土圍堰與雙層鋼板樁圍堰相結(jié)合的圍堰施工技術(shù)分析

王歡

G219線和布克賽爾至塔城至阿拉山口特大橋連續(xù)梁2#水中墩承臺采用土圍堰與雙層鋼板樁圍堰相結(jié)合的支護(hù)形式。文章介紹了該圍堰支護(hù)設(shè)計方案，并分析了圍堰施工步驟與關(guān)鍵工藝，為類似工程提供參考依據(jù)。

土圍堰;雙層鋼板樁圍堰;支護(hù)方案;施工技術(shù)

U445.55+6-A-37-126-5

0?引言

當(dāng)前，隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入，高速公路的建設(shè)過程中出現(xiàn)了很多跨河、跨山谷的特大橋，從而也伴隨產(chǎn)生了很多復(fù)雜的工程技術(shù)問題。本文依托的布克賽爾特大橋跨越舞水和低洼山谷地帶，連續(xù)梁承臺基礎(chǔ)位于水中，河床底土層不滿足入土深度的要求。針對這種特殊的地質(zhì)狀況，采用何種圍堰支護(hù)形式對該承臺進(jìn)行施工是本工程極為關(guān)鍵的一環(huán)，也是本文的研究重點(diǎn)。

1?工程概況

G219線和布克賽爾至塔城至阿拉山口特大橋，全長1 075.88 m，中心里程DK239+251.21。橋址處為丘陵地貌，兩橋臺位于山坡上，小里程側(cè)山坡較陡峭。橋梁主要為跨越舞水和低洼山谷地帶而設(shè)。

本橋（75+125+75） m連續(xù)梁涉及水中基礎(chǔ)施工的部分包含1#、2#墩，具體橋位布置見圖1。本文主要對2#墩水中基礎(chǔ)施工支護(hù)方法進(jìn)行研究。2#墩采用樁基接承臺基礎(chǔ)，承臺結(jié)構(gòu)尺寸為20.7 m（橫橋向）×15.2 m×5 m，墩高51 m。

橋位處設(shè)計為Ⅳ級航道，雙向通航尺寸為90 m（寬）×8 m（高）。水流方向?yàn)閺木€路右側(cè)流向左側(cè)，線路法線與水流方向夾角為18°。橋下泉塘從每年9月份到次年3月份為枯水期，4月份開始進(jìn)入桃花汛，施工區(qū)域近五年最高水位發(fā)生在7月份，水位為+219.0 m。

2#墩所在河底土層為卵石土和泥質(zhì)粉砂巖，其中卵石土的覆蓋層厚度約1.3 m，其余均為泥質(zhì)粉砂巖。

2?支護(hù)方案確定

由圖1橋位布置圖可以看出，2#墩距岸邊40 m，且2#墩承臺底面到極限設(shè)防水位的高度有14 m，水頭高度>10 m，不宜采用單層鋼板樁圍堰。由于項(xiàng)目有現(xiàn)成的鋼板樁可用，并考慮方案的經(jīng)濟(jì)性，可采用雙層鋼板樁圍堰。同時由于河床土層主要為泥質(zhì)粉砂巖，鋼板樁需要有一定的入土深度，故采用土圍堰與雙層鋼板樁圍堰相結(jié)合的支護(hù)形式。

筑島施作雙層鋼板樁圍堰作為水中基礎(chǔ)施工的擋水結(jié)構(gòu)。筑島設(shè)計堰頂高程為+214.5 m，筑島堰頂寬5 m，迎水面坡度在1∶3～1∶5之間，采用片石籠防護(hù)。

圍堰呈長方形布置，外層鋼板樁尺寸為40.2 m×45.7 m。由于該河床底部特殊，鋼板樁入巖的深度為20 cm左右，由于入巖深度較淺，故在鋼板樁圍堰內(nèi)增加內(nèi)支撐兩道，內(nèi)層鋼板樁與外層鋼板樁之間采用鋼管連接。圍堰立面及平面布置見圖2～3。

3?圍堰施工步驟介紹

3.1?施工步驟一

（1）土圍堰填筑：采用長臂挖掘機(jī)進(jìn)占法進(jìn)行圍堰填筑，優(yōu)先挖取舞水河底既有卵石土進(jìn)行土圍堰填筑。若施工區(qū)域卵石土不足，自料場開挖土料由自卸車運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行填筑，填筑土經(jīng)環(huán)保部門同意，需經(jīng)檢測合格，對水源無污染后方可使用。同步進(jìn)行土圍堰注漿，保證圍堰止水效果。

