帶拱形效應(yīng)的板樁圍堰設(shè)計(jì)及施工工藝

楊志剛，劉寧波，胡義新，曹勤濤

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

帶拱形效應(yīng)的板樁圍堰設(shè)計(jì)及施工工藝

楊志剛，劉寧波，胡義新，曹勤濤

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

九龍江特大橋主2號墩承臺為八邊形，位于潮漲快、潮差大水域，施工存在很大風(fēng)險(xiǎn)。為解決承臺施工難題，通過方案比選，設(shè)計(jì)了一種帶拱形效應(yīng)的圓端形鋼板樁圍堰，總結(jié)了該板樁圍堰的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和施工要點(diǎn)，驗(yàn)證了該板樁圍堰設(shè)計(jì)方法的經(jīng)濟(jì)合理性和結(jié)構(gòu)安全性，滿足異形承臺快速施工的要求。

拱形效應(yīng)；圓端形；鋼板樁圍堰

在橋梁鋼板樁圍堰施工領(lǐng)域，圍堰形狀最常見的為圓形和多邊形，一般情況下根據(jù)施工條件和要求來選擇具體的形狀。在鋼板樁圓形圍堰中，其內(nèi)部需要設(shè)置很強(qiáng)的圍檁系統(tǒng)，施工存在較大難度，若施工承臺的結(jié)構(gòu)為方形或者多邊形，則需要多根內(nèi)支撐，會造成內(nèi)部承臺及墩柱施工困難；此外，圍檁的增多也會造成施工成本的大幅度上升。針對這種情況，研究設(shè)計(jì)出一種帶拱形效應(yīng)的內(nèi)支撐較少的圓端形鋼板樁圍堰。

1 工程背景

1.1 工程概況

九龍江特大橋西溪側(cè)主橋?yàn)楠?dú)塔扭背索斜拉橋，跨徑組成為88 m+200 m。邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主跨為鋼箱梁。邊跨側(cè)為雙索面空間扭面索，主跨為準(zhǔn)單索面。橋塔為獨(dú)柱式斜塔，橋面以上塔柱軸線向邊跨側(cè)傾斜8°，橋面以上塔高117 m，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系見圖1。

主2號墩基礎(chǔ)為整體式高樁承臺基礎(chǔ)，承臺尺寸30.5 m×24 m×6 m，承臺底標(biāo)高為-2.841 m（國家85高程），頂標(biāo)高為+3.159 m。主2號墩承臺位于水中，最高施工水位為+4.77 m。承臺結(jié)構(gòu)見圖2。

1.2 水文地質(zhì)條件

1）流向：九龍江特大橋橋位與河道水流方向呈正交，橋梁軸線法線方向與水流夾角接近0°。

2）流速：西溪10～300 a一遇洪水水流平均流速達(dá)2.13～3.35 m/s，圍堰按10 a一遇流速設(shè)計(jì)。

3）最高潮位4.77 m，最低潮位-2.373 m，平均潮差4.5 m，最大潮差6.7 m。

4）該項(xiàng)目所在區(qū)域，地質(zhì)含有淤泥、細(xì)砂和中砂等地層，地質(zhì)情況見表1。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Structure arrangement for the main bridge

圖2 主墩承臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of main pier p ile caps

表1 主2號墩地質(zhì)情況表Table 1 Geologicalsituation table for No.2 main pier

2 方案比選及施工方法

2.1 方案比選

根據(jù)項(xiàng)目水文地質(zhì)情況，結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步擬定雙壁鋼圍堰、圓形鋼板樁圍堰和圓端形鋼板樁圍堰3種圍堰施工方案，見圖3，并進(jìn)行方案比選，見表2。

圖3 圍堰施工方案Fig.3 Schemes of cofferdam construction

表2 方案對比表Table 2 Com parison of alternatives

分析認(rèn)為：采用圓端形鋼板樁圍堰，可降低施工成本，提高施工效率。利用圓弧圍檁的拱形效應(yīng)，在圓弧方向可不設(shè)內(nèi)支撐，與方形圍堰相比，減少內(nèi)支撐數(shù)量；與圓形圍堰相比，減少鋼材及封底混凝土的用量。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件和工期要求，選用方案三。

