鋼板樁圍堰在深水基礎(chǔ)施工中的探討

萬延陽

(上海申元巖土工程有限公司,上海 200011)

隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的大力投入,公路和鐵路建設(shè)得到高速發(fā)展,而我國(guó)江河湖泊眾多,水系發(fā)達(dá),跨越大江大河越來越多的采用橋梁工程。橋梁工程的基礎(chǔ)往往設(shè)置在深水中,而在深水中修建基礎(chǔ)具有施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此,合理的深水基礎(chǔ)施工技術(shù)在橋梁建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平,深水基礎(chǔ)施工一般采用防水的圍堰形式。

1 圍堰的分類

圍堰根據(jù)材料和布置形式的不同,可分為土石圍堰、鋼板樁圍堰、鋼套箱圍堰、雙壁圍堰：①土石圍堰：成本低,但適用水深一般不超過4m,施工范圍大,影響防洪排澇；②鋼套箱圍堰、雙壁圍堰：適用水深較深,河床覆蓋層較薄(下臥密實(shí)的大漂石或巖層)的深水基礎(chǔ),但造價(jià)高、施工難度大、工期長(zhǎng)；③鋼板樁圍堰：適用水深相對(duì)較深；結(jié)合內(nèi)支撐,安全度高；可回收重復(fù)利用、造價(jià)經(jīng)濟(jì)；施工便利,工期短。

鋼板樁圍堰較其他圍堰優(yōu)勢(shì)顯著,使用的地域范圍也越來越廣。部分地區(qū)基于傳統(tǒng)的施工經(jīng)驗(yàn),該類圍堰適用的深度范圍仍控制在10m左右,影響了鋼板樁圍堰的進(jìn)一步發(fā)展。下文通過對(duì)已有項(xiàng)目的理論分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果,闡述鋼板樁圍堰在更深的深水基礎(chǔ)施工中的可行性。

2 鋼板樁圍堰案例一

2.1 項(xiàng)目概況

西南某跨湖特大型橋梁下設(shè)三座主橋墩,均位于深水區(qū),橋墩承臺(tái)平面尺寸30.6m×13.6m,承臺(tái)面標(biāo)高+20.0m,承臺(tái)厚4.5m,封底混凝土厚2.5m,封底混凝土底標(biāo)高+13.0m。

2.2 地質(zhì)概況

水面按施工高水位+30.0m考慮,水深10m,下覆土層如下：

土層厚度(m)重度(kN/m3)粘聚力(Kpa)內(nèi)摩擦角(度)粘土318.415.317.7粘土420.251.620.1細(xì)砂5203.028.0圓礫1020.5030.0

2.3 鋼板樁圍堰概況

采用小止口拉森NSP-IVw鋼板樁,樁頂標(biāo)高+30.5m,樁長(zhǎng)24m,材質(zhì)為SY295。圍堰內(nèi)部設(shè)置四道鋼支撐,為增加圍堰的安全可靠性,一～四道鋼支撐、鋼圍檁的材料與尺寸均一致,即鋼圍檁為2H700×300×13×24型鋼雙拼,鋼支撐為,609×16鋼管,鋼支撐材質(zhì)均為Q235b。

2.4 施工方式

采用安全度較高的濕挖,即先施工鋼板樁、第一道鋼支撐,然后再進(jìn)行水下吸泥及水下澆筑封底混凝土,待封底混凝土達(dá)到一定設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,逐層抽水并架設(shè)鋼支撐。

2.5 理論計(jì)算

(1)利用MIDAS/Civil空間有限元計(jì)算軟件對(duì)鋼板樁圍堰在不同施工工況下進(jìn)行受力分析。

①有限元模型。鋼板樁按照每延米的慣性矩等效為矩形截面的鋼板,用4點(diǎn)板單元模擬；圍檁、水平鋼管對(duì)撐、斜撐按照梁?jiǎn)卧M,圍堰內(nèi)的封底混凝土則采用實(shí)體單元模擬。

