經(jīng)濟(jì)型組合板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工

劉寧波，曹勤濤

（中交二航局第六工程分公司，湖北　武漢　430014）

經(jīng)濟(jì)型組合板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工

劉寧波，曹勤濤

（中交二航局第六工程分公司，湖北武漢430014）

以山西運(yùn)寶黃河大橋主墩承臺施工為背景，通過方案比選，介紹了在超大水頭差條件下新型組合型板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工，闡述了結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和施工要點(diǎn)，可為同類施工提供參考借鑒。

深水圍堰；組合板樁；經(jīng)濟(jì)型板樁

當(dāng)水頭差超過15 m，現(xiàn)行的臨時圍堰有雙壁鋼套箱和鋼管樁圍堰兩種結(jié)構(gòu)形式。采用雙壁鋼套箱施工，吸泥下沉深度大，施工難度大，若遇河床板結(jié)或者較硬土層，圍堰難以下放到位，影響工期且鋼套箱施工周期長，單片或整體下放難度均較大，后期拆除成本高；若采用鋼管樁圍堰，鎖扣焊接工程量大，加工周期長，且對于承載力較大的土層，打入難度大，對工期較緊項(xiàng)目適用性不強(qiáng)。目前，能達(dá)到鋼管樁相同剛度的還有日本新日鐵公司研制的帽形組合板樁，但須依靠進(jìn)口，運(yùn)輸及材料成本高，不適于一般項(xiàng)目。針對這種情況，亟需研究設(shè)計(jì)出一種新型圍堰結(jié)構(gòu)。

1　工程概況

運(yùn)寶黃河大橋工程起訖樁號為K30+339—K32+029，橋梁全長1 690 m。橋跨布置為4×40 m裝配式預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁橋（引橋）+110 m+2× 200 m+110 m波形鋼腹板矮塔斜拉橋（主橋）+ 48 m+9×90 m+48 m剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋（副橋）。橋址區(qū)地貌單元屬河谷階地區(qū)，地形平緩，無不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。主墩Z2、Z3、Z4承臺采用矩形結(jié)構(gòu)，平面尺寸為33.2 m×23.2 m。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，Z2~Z4承臺均位于粉土、細(xì)砂層中，承臺埋深見表1。其中飽和粉土、細(xì)砂具有液化性，地基液化等級為輕微～嚴(yán)重。

表1　承臺埋深統(tǒng)計(jì)表Table 1　Buried depth of pile capping

承臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

橋位距離下游三門峽水電站大壩51.4 km，目前三門峽水庫基本上采取汛期泄洪排沙、非汛期蓄水發(fā)電的運(yùn)用方式。參照設(shè)計(jì)說明，2002年11月至今，三門峽水庫采用“洪敞”運(yùn)用方式，即汛期入庫流量>1 500 m3/s敞泄，其余時間控制水位≤303.808 m，非汛期平均運(yùn)用水位≤313.808 m，最高運(yùn)用水位≤316.808 m（黃海85高程）。

圖1　主墩承臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic structure of pile capping for main piers

2　方案研究及施工方法

2.1方案研究

按照常規(guī)深水施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步擬定雙壁鋼套箱、鋼管樁圍堰和組合板樁圍堰。“U形板樁+H型鋼”組合板樁作為“>15 m水頭差”的圍堰組成單元，與普通雙壁鋼套箱圍堰、鎖扣鋼管樁進(jìn)行比選，見表2。

與新日鐵帽形組合板樁結(jié)構(gòu)相比，該新型組合板樁成本為它的1/2，充分體現(xiàn)了其經(jīng)濟(jì)性。

后期實(shí)際施工中，根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場施工條件及工期安排特點(diǎn)，采用新型組合板樁圍堰。利用U形板樁與普通H型鋼組合，能大幅度提高板樁的剛度，并減少鎖扣焊接量，減少圍檁層數(shù)，減少體系轉(zhuǎn)換。同時將該組合板樁應(yīng)用于深水承臺施工，打破常規(guī)的15 m水頭深水承臺的圍堰結(jié)構(gòu)，有效降低施工成本，大大提高了施工效率。

表2　方案對比表Table 2　Comparison of alternatives

2.2施工工序確定

深水圍堰采用后支法施工，擬定施工工序如下：布置鉆孔平臺，進(jìn)行鉆孔灌注樁施工。低水位時，通過設(shè)置導(dǎo)向，沉設(shè)組合鋼板樁，并保證沉樁精度，通過鎖扣合攏，合攏后打開連通閥，保持內(nèi)外水頭一致。設(shè)置最上層支撐體系。上層支撐體系安裝就位后，打開聯(lián)通閥，保持內(nèi)外水頭一致，進(jìn)行水下清淤開挖。帶水開挖至基坑底標(biāo)高后，對基坑底進(jìn)行整平，并對鋼護(hù)筒外壁進(jìn)行清理，剔除浮泥。澆筑水下封底混凝土。封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，關(guān)閉聯(lián)通閥，圍堰內(nèi)抽水至第2層支撐體系以下0.5 m，穩(wěn)定水頭，進(jìn)行第2層支撐體系安裝。第2層支撐安裝就位后，按同樣的方法安裝圍堰第3層、第4層支撐體系。待圍檁安裝完成后，抽干圍堰內(nèi)部水，并注意實(shí)時監(jiān)控。割除鋼護(hù)筒，進(jìn)行承臺施工。

3　圍堰設(shè)計(jì)