2.2 施工工序確定

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，確定施工工序。

1）在低水位條件下，將影響圍檁安裝的8根鋼護(hù)筒割至+0.8 m標(biāo)高的位置處，便于下層內(nèi)支撐安裝。

2）采用浮吊吊裝下層支撐系統(tǒng)，再安裝上下兩層支撐系統(tǒng)間的豎向支撐桿件，以此安裝上層支撐系統(tǒng)。

3）以支撐圍檁作為導(dǎo)向，插打鋼板樁，注意沉樁精度，確保板樁通過鎖扣合龍。鋼板樁插打順序?yàn)椋浩鹗键c(diǎn)為直線段鋼板樁和弧形段鋼板樁的連接點(diǎn)，然后從兩個(gè)方向插打鋼板樁，直至圍繞合龍成環(huán)形圍堰，利于合龍。

4）圍堰內(nèi)帶水開挖，挖泥應(yīng)遵循分層、對稱、適時(shí)卸荷原則。

5）帶水開挖至基坑底，吸泥，均勻投放砂袋。到指定標(biāo)高，澆筑水下封底混凝土。

6）封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后，圍堰內(nèi)抽水，并注意實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控。

7）水抽完后，割護(hù)筒，鑿除樁頭，澆筑墊層，進(jìn)行第1層承臺施工。

8）第1層澆筑完成，在承臺與圍堰之間回填砂或砂袋，拆除底層水平支撐管，保留圍檁不拆除，進(jìn)行第二層承臺施工。

9）拆除圍堰時(shí)，先平衡內(nèi)外水頭，逐一拔除鋼板樁。

3 圍堰設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)布置

選用18mSP-IVw型鋼板樁進(jìn)行主2號墩承臺圍堰設(shè)計(jì)[1-3]，圍堰距承臺邊1.5～2.5 m，圍堰尺寸為35.5 m×27 m，見圖4鋼板樁圍堰布置圖。鋼板樁材質(zhì)Q295bz，其余構(gòu)件均采用Q235B。

圖4 鋼板樁圍堰布置圖Fig.4 Layout of steelsheet-pile cofferdam

3.2 不利工況分析

工況一：高水位帶水開挖至-7.17 m，尚未澆筑封底混凝土?xí)r的工況（即施工順序第4步）。

工況二：封底澆筑完畢，在施工高水位條件下的抽水工況（即施工順序第6步）。

工況三：第1層承臺混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，基坑回填砂至承臺頂，割除下層鋼管撐桿，準(zhǔn)備進(jìn)行第2層承臺施工（即施工順序第8步）。

3.3 整體模型計(jì)算

運(yùn)用ANSYS中Beam188和Combin14單元對各工況進(jìn)行建模計(jì)算[4]，提取不利工況二的應(yīng)力云圖（見圖5）。

圖5 工況二計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of working condition 2

圍堰最大組合應(yīng)力126 MPa<205 MPa，滿足要求。

3.4 局部模型驗(yàn)算

3.4.1 圍檁強(qiáng)度驗(yàn)算

運(yùn)用ANSYS中Shell63單元對圍檁建模進(jìn)行局部應(yīng)力分析（見圖6），圍檁局部應(yīng)力151 MPa< 205 MPa，滿足要求。

圖6 圍檁節(jié)點(diǎn)綜合應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.6 Node stress nephogram ofpurlin（MPa）

3.4.2 封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算

運(yùn)用ANSYS中Solid42單元對封底混凝土建模進(jìn)行高水位抽水和低水位澆筑承臺工況計(jì)算，最大拉應(yīng)力為0.53 MPa<1.27 MPa（C25混凝土抗拉設(shè)計(jì)值），滿足要求。

4 施工要點(diǎn)

該圓端形板樁圍堰結(jié)構(gòu)新穎，利用圓弧的拱形效應(yīng)，圓弧段圍檁不設(shè)置內(nèi)支撐，降低施工成本，提高了施工效率。其加工制造及現(xiàn)場施工需注意以下幾點(diǎn)[5-6]：

