逆作法鋼板樁深水圍堰多點分層疊加下放內(nèi)支撐施工技術(shù)與應(yīng)用

王　禹, 周順華, 費志高 , 沈清衛(wèi)

(1.中交一公局廈門工程有限公司, 福建 廈門　361000;　2.同濟大學, 上海　200092)

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逆作法鋼板樁深水圍堰多點分層疊加下放內(nèi)支撐施工技術(shù)與應(yīng)用

王禹1, 周順華2, 費志高1, 沈清衛(wèi)1

(1.中交一公局廈門工程有限公司, 福建 廈門361000;2.同濟大學, 上海200092)

摘要：針對水中承臺施工，提出超深水鋼板樁圍堰采用先撐后圍逆作法的施工工藝，基于工程實例對逆作法鋼板樁深水圍堰的設(shè)計、施工工藝流程、內(nèi)支撐拼裝及多點分層疊加下放等關(guān)鍵技術(shù)進行了關(guān)鍵性總結(jié)，最后結(jié)合對圍堰結(jié)構(gòu)的三維仿真分析和施工全面監(jiān)測，驗證了逆作法的可行性。

關(guān)鍵詞：鋼板樁; 深水; 圍堰; 逆作法

0前言

對于鋼板樁圍堰施工[1]，一般采用先打設(shè)鋼板樁，后抽水安裝內(nèi)支撐的方法進行施工。但對于深水區(qū)的圍堰，此方法不能滿足高水頭作用下的結(jié)構(gòu)受力要求，因此需要首先施工內(nèi)支撐并連接成整體，然后再打設(shè)鋼板樁的逆作法施工。對于先施工內(nèi)支撐[2]，傳統(tǒng)方法為利用大型浮吊或者分布式千斤頂進行整體式下放，此方法現(xiàn)場拼裝工作量大、施工周期長、存在高空作業(yè)等問題，且下放方式復(fù)雜、安全風險高、經(jīng)濟性較差。針對超深水位的承臺施工，本文提出了內(nèi)支撐多點分層疊加下放技術(shù)，降低了施工成本、縮短了工期，并且安全性得到了很好的保障。

1工程概況

穗莞深城際軌道SZH — 5標東江北干流特大橋，主跨(75+125+125+75)m連續(xù)梁，東江北為內(nèi)河 — Ⅲ級航道，百年一遇設(shè)計潮流水位3.87 m，通航水位3.59 m，通航凈高10 m，測時水位3.085 m，百年一遇設(shè)計流量Q=3456 m3/s，對應(yīng)設(shè)計水位3.09 m，設(shè)計流速v=0.93 m/s。施工水位3.29 m(5 a一遇設(shè)計潮洪水位)。施工水位采用20 a一遇設(shè)計潮洪水位+3.36 m，20 a一遇洪水水流速度v=1.5 m/s。施工難度大，控制簡支箱梁的運架通過，基礎(chǔ)采取施工棧橋配水上施工平臺輔助措施[3,4]。

東江北特大橋73#～80#墩8個水中墩均為嵌埋式承臺，墩位處水深3.7～12.2 m。橋址區(qū)域內(nèi)的土層主要分布為中砂、粉質(zhì)粘土、全風化、強風化、中風化含礫砂巖和泥質(zhì)砂巖。

8個承臺主要參數(shù)見表1。

表1 東江北特大橋主橋水中承臺參數(shù)匯總表墩號承臺長×寬×高/m基坑底距河床/m水深/m水壓+基底土壓/m備注73#14.4×8×3-3.86.76.2+3.874#15.8×10.6×3-3.77.57.5+3.7邊墩75#19.7×12.8×5-6.77.27.2+6.7主墩76#19.7×12.8×5-5.912.212.2+5.9主墩77#19.7×12.8×5-6.09.18.36+7.0主墩78#15.8×10.6×3-5.98.68.6+5.9邊墩79#14.4×9×3-2.97.77.7+2.980#15.8×9.8×3-3.63.73.7+3.6

從表中不難看出，該橋承臺最深處為水下12.2 m處，傳統(tǒng)的施工方式不能保證施工的安全。

2鋼板樁圍堰設(shè)計

圖1　鋼板樁圍堰立面布置圖(單位： mm)