（2）插打鋼板樁：土圍堰施工完成后，采用150 t振動錘進(jìn)行鋼板樁插打，優(yōu)先進(jìn)行外側(cè)鋼板樁插打，后進(jìn)行內(nèi)側(cè)鋼板樁插打。同步進(jìn)行兩層鋼板樁之間內(nèi)支撐與鋼棧橋施工（注漿與鋼板樁圍堰施作可同步進(jìn)行）。

3.2?施工步驟二

（1）鋼板樁圍堰施工完成后，采用大功率自吸泵進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水，同時采用挖掘機(jī)清理內(nèi)側(cè)鋼板樁圍堰內(nèi)填土。

（2）填土清理至+213.7 m高程時，安裝頂層圈梁和內(nèi)支撐。

3.3?施工步驟三

（1）頂層內(nèi)支撐施工完成后，采用挖掘機(jī)繼續(xù)清理基坑內(nèi)填土。

（2）填土清理至+210.7 m高程時，安裝底層內(nèi)支撐和圈梁。

3.4?施工步驟四

進(jìn)行承臺施工區(qū)域機(jī)械放坡開挖，開挖至設(shè)計標(biāo)高后，埋設(shè)樁基護(hù)筒。為避免護(hù)筒偏位采用型鋼將12個樁基護(hù)筒連接，連接完后回填至基巖頂面。

3.5?施工步驟五

（1）修筑圍堰進(jìn)出土坡便道，臨時切除土坡便道處外漏鋼板樁圍堰。圍堰內(nèi)土坡便道長20.6 m，高6.3 m，坡度為30%，滿足旋挖鉆（最大爬坡能力35%）出行需要。圍堰外便道接U型圍堰施工便道。

（2）旋挖鉆機(jī)進(jìn)入圍堰，開始鉆孔樁施工。具體如圖4所示。

3.6?施工步驟六

（1）鉆孔樁施工完成，采用鋼板封閉旋挖鉆進(jìn)出坡道開口，再次進(jìn)行承臺基礎(chǔ)開挖。

（2）鑿除樁頭，綁扎承臺鋼筋，立模板，澆筑承臺。

3.7?施工步驟七

（1）承臺施工完成，填土至承臺頂面。

（2）施工墩身，墩身施工期間的最高水位為+219.0 m。

4?圍堰施工關(guān)鍵工藝介紹

4.1?鋼板樁插打

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及施工條件，本工程鋼板樁圍堰采用單獨(dú)打入法。即先由工程測量人員對鋼板樁圍堰軸線進(jìn)行精確測量放線，采用鋼板樁作為導(dǎo)向樁，并對其進(jìn)行間隔設(shè)置，采用掛繩線作為導(dǎo)線，并利用該導(dǎo)線對鋼板樁的軸線進(jìn)行控制。從一個角部開始對其進(jìn)行逐塊插打。鋼板樁在插打的過程中不得停頓。

對鋼板樁進(jìn)行插打時，采用打樁機(jī)先對鋼板樁進(jìn)行吊起，然后采用人工進(jìn)行扶正就位。鋼板樁在插打前先對河床底部標(biāo)高進(jìn)行詳細(xì)摸底，從而核算出每塊鋼板樁的具體插打深度，以保證其插打效果為最佳。

對鋼板樁的詳細(xì)情況摸底清楚后即可插打鋼板樁，先從上游開始進(jìn)行插打，然后往兩邊逐根進(jìn)行插打。鋼板樁的插打垂直度控制是極其關(guān)鍵的一環(huán)，尤其是第一根鋼板樁的插打，要從兩個面對其進(jìn)行控制，插打后如不垂直應(yīng)對其進(jìn)行局部調(diào)整，從而確保后面鋼板樁的垂直度不受影響。

4.2?鋼板樁拔除

當(dāng)水中基礎(chǔ)全部施工完畢后，即可對支撐和鋼板樁進(jìn)行全部拆除，先對基坑進(jìn)行回填，然后拔出鋼板樁。拔樁施工從下游開始，拔樁時宜用射水、錘擊等松動措施。

5?圍堰計算分析

5.1?土圍堰計算

結(jié)合圍堰施工步驟，計算時取3種工況對鋼板樁圍堰進(jìn)行計算，具體見表1。

5.1.1?基本參數(shù)

