富水區(qū)大型鋼板樁圍堰施工技術(shù)

黨芳英

(中鐵一局集團(tuán)有限公司施工技術(shù)部，西安 710054)

1 工程概況

國(guó)內(nèi)某高速鐵路水中大橋是國(guó)內(nèi)南北兩個(gè)大型城市鐵路工程樞紐，為四線鐵路橋，ZK活載。橋位處該河河道寬度1 860 m，設(shè)計(jì)主槽寬度670 m。主橋?yàn)?112+3×168+112)m下承式剛性梁柔性拱橋。橋臺(tái)采用φ2.0 m鉆孔灌注樁，主橋墩采用φ2.5 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)90～105 m。主墩承臺(tái)厚度6.0 m，平面尺寸43.5 m×23.3 m?？傮w橋式布置如圖1所示。

2 地質(zhì)水文情況

橋位處水流沖刷大，地質(zhì)地層以第四系河流相粉質(zhì)土為主，其間多夾粉、細(xì)、中砂及粉土、薄層黏土或透鏡體。其中覆蓋層40 m以下姜石含量較高，姜石層分布較多。橋址范圍第一層土主要為軟塑的粉質(zhì)黏土、黏土及稍密的粉土組成，厚度9～22.5 m;第二層為硬塑的粉質(zhì)黏土、黏土及中密的粉土及中密的砂層組成，厚度2.4～11.8 m;第三層為硬塑狀的粉質(zhì)黏土組成，厚度鉆孔未揭露。

河道平均水流速度為2.1 m/s。河道冬期枯水期僅河道有水，圍堰區(qū)屬于富水漫灘地。

圖1 總體橋式布置(單位:cm)

3 方案設(shè)計(jì)

該水中承臺(tái)的施工初期，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)材料調(diào)查、地質(zhì)資料等情況的分析對(duì)3種方案進(jìn)行比較:鋼套箱方案、混凝土圍囹方案和鋼板樁〔1〕防護(hù)方案。后經(jīng)計(jì)算比選〔2，3〕:鋼套箱方案鋼材投入多、回收率低，下沉?xí)r設(shè)備及人員投入多，工序復(fù)雜;混凝土圍囹方案施工周期長(zhǎng)，施工質(zhì)量不易控制，施工難度大，且對(duì)后續(xù)施工有一定干擾;再因?yàn)闃蛭惶幒拥罌_刷厚度為7.2～11.3 m，其下有2～3 m厚硬塑狀黏土層，枯水期河床沖刷層范圍沉積層主要以粉砂土為主，適合選用鋼板樁圍堰施工，而且鋼板樁防護(hù)方案能夠迅速展開施工，速度快，周期短，且支護(hù)材料可回收利用，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的各種要求，所以該工程最終選用德國(guó)拉森Ⅳ型鋼板樁防護(hù)方案。

該方案所依托的承臺(tái)尺寸42.5 m×23.3 m，設(shè)置鋼板樁圍堰尺寸46.5 m×28.3 m。圍堰尺寸巨大，支撐復(fù)雜，不利于挖掘設(shè)備開展施工，加長(zhǎng)鋼板樁插打長(zhǎng)度配合高壓射水清淤〔4〕屬于最合理的施工方法，基坑底高程及平整度便于控制。鋼板樁圍堰平面、立面見圖2，圖3。

圖2 鋼板樁圍堰平面布置(單位:cm)

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

圖3 鋼板樁圍堰立面(單位:cm)

鋼板樁的長(zhǎng)度主要根據(jù)安全支護(hù)需要來(lái)計(jì)算［5］選擇，不僅要考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)水文及承臺(tái)封底情況，還要考慮鋼板樁自身穩(wěn)定、土層穩(wěn)定、堰內(nèi)管涌情況等影響因素。

4.1 技術(shù)參數(shù)

粉質(zhì)黏土、黏土土體容重:r=17.5 kN/m3;土體內(nèi)摩擦角:φ=27.8°;土體總應(yīng)力黏結(jié)力 Cu=31.8 kPa;鋼板樁采用Ⅳ型拉森樁，75 kg/m，每1 m寬截面模量W=2 037 cm3，允許應(yīng)力為［σ］=210 MPa。