圖2　內(nèi)支撐平面布置圖(單位： mm)

8個墩均采用鋼板樁圍堰施工，73#、74#、79#、80#墩采用SP — Ⅳ鋼板樁，75#～78#墩采用SP — Ⅳw型鋼板樁。鋼板樁最長24 m，圍檁內(nèi)支撐均采用雙拼H型鋼，2HN700×300、2HN600×200、2HN400×200，材質(zhì)采用Q235b。以主墩77#墩為例，77#墩處水深8.36 m，基坑開挖7 m，總水頭差15.36 m。本圍堰采用SP — Ⅳw型鋼板樁，樁長24 m，圍堰頂高程為+4.79 m，承臺底高程為-11.506 m，因地質(zhì)情況良好，無需封底混凝土，設(shè)置墊層30 cm，圍堰平面尺寸為22.8 m×15.6 m，共設(shè)置5道內(nèi)支撐，各層內(nèi)支撐間距為3.4、3、2.5、3 m。其結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2。

因圍堰處水較深，水壓力較大[5]，必須先施工內(nèi)支撐并下放到位，然后進行插打鋼板樁抽水施工。內(nèi)支撐下放利用內(nèi)支撐多點分層疊加下放裝置，通過現(xiàn)場分層拼裝內(nèi)支撐，利用起重機將內(nèi)支撐分層下放，并放置于承托裝置，內(nèi)支撐多點分層疊加下放。

3鋼板樁圍堰數(shù)值計算

3.1計算工況

因河床以上的內(nèi)支撐是提前安裝下放到位，然后用其做導(dǎo)向插打鋼板樁。對于鋼板樁圍堰計算有如下4種計算工況：

工況1： 1～4層內(nèi)支撐下放完畢，鋼板樁成型后，抽水干挖基坑至第5層內(nèi)支撐處；

工況2： 第5層內(nèi)支撐安裝后，基坑開挖至承臺底50 cm處；

工況3： 第1層承臺混凝土澆筑完成后，回填承臺與鋼板樁間隙，然后拆除第5層內(nèi)支撐；

工況4： 全部承臺混凝土澆筑完成后，回填承臺與鋼板樁間隙，然后拆除第4層內(nèi)支撐。

3.2圍堰建模驗算

鋼板樁[5，6]結(jié)構(gòu)驗算用有限元軟件midas civil建立三維整體模型進行空間分析，整體建模時只考慮鋼板樁和內(nèi)支撐組成的鋼板樁圍堰，土層與它們之間的相互作用以及內(nèi)外水壓力差均作為荷載考慮。鋼板樁采用等截面模量的型鋼進行模擬，內(nèi)支撐和圍檁，均按梁單元模擬；建模時，鋼板樁和基坑底土層接觸處約束采用面彈性支撐中的分布彈性支撐模擬，其余按相關(guān)規(guī)范取值。結(jié)構(gòu)模型如圖3。

圖3　結(jié)構(gòu)模型圖

3.3驗算結(jié)果匯總

結(jié)果匯總見表2。

表2 圍堰結(jié)構(gòu)受力情況匯總工況支撐體系鋼板樁最大應(yīng)力/MPa容許應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力/MPa工況1123.4185120.7工況2130.3185110.1工況3123.4185120.7工況4130.818555.4鋼板樁容許應(yīng)力/MPa圍堰最大變形/mm是否滿足23024.3滿足23021.2滿足23024.3滿足23018.6滿足

各工況的支撐體系和鋼板樁的受力均能滿足要求，圍堰的變形也在允許范圍內(nèi)。

4逆作法施工要點

逆作法施工主要分為施工準備、水下切割干擾鋼護筒、支撐體系安裝及下放、鋼板樁插打、圍堰內(nèi)抽水及基坑開挖設(shè)置盲溝集水井，澆筑墊層、支撐拆除及鋼板樁拔除共七部分。

圍囹及內(nèi)支撐桿件的加工采用后場加工，做到統(tǒng)一標準化和通用性，制件運到現(xiàn)場后，在工地整體預(yù)組裝成品。為了保證結(jié)構(gòu)尺寸準確，鋼圍囹組件加工在臺座上完成。