4.1 結(jié)構(gòu)加工制造

1）弧線段圍檁與直線段圍檁相交處焊縫嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，對接焊縫質(zhì)量達(dá)到二級焊縫標(biāo)準(zhǔn)，不允許有氣孔、夾渣、焊瘤、飛濺等缺陷。

2）內(nèi)支撐鋼管與直線段圍檁連接焊縫按設(shè)計(jì)要求焊接。

4.2 現(xiàn)場施工操作

1）對進(jìn)場鋼板樁進(jìn)行驗(yàn)收，鋼板樁規(guī)格、長度、質(zhì)量必須滿足要求。

2）圍檁加工尺寸及定位準(zhǔn)確，圍檁節(jié)點(diǎn)必須按圖施工，特別是圓弧拱角節(jié)點(diǎn)和支撐與圍檁焊接節(jié)點(diǎn)。

3）焊接質(zhì)量及形式達(dá)到圖紙要求。

4）采用雙面導(dǎo)向進(jìn)行鋼板樁插打，同時(shí)控制好鋼板樁垂直度。

5）鋼板樁必須合龍，轉(zhuǎn)角處采用異形樁，合龍口處有必要也可以采用異形樁。

6）鋼板樁合龍前須在適當(dāng)標(biāo)高處開連通孔。

7）在圍檁支撐上不能堆放材料或搭設(shè)施工平臺。

8）按先圍檁后板樁的工藝施工。

5 結(jié)語

依托九龍江特大橋主墩工程實(shí)例，通過對異形承臺圍堰方案的比選及有限元建模分析，得出一種新型的圍堰形式，驗(yàn)證了帶拱形效應(yīng)的圓端形鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)方法的經(jīng)濟(jì)合理性及結(jié)構(gòu)安全性，滿足了異形承臺快速施工的要求。本文對圓端形鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，對施工工藝方法及注意事項(xiàng)進(jìn)行了概述，可為類似水中異形承臺圍堰施工工程提供參考。

[1]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50017—2003,Code for design ofsteelstructures[S]

[2]JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S]. JGJ 120—2012,Technicalspecification for retaining and protection ofbuilding foundation excavations[S].

[3]GB 50205—2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S]. GB 50205—2001,Code for acceptance of construction quality of steelstructures[S].

[4] 杜闖，丁紅巖，張浦陽，等.鋼板樁圍堰有限元分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014（S2）：159-164. DU Chuang,DING Hong-yan,ZHANG Pu-yang,et al.Analysis of steelsheetpile cofferdam using finite element method[J].Chinese Journalof Geotechnical Engineering,2014(S2):159-164.

[5] 李仁民，劉偉，陳曉鳳.大直徑圓形鋼板樁圍堰施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2013，42（13）：33-37. LI Ren-min,LIU Wei,CHEN Xiao-feng.Construction technology of large-diameter circularsteelsheet pile cofferdam[J].Construction Technology,2013,42(13):33-37.

[6] 邱訓(xùn)兵.大型鋼板樁圍堰施工設(shè)計(jì)的思考[J].鐵道建筑，2005（9）：12-14. QIU Xun-bing.Thinking on design of cofferdam construction by using hulky steelsheetpiles[J].Railway Engineering,2005(9):12-14.

Design and construction of the sheet pile cofferdam with arch effect

YANG Zhi-gang,LIU Ning-bo,HU Yi-xin,CAO Qin-tao
（No.6 Engineering Branch Company ofCCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei430014,China）

As for the No.2 main pier bearing platform of Jiulong River Bridge,it is in the form of octagon and located at the area with fast rising tide and large tide scope,thus producing large potential risks in the construction.To solve the construction problems of the bearing platform,we compared some schemes,then designed round end type steel sheet pile cofferdam with arch,summarized the structure advantages and construction points for sheetpile cofferdam structure,and verified the economic rationality of the design method,which can meet the requirements of rapid construction for special-shaped bearing platforms. Key words：arch effect;rounded shape;steel sheet-pile cofferdam

U655.541

A

2095-7874（2016）11-0025-05

10.7640/zggw js201611006

2016-05-23

2016-07-14

楊志剛（1974— ），男，湖北浠水人，碩士，高級工程師，中交二航局副經(jīng)理，路橋?qū)I(yè)。E-mail：154674197@qq.com