圖3.1 鋼板樁圍堰有限元模型

②鋼板樁強(qiáng)度驗(yàn)算。在各工況計(jì)算過程中,鋼板樁最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為317KN.m,即對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值為σmax=161Mpa<鋼板樁的容許應(yīng)力[σ]=236Mpa。

圖3.2 鋼板樁最大彎矩云圖

③鋼板樁剛度驗(yàn)算。在各工況計(jì)算過程中,鋼板樁最大變形dmax=25.2mm<鋼板樁的容許變形[d]=24m/400=60mm。

圖3.3 鋼板樁最大變形云圖

④鋼圍檁、鋼支撐驗(yàn)算。根據(jù)計(jì)算,鋼圍檁最大應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為34.5Mpa,即最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值為σmax=47.5Mpa<鋼圍檁的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa；鋼支撐最大應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為106Mpa,即最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值為σmax=146Mpa<鋼支撐的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa。

圖3.4 鋼圍檁應(yīng)力云圖

圖3.5 鋼支撐應(yīng)力云圖

(2)利用理正深基坑計(jì)算軟件分析按最不利的干法施工工況下鋼板樁圍堰的受力。計(jì)算時(shí)不考慮下部已封底混凝土的支撐作用,直接分層抽水,逐道施工鋼支撐,直至施工至封底混凝土底標(biāo)高,其中封底混凝土按第五道支撐進(jìn)行考慮,具體計(jì)算結(jié)果詳見圖3.6。

圖3.6 鋼板樁內(nèi)力位移包絡(luò)圖

①鋼板樁強(qiáng)度驗(yàn)算。鋼板樁最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為275.3KN.m,即對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值為σmax=101.9Mpa<鋼板樁的容許應(yīng)力[σ]=236Mpa。

②鋼板樁剛度驗(yàn)算。鋼板樁最大變形d=27.22mm<鋼板樁的容許變形[d]=24m/400=60mm。

③鋼圍檁、鋼支撐驗(yàn)算。根據(jù)鋼支撐平面計(jì)算,鋼圍檁最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值為σmax=56.3Mpa<鋼圍檁的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa；鋼支撐最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值為σmax=150Mpa<鋼支撐的容許應(yīng)力[σ]=170Mpa。

通過以上兩種計(jì)算方法的理論分析,鋼板樁圍堰在施工過程中均能滿足受力要求,方案可行。

2.6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的效果

三座主橋墩施工順利,未出現(xiàn)異常情況。在施工過程中,鋼板樁、鋼支撐、鋼圍檁等應(yīng)力均在可控范圍,且實(shí)測(cè)值普遍小于設(shè)計(jì)值。

本項(xiàng)目原圍堰方案采用雙壁圍堰,考慮到工期緊張、施工難度大,經(jīng)與設(shè)計(jì)單位溝通后,調(diào)整為鋼板樁圍堰。在最終成本結(jié)算時(shí),鋼板樁圍堰為建設(shè)單位節(jié)省成本約45%,工期提前2個(gè)月。

3 鋼板樁圍堰案例二

3.1 項(xiàng)目概況

西北某跨河大橋設(shè)四座主橋墩,均位于深水區(qū),橋墩承臺(tái)平面尺寸36m×25m,承臺(tái)面標(biāo)高+308m,承臺(tái)厚5m,封底混凝土厚3m,封底混凝土底標(biāo)高+300m。

3.2 地質(zhì)概況

水面按施工高水位+319考慮,水深12m,下覆土層分別為2m厚砂土及15m厚卵石。

3.3 鋼板樁圍堰概況

采用小止口拉森NSP-IVw鋼板樁,樁頂標(biāo)高+320.5m,樁長(zhǎng)24m,材質(zhì)為SY295。圍堰內(nèi)部設(shè)置四道鋼支撐,一～四道鋼支撐材料與尺寸均一致,即,609×16鋼管,鋼支撐材質(zhì)均為Q235b。一、二道鋼圍檁為2H700×300×13×24型鋼雙拼,三、四道鋼圍檁為3H700×300×13×24型鋼三拼。