4.2 鋼板樁及其內(nèi)支撐計(jì)算［6］

按等彎矩計(jì)算確定3層支撐能滿足要求，計(jì)算后間距分別為:2.8 m，3.2 m，3.5 m。

4.2.1 鋼板樁計(jì)算

圍堰外1.5 m處荷載布置為q=5 kN/m2，計(jì)算中取豎向每延米的鋼板樁為梁，圍囹?yàn)橹ёM(jìn)行計(jì)算。

鋼板樁圍堰機(jī)械開挖到原地面下2.2 m，未安裝完內(nèi)第一道支撐時(shí)為工況1［7］;待安裝完第1道內(nèi)支撐，繼續(xù)開挖到直至第2道內(nèi)支撐高程，此時(shí)為工況2;一直循環(huán)作業(yè)直到安裝第3道內(nèi)支撐，繼續(xù)開挖至設(shè)計(jì)高程，此時(shí)為工況4。接著進(jìn)行基底處理。

工況計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖4。

計(jì)算結(jié)果見表1。

4.2.2 鋼板樁最終長(zhǎng)度確定

圖4 鋼板樁入土深度計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:m)

鋼板樁伸出地面高程0.5 m，地表距承臺(tái)頂面4 m，承臺(tái)高度6 m，入土深度設(shè)為11.5 m:主要考慮到圍堰處河床范圍為2～3 m厚硬塑狀黏土層，為了避免水流對(duì)河床的沖刷影響，并且想越過(guò)河床表面松散粉砂地質(zhì)層，將鋼板樁打入該黏土層以下，這樣就將鋼板樁長(zhǎng)度最終取值22 m。鋼板樁長(zhǎng)度雖然較設(shè)計(jì)增加了4.4 m，但圍堰內(nèi)在清淤完成后可以不進(jìn)行水下封底，而是直接抽干圍堰內(nèi)的水，再澆筑20 cm厚混凝土墊層。實(shí)踐證明，該方案非常成功。

表1 鋼板樁入土應(yīng)力及其支撐受力匯總

4.3 圍囹及內(nèi)支撐計(jì)算(表2)

表2 圍囹及內(nèi)支撐檢算匯總

4.4 抗基底翻起驗(yàn)算

基底開挖較深時(shí)，當(dāng)鋼板樁背后的土柱重力超過(guò)基底底面以下地基土的承載力時(shí)，地基的平衡狀態(tài)受到破壞，可能發(fā)生基底翻起(圖 5)，需要驗(yàn)算［6，8］。由于采用井點(diǎn)降水措施［9］，計(jì)算過(guò)程中按無(wú)水開挖進(jìn)行計(jì)算，鋼板樁單根長(zhǎng)度按22 m計(jì)算。

穩(wěn)定系數(shù)

式中，MO為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩;My為穩(wěn)定力矩;Cu為地基土黏結(jié)力，取31.8 kPa，土按勻質(zhì)土考慮。

穩(wěn)定系數(shù) K=2×3.14×31.8/(5+10.5×15)=199.7/162.5=1.23≥1.2。該安全系數(shù)中，穩(wěn)定力矩未考慮土體與22 m鋼板樁之間的摩擦力以及垂直面上的抗剪強(qiáng)度對(duì)土體下滑的阻力，故偏于安全。滿足設(shè)計(jì)與施工要求。

圖5 抗基底翻起示意(單位:m)

4.5 圍堰布置

該圍堰由單層鋼板樁和3層內(nèi)撐梁組成，鋼板樁內(nèi)支撐圈梁為I56型鋼組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐為φ630 mm鋼管。每層水平支撐在順橋向與橫橋向錯(cuò)層布置，順橋向支撐在下，2種支撐在交叉處采用抱箍連接，四角安裝角撐;內(nèi)支撐采用若干標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和兩端的調(diào)節(jié)管節(jié)組合而成;各管節(jié)間采用法蘭連接。3層支撐均設(shè)6道順橋向支撐，3道橫橋向支撐。

5 施工要點(diǎn)

5.1 鋼板樁鎖口檢查

鋼板樁運(yùn)到工地后進(jìn)行檢查，分類存放。

鎖口檢查的方法［10-11］:用1塊長(zhǎng)約2 m的同類型、同規(guī)格的鋼板樁作標(biāo)準(zhǔn)，將所有同型號(hào)的鋼板樁作鎖口通過(guò)檢查。對(duì)于檢查出來(lái)的鎖口扭曲及“死彎”進(jìn)行及時(shí)的校正，校正后再用標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁進(jìn)行檢查，直至合格。

5.2 鋼板樁施打

5.2.1 插打順序

鋼板樁的插打次序?yàn)橄葟拈L(zhǎng)邊角點(diǎn)開始，依次施打各邊，在短邊的角點(diǎn)附近合龍。接近合龍時(shí)最后的15片樁采取先合龍?jiān)俅虿宓姆绞?，以便于?duì)樁位隨時(shí)調(diào)整保證順利。

