托底層圍檁。

3)圍檁內(nèi)支撐整體制作和起吊安裝。圍檁采用3HN700×300型鋼焊接形成，而內(nèi)支撐為縱向設(shè)置φ1 000 mm×14 mm鋼管，四角設(shè)同規(guī)格八字撐局部加強。底層及中間各層圍檁頂面設(shè)豎向鋼管，作為上一層圍檁的臨時承托及定位。逐層圍檁整體起吊、安裝，并臨時定位。

4)插打鋼板樁。各道圍檁起吊安裝完畢后，利用原鉆孔平臺鋼管樁基礎(chǔ)及基樁鋼護筒搭設(shè)鋼板樁施工平臺。鋼板樁插打采用“履帶吊+液壓振動錘”方案，利用頂層圍檁外側(cè)設(shè)置的型鋼作為鋼板樁插打的導向架，先插打上游側(cè)中部鋼板樁，后自上游向下游方向順序插打岸側(cè)及江側(cè)鋼板樁，最后插打下游側(cè)鋼板樁，合龍口設(shè)置在下游側(cè)中部或轉(zhuǎn)角處。

鋼板樁插打時，采用測量儀器進行垂直度控制，現(xiàn)場利用水平尺進行垂直度校核，鎖口涂抹黃油及灌灑黃砂、鋸末，以利于后期鎖口咬合及止水。為防止插打過程中將相鄰已插打鋼板樁帶下去，需要對已插打到位的鋼板樁進行臨時焊接固定。

轉(zhuǎn)角及合龍?zhí)帲鶕?jù)現(xiàn)場情況現(xiàn)場制作異形鋼板樁或中部加寬鋼板樁，以保證形成完整的封閉周圈，并對轉(zhuǎn)角位置進行局部加強處理。

5)體系轉(zhuǎn)換。鋼板樁插打完畢后，進行第一次體系轉(zhuǎn)換，將鋼板樁與圍檁及內(nèi)支撐體系進行焊接固結(jié)，然后解除圍檁與鋼護筒上的臨時承托牛腿，并用方木將圍檁與鋼板樁之間的各凹槽頂緊，以利于圍檁整體受力。

6)圍堰內(nèi)吸泥。墩位處封底混凝土底面以上均為粉砂及細砂層，采用射水空氣吸泥機將圍堰內(nèi)河床面降至封底混凝土面。吸泥過程中，重點對鋼護筒周邊及鋼板樁周邊進行補吸，必要時派潛水員對鋼護筒及鋼板樁壁進行水下清理，以保證水下混凝土黏結(jié)力及防止形成滲透通道。吸泥完畢后，采用鋼絲測繩按照不大于2 m間距進行高程探測確認，要求各點均不高于設(shè)計高程(亦不宜過低，以免增加封底混凝土厚度，增加結(jié)構(gòu)荷載)。

7)封底混凝土水下灌注。圍堰內(nèi)吸泥完畢后，利用鋼護筒搭設(shè)澆筑平臺，布設(shè)集料斗及水下混凝土灌注用導管。導管布置時，應(yīng)考慮水下混凝土自流平半徑及鋼護筒、鋼板樁圍堰邊角等部位，實際共布設(shè)23個澆筑點，保證各位置均能得到有效覆蓋。導管最大間距不超過8 m，導管底口距離泥面0.2～0.3 m。因圍堰內(nèi)泥面很難保證平齊，需要對每根導管底口進行檢查確認。首批混凝土方量后，導管埋深根據(jù)導管最大間距選取為1.3～1.6 m。圍堰封底水下混凝土灌注必須連續(xù)澆筑，一次完成;按照不大于1 m的間距進行混凝土頂面高程探測，應(yīng)超出設(shè)計高度約15 cm，待抽干后鑿除該軟弱層。

8)圍堰抽水、護筒割除、樁頭及墊層清理。水下封底混凝土強度達到100%后，開始圍堰抽水。抽水期間，對鋼板樁及圍檁、內(nèi)支撐鋼管進行變形和應(yīng)力監(jiān)測。隨著圍堰內(nèi)水位降低，鋼板樁圍堰逐步進入最大受力狀態(tài)，因此，應(yīng)注意抽水速度不宜過快，控制在24 h以上為宜，且前期慢，后期逐步加快，以利鋼板樁圍堰鎖口咬合及內(nèi)力調(diào)整。

9)承臺施工。承臺分兩次施工，第一層承臺鋼筋、模板及混凝土工序施工完畢后，進行第二次體系轉(zhuǎn)換，將底層內(nèi)支撐內(nèi)力轉(zhuǎn)移到第一層承臺上(填砂+頂面環(huán)形混凝土梁)，然后拆除承臺范圍內(nèi)的底層內(nèi)支撐，進行第二層承臺施工。

10)第1節(jié)至第2節(jié)墩柱施工。承臺施工完成后，進行第三次體系轉(zhuǎn)換，將頂層內(nèi)支撐內(nèi)力轉(zhuǎn)移到第二層承臺上(填砂+頂面環(huán)形混凝土梁)，進行第1、第2節(jié)墩柱施工。

11)鋼板樁圍堰拆除。墩柱施工出水后，即可進行鋼板樁圍堰拆除。圍堰內(nèi)圍檁型鋼割除、吊運完畢后，回水至圍堰內(nèi)外水位持平，逐一拔除鋼板樁，然后整修和堆碼。

5 結(jié)語

除2號墩外，深水區(qū)1號墩及 N1～N4墩承臺均采用鋼板樁圍堰施工工藝，并全部安全、順利實施完成，岸灘區(qū)N5～N10墩承臺也在枯水期采用“鋼板樁支護+放坡開挖”的方案順利實施完成。2號墩鋼板樁圍堰第三次體系轉(zhuǎn)換后，因墩身施工拖延，汛期水位曾一度達到+15.8 m，超出設(shè)計水位(+13.0 m)2.8 m之多，且流速超過2 m/s，但圍堰整體結(jié)構(gòu)仍安然無恙，更證明了鋼板樁圍堰的可靠性。

1)武漢二七長江大橋深水區(qū)2號墩～N4墩承臺均采用鋼板樁圍堰施工方案并取得成功，證明在水深13 m、流速2 m/s的深水、急流條件下，鋼板樁圍堰方案是可行的。

2)通過“先圍檁、后鋼板樁”的改進鋼板樁施工工藝，圍檁整體制作及吊裝方案能夠提高圍檁及內(nèi)支撐的整體性和質(zhì)量，能夠保證安裝質(zhì)量，且可以作為鋼板樁插打的豎向?qū)颉?/p>

3)鋼板樁圍堰在橋梁深水基礎(chǔ)施工中的適當選用，能夠縮短工期，并收到較好的社會和經(jīng)濟效益。今后，可進一步探討鋼板樁圍堰在水位更深、流速更大的條件下的可行性。

［1］中華人民共和國交通部.公路施工手冊—橋涵［M］.北京:人民交通出版社.2000.

［2］羅萬錄.深水基礎(chǔ)用鋼板樁圍堰計算分析［J］.鐵道標準設(shè)計，2009(4):74-77.

［3］劉東羽.深水大承臺鋼板樁圍堰施工方法［J］.山西建筑，2010(20):320-321.

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