拼裝第4層內(nèi)支撐，根據(jù)第4層內(nèi)支撐位置，安裝內(nèi)支撐下放及托底裝置(共計16個Z形梁)，割除拼裝牛腿，并利用2臺履帶吊沿著Z形豎梁進行下放第4層圍檁、內(nèi)支撐及豎桿,以此方法拼裝下放3 — 1層內(nèi)支撐到設(shè)計位置。第5層內(nèi)支撐后期每個桿件吊放，焊接安裝。支撐體系安裝及下放見圖4。

圖4　支撐體系安裝及下放

第1層承臺施工完畢后，需要拆除底層內(nèi)支撐進行支撐轉(zhuǎn)換施工。主要方法為在第1層承臺和圍堰之間的孔隙區(qū)域填充砂，并澆筑混凝土圈梁。同樣第2層承臺施工完后也許澆筑混凝土圈梁進行受力轉(zhuǎn)換，拆除第4層內(nèi)支撐。其他內(nèi)支撐拆除前回填砂和回水到支撐底處，依次拆除3 — 1層內(nèi)支撐。

承臺及墩柱施工完成，圍堰灌水至內(nèi)外水頭平衡后，可進行鋼板樁拔除，按與鋼板樁施打順序相反的次序拔樁，對長樁采取導(dǎo)向框控制拔樁，以防扭曲，折斷板樁。

5施工監(jiān)控量測

本工程中由于圍堰長期處于深水高側(cè)水壓力中，施工過程中，對鋼板樁圍堰的工作性狀進行了實時監(jiān)測，監(jiān)測項目包括樁頂位移、樁身水平位移、內(nèi)支撐軸力、圍堰內(nèi)外水位等。限于篇幅，此處僅將樁身最大水平位移和鋼板樁最大應(yīng)力的計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。77#墩圍堰垂直于長邊的Z方向中心線鋼板樁實測不同工況不同時間狀態(tài)下樁身最大水平位移和最大應(yīng)力如圖5所示。鋼板樁最大位移為58.7 mm，最大應(yīng)力為144.8 MPa。均在小于監(jiān)測預(yù)警值70 mm和165 MPa。

圖5　　　77#圍堰最大樁身水平位移和最大樁身應(yīng)力　　　變化曲線表

通過圖5和表2可知，數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果都表明，隨著施工的進行，鋼板樁樁身的相對水平位移一直在增大，其沿鋼板樁的樁身分布和隨工序的變化規(guī)律基本一致。實際監(jiān)測數(shù)據(jù)鋼板樁位移比數(shù)值計算偏大，主要原因是現(xiàn)場實際施工，鋼板樁插打過程中不可能絕對保證垂直且與內(nèi)支撐完全密貼。因鋼板樁垂直度0.5%控制，24 m長鋼板樁，可控最大偏位16000 mm×0.5%=90 mm，鋼板樁與圍檁之間最大縫隙在90 mm內(nèi)，才導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)樁身位移偏大。但是隨著抽水，鋼板樁會不斷往內(nèi)支撐上靠攏，且邊抽水邊將鋼板樁與圍檁內(nèi)支撐進行焊機固定，監(jiān)測數(shù)據(jù)鋼板樁的應(yīng)力與計算結(jié)果相差不大。

6結(jié)語

1) 深水承臺采用鋼板樁圍堰采用逆作法多點分層疊加下放內(nèi)支撐的施工技術(shù)，內(nèi)支撐分層下放，減輕了下放重量，大大降低了安全風險。內(nèi)支撐多點分層疊加下放的工序簡單，施工快速，縮短工期。

2) 逆作法內(nèi)支撐多點分層疊加下放的設(shè)備簡單、成本低、操作方便，僅需2臺50 t履帶式吊車即可完成內(nèi)支撐的下放。采用此方法施工，安全質(zhì)量可控、施工進度快，施工投入少，各項質(zhì)量指標均合格，滿足規(guī)范和設(shè)計圖紙要求。該施工方法和措施對今后類似深大基坑施工具有一定的指導(dǎo)意義。

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中圖分類號：U 445.55

文獻標識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0097-04