5.2.2 鋼板樁插打

施打采用40 t龍門吊配合液壓振動(dòng)錘在平臺(tái)上進(jìn)行。平臺(tái)上需要設(shè)置導(dǎo)向裝置，然后用定位卡具在導(dǎo)向裝置內(nèi)將鋼板樁固定牢固(圖6)，將鋼板樁逐根插打到位。

圖6 導(dǎo)向架設(shè)施構(gòu)造

5.2.3 鋼板樁插打質(zhì)量控制

鋼板樁鎖口內(nèi)均應(yīng)涂以黃油混合油膏［10］(質(zhì)量配合比為:黃油 ∶瀝青 ∶干鋸末 ∶干黏土=2∶2∶2∶1)，以減少插打時(shí)的摩阻力，并加強(qiáng)防滲性能。

5.3 圍堰合龍

合龍施工插打至合龍面時(shí)，精確丈量尺寸，考慮到鋼板樁鎖口的間隙和鋼板樁本身性能，合龍面尺寸應(yīng)大于理論尺寸15～20 cm為宜，避免合龍口尺寸過(guò)小。

5.3.1 鋼板樁合龍

由于圍堰尺寸巨大，當(dāng)合龍鋼板樁插下時(shí)，由于經(jīng)過(guò)調(diào)整的間距不能完全平行，必須施加壓力才能使合龍板樁插下。當(dāng)鋼板樁尚有很大長(zhǎng)度未能套入鎖口，又不能采用錘擊方法打下時(shí)，可在頂端安裝復(fù)式滑車組，并將滑車組下端固定，將鋼板拉入鎖口［10，12］。在插樁過(guò)程中，做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調(diào)整合龍”的要點(diǎn)。

5.3.2 異型鋼板樁

采用上述措施鋼板樁仍無(wú)法合龍時(shí)，可以制作異型鋼板樁進(jìn)行合龍。

(1)丈量合龍口寬度［10］。

(2)鋼板樁異形樁制作:鋼板樁進(jìn)行調(diào)整和丈量尺寸后，根據(jù)合龍口的寬度及鎖口的形式，制作異形鋼板樁(圖7)。若合龍口寬度為40 cm左右時(shí)，可制成對(duì)扣式異型鋼板樁。焊縫務(wù)必飽滿牢固。

圖7 異型樁構(gòu)造

5.4 圍堰內(nèi)清淤及支撐系統(tǒng)

內(nèi)支撐安裝與清淤工序相互結(jié)合，確保施工安全［12］。簡(jiǎn)要步驟如下。

(1)圍堰內(nèi)河床面較高，在圍堰合龍后以河床為依托，即安裝第一道內(nèi)支撐。采用油頂頂撐伸縮裝置，并打緊固定鋼銷子。

(2)然后采用高壓水槍配合吸泥泵清淤。清淤至下道支撐下0.5 m時(shí)，安裝下道內(nèi)支撐。頂撐伸縮裝置，并打緊。依次安裝到第3道支撐安裝完畢，繼續(xù)清淤至基底。因圍堰插打科學(xué)合理，基底涌水量得到有效控制，所以基底澆筑20 cm厚混凝土墊層就可滿足施工要求。然后安裝豎向支撐，在各層支撐之間設(shè)置加強(qiáng)桁架。

5.5 內(nèi)支撐拆除與拔樁

圍堰內(nèi)支撐與承臺(tái)混凝土施工相互關(guān)聯(lián)。承臺(tái)分2次澆筑，先后拆除第3、2層內(nèi)支撐。每澆筑完一層，及時(shí)在承臺(tái)與鋼板樁間回填砂土，增加圍堰穩(wěn)定性。最后拆除頂層內(nèi)支承，拔除鋼板樁。

6 結(jié)語(yǔ)

該工程充分利用平臺(tái)龍門吊機(jī)安裝圍堰內(nèi)支撐，減少機(jī)械使用數(shù)量，縮短了工期。以鋼護(hù)筒為依托，保留部分鉆孔平臺(tái)，給施工提供了場(chǎng)地;以圍囹兼作導(dǎo)向架之用，簡(jiǎn)化了工序，節(jié)約鋼材。且該水中承臺(tái)施工安排在冬季枯水季節(jié)進(jìn)行，充分利用圍堰處河床地質(zhì)情況和水文情況，采用加長(zhǎng)鋼板樁圍堰長(zhǎng)度，節(jié)省了封底混凝土，縮短了工期，且鋼板樁還可以回收利用。實(shí)踐證明，該方案的實(shí)施非常順利，承臺(tái)質(zhì)量可靠，施工工期較計(jì)劃提前2個(gè)月，為同類工程施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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