3.1總體結(jié)構(gòu)布置

選用24 mSP-IVw鋼板樁+HM588×300型鋼焊接而成的組合板樁，進(jìn)行主墩承臺圍堰施工[1-4]，圍堰距承臺邊1.2～1.3 m，圍堰尺寸為：35.8 m× 25.6 m，見圖2。

圖2　鋼板樁圍堰布置圖Fig.2　Layout of steel sheet-pile cofferdam

3.2工況分析計(jì)算

工況1：清淤到指定深度，準(zhǔn)備澆筑封底混凝土，此時安裝了第1層圍檁。工況2：封底完成，達(dá)到強(qiáng)度，抽水到指定標(biāo)高，準(zhǔn)備安裝第2層圍檁。工況3：繼續(xù)抽水到指定標(biāo)高，準(zhǔn)備安裝第3層圍檁。工況4：繼續(xù)抽水到指定標(biāo)高，準(zhǔn)備安裝第4層圍檁。工況5：在施工高水位條件下，抽干圍堰內(nèi)部水。

3.3整體模型計(jì)算

運(yùn)用MIDAS整體建模，根據(jù)實(shí)際施工工序進(jìn)行施工工況分析，提取最終應(yīng)力云圖，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度滿足要求[1-4]。

4　施工要點(diǎn)

該組合板樁采用U形板樁與普通H型鋼焊接的形式，其打樁方式與傳統(tǒng)板樁無異，通過振動錘產(chǎn)生的振動力減小鋼板樁周圍地基土的阻力，易于鋼板樁的插入。該方法不易損壞樁頭及連接焊縫，打樁效率高，可用于打拔鋼板樁。

組合板樁由板樁與型鋼焊接而成，剛度較大，兩者焊接質(zhì)量的好壞直接影響組合板樁的剛度。組合板樁的焊接如圖3所示。

圖3　組合板樁焊接示意圖Fig.3　Schematic drawing for welding of composite sheet-piles

現(xiàn)場施工需注意以下幾點(diǎn)：

1）普通拉森板樁即U形鋼板樁、H型鋼可根據(jù)實(shí)際荷載情況改為工字鋼或其他型鋼。

2）組合鋼板樁采用E50焊條現(xiàn)場焊接，樁接長采用的對接焊縫為Ⅱ級焊縫。

3）鋼板樁與型鋼間的焊接采用貼角焊，焊角尺寸需10 mm以上，角焊縫外觀質(zhì)量為Ⅲ級。

4）焊接長度L之和與板樁總長度L0比值需大于0.4。

組合板樁由于采用U形板樁進(jìn)行連接，在水土壓力作用下，在板樁鎖口產(chǎn)生很大的彎曲剪切力，鎖口位于受力墻體的中心，在這種情況下，剪切力未能在鎖口連接部位間充分傳遞，鋼板樁的慣性矩和截面模量就會減小[5]。因此，設(shè)計(jì)了一種降低組合板樁剛度折減的加勁件，如圖4。

圖4　加勁件布置圖Fig.4　Layout of stiffeners

在組合板樁內(nèi)側(cè)與圍檁型鋼間設(shè)置了加勁件，加勁件包括封口板、頂撐桿和可調(diào)掛板。加勁件作用在于將水土對組合板樁的壓力轉(zhuǎn)化給圍檁支撐系統(tǒng)，從而減小板樁鎖扣的擠壓力，減低板樁剛度折減，避免鎖扣失效和漏水[6]。

5　結(jié)語

隨著我國交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，在深水區(qū)修建大跨橋梁的項(xiàng)目越來越多。新型經(jīng)濟(jì)型組合板樁圍堰具有強(qiáng)度高、止水效果好、施工便捷等特點(diǎn)，能較好適應(yīng)深水承臺施工的需求。本文對新型經(jīng)濟(jì)型組合板樁圍堰設(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，可為同類工程提供參考。

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

GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

[2]JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

JGJ 120—2012,Technical specification of retaining and protecting for building foundation excavation[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 steel structures[S].

[4]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

JTG D60—2004,General code for design of highway bridges and culverts[S].

[5]薛政群.復(fù)合作用力下U型鋼板樁鎖口聯(lián)結(jié)度與其強(qiáng)度關(guān)系[J].海洋工程，1993，11（4）：67-73.

XUE Zheng-qun.The relation ship between U-shaped steel sheet pile's lock connection level and its strength under a compined porce[J].Ocean Engineering,1993,11(4):67-73.

[6] 宋金河，鄭文江.水中深基礎(chǔ)鋼板樁圍堰施工技術(shù)[J].山西建筑，2006，32（21）：122-123.

SONG Jin-he,ZHENG Wen-jiang.Construction of deep foundation steel sheet pile cofferdam in water[J].Shanxi Architecture,2006, 32(21):122-123.

Design and construction of economical composite sheet-pile cofferdams

LIU Ning-bo,CAO Qin-tao
（No.6 Engineering Branch Company of CCCC-Second Harbor Engineering Co.Ltd.,Wuhan,Hubei 430014,China）

Based on the construction of the pile capping for the main piers of Yunbao Huanghe Bridge in Shanxi Province,the paper presents the comparison of different alternatives and expounds on the design and construction of a new type of composite sheet-pile cofferdam under greater head difference as well as the structural advantages and key procedures for construction of the cofferdam,which may be used as reference for similar projects.

deep-water cofferdam;composite sheet-pile;economical sheet-pile

U655.541

A

2095-7874（2016）05-0013-04

10.7640/zggwjs201605004

2016-01-15

劉寧波（1983— ），男，湖北黃崗人，工程師，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：154674197@qq.com