考慮到基礎(chǔ)埋設(shè)過深,同時(shí)水深超過10m,鋼板樁剛度有限,故采用組合型鋼板樁,即在圍堰外側(cè)每根鋼板樁上焊接一根等長(zhǎng)度、同材質(zhì)的H700×300×13×24型鋼,由此大大增加鋼板樁圍堰的剛度。

3.4 施工方式

采用安全度較高的濕挖。

3.5 理論計(jì)算

同上文,采用MIDAS/Civil空間有限元計(jì)算軟件及理正深基坑計(jì)算軟甲對(duì)鋼板樁圍堰系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)算分析,均滿足要求,理論可行,具體計(jì)算在此不再詳細(xì)敘述。

3.6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的效果

在施工過程中,鋼板樁、鋼支撐、鋼圍檁等應(yīng)力均在可控范圍內(nèi),且實(shí)測(cè)值同樣普遍小于設(shè)計(jì)值。

由于河床下臥卵石層,鋼板樁在初期打設(shè)較為困難,工效低、鋼板樁下部損壞嚴(yán)重。經(jīng)對(duì)鋼板樁打設(shè)工藝的改進(jìn),即在鋼板樁下部設(shè)置高壓水槍,后續(xù)施工較為順利。同時(shí)為臨近鋼板樁圍堰項(xiàng)目提供了重要的施工經(jīng)驗(yàn)。

鋼板樁本身剛度有限,在超過常規(guī)深度的深水基礎(chǔ)應(yīng)用中需采取加強(qiáng)措施。本項(xiàng)目自高水面至封底混凝土底近19m,通過鋼板樁組合H型鋼,有效提高了鋼板樁圍堰的剛度。

本項(xiàng)目原圍堰方案采用鋼套箱圍堰,也是基于工期、施工及造價(jià)等諸多因素,將圍堰方案調(diào)整為鋼板樁圍堰。本項(xiàng)目在最終成本結(jié)算時(shí),鋼板樁圍堰為建設(shè)單位節(jié)省成本約35%,工期提前3個(gè)月。

4 結(jié)束語

鋼板樁圍堰施工簡(jiǎn)單、可回收、綠色環(huán)保、造價(jià)經(jīng)濟(jì),在越來越多的項(xiàng)目中被采用。本文通過案例分析鋼板樁圍堰不僅適用于一般深度的深水基礎(chǔ),在更深的深水基礎(chǔ)中也可采用。鋼板樁圍堰隨著鋼板樁的發(fā)展,適用的范圍會(huì)更加廣泛。

(1)中國(guó)地域廣闊,各地區(qū)地層差異較大,鋼板樁圍堰使用的前提首先要滿足地質(zhì)條件。隨著鋼板樁工藝的提高,受于地層的約束也將越來越少。

(2)隨著國(guó)家科技水平的提高,鋼鐵制造工藝能力的提升,相應(yīng)在不遠(yuǎn)的將來,高強(qiáng)度的鋼板樁也會(huì)越來越多的被應(yīng)用到實(shí)際工程中。

(3)目前市面上,各種組合型鋼板樁的出現(xiàn),在保證鋼板樁本身優(yōu)勢(shì)的前提下,將鋼板樁的剛度大幅提升,使用范圍擴(kuò)大。

(4)目前鋼板樁圍堰的理論計(jì)算尚有待進(jìn)一步完善,尤其是關(guān)于風(fēng)荷載、波浪荷載及流水荷載的考慮。設(shè)計(jì)時(shí)需綜合分析MIDAS/Civil空間有限元計(jì)算軟件與理正深基坑計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果,保證足夠的安全系數(shù)。

(5)施工隊(duì)伍的技術(shù)水平對(duì)鋼板樁圍堰的施工質(zhì)量至關(guān)重要,因此在選擇專業(yè)隊(duì)伍時(shí),不應(yīng)僅僅本著價(jià)格最低的原則進(jìn)行選擇,應(yīng)選擇信譽(yù)好,專業(yè)化程度高的隊(duì)伍。