（1）材質(zhì)

鋼板樁材質(zhì)為Q295bz，截面特性W=2 270cm3，允許應(yīng)力[σ]=295/1.7=175 MPa。

（2）土層

根據(jù)現(xiàn)場勘測提供的地質(zhì)資料，承臺面以下覆蓋層均為粉質(zhì)泥沙巖。本計算根據(jù)規(guī)范提供參考值取值計算（《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》P.56）。砂土容重取γ=19.5 kN/m3，浮容重近似取γ=9.5 kN/m3，內(nèi)摩擦角取φ=35°。

主動土壓力系數(shù)：Ka=tan2（π/4-35°/2）=0.27;

被動土壓力系數(shù)：

Kp=tan2（π/4+35°/2）=3.69。

5.1.2?工況一計算

（1）鋼板樁入土深度計算[2]

設(shè)+214.5 m以下入土深度為y：

ea?水=10×（y+1.8）=10（y+1.8）[3]

ea?1=19.5×2×0.27=10.53

ea?2=10.53+9.5×（1.8+y）×0.27=10.53+2.57（y+1.8）

ep?1=19.5×y×3.69=71.96y

計算入土深度底土壓力強(qiáng)度等于零的點(diǎn)，K=2。

71.96y×2=2.57×（y+1.8）+10.53+10（y+1.8）

計算得y=0.25。

經(jīng)計算P/0=37.6 kN。

P/0=（19.5×2×3.69-9.5×0.27-10）x2/6

x=1.31

t=x+y=1.56

入土t?0=1.56×1.15=1.79 m，現(xiàn)場采用9 m長鋼板樁，樁底標(biāo)高208.6 m，設(shè)計入土深度為：

（210.7-208.6）=2.1 m>t0=1.79 m，符合要求。

（2）鋼板樁受力計算

鋼板樁彎矩見圖5。

σ=M/W=28.7 kN·m/2 270 cm3=12.6 MPa<175 MPa，符合要求。

（3）圈梁和內(nèi)支撐計算

圈梁彎矩和內(nèi)支撐軸力云圖見圖6～7。

圈梁計算：

σ=M/W=1 285 900 000/17 977 418=71.8 MPa<170 MPa[1]，符合要求。

內(nèi)支撐計算：

σ=F/A=1 986 000/0.807/31 101=79.1 MPa<170 MPa，符合要求。

5.1.3?工況二計算

9 m鋼板樁圍堰內(nèi)填土不考慮。

ea?水=10×8.4=84

ea=9.5×5.9×0.27=15.1

（1）鋼板樁計算

σ=M/W=365.7 kN·m/2 270 cm3=161.1 MPa<175 MPa，符合要求。

（2）底層圈梁和內(nèi)支撐受力計算

圈梁計算：

σ=M/W=2 658 500 000/26 966 127=98.6 MPa<170 MPa，符合要求。

內(nèi)支撐計算：

σ=F/A=4 021 100/0.856/44 786=104.8 MPa<170 MPa，符合要求。

5.1.4?工況三計算

（1）極限設(shè)防水位為+219.0 m時，進(jìn)行內(nèi)層鋼板樁受力驗(yàn)算（見下頁圖8）。

9 m鋼板樁計算：

考慮9 m鋼板樁圍堰內(nèi)填土。

ea?水=10×10.4=104

ea=9.5×5.9×0.27=15.1

ep=19.5×2.1×3.69=151.1

鋼板樁計算：

σ=M/W=151.9 kN·m/2 270 cm3=66.9 MPa<175 MPa，符合要求。

（2）極限設(shè)防水位為+219.0 m時，外層鋼板樁受力驗(yàn)算（見圖9）。

①鋼板樁入土深度計算

設(shè)+214.5 m以入土下深度為y：

ea?水=10×（y+4.5）=10（y+4.5）

ea?1=9.5×y×0.27=2.57y

ep?1=19.5×y×3.69=71.96y

計算入土深度底土壓力強(qiáng)度等于零的點(diǎn)，K=2。

71.96y×2=2.57×y+10（y+4.5）

計算得y=0.34

經(jīng)計算P/0=28.5 kN。

P/0=（19.5×2×3.69-9.5×0.27-10）x2/6

x=1.14

t=x+y=1.48

入土t?0=1.48×1.15=1.7 m，符合要求。

②強(qiáng)度驗(yàn)算

ea?水=10×6.41=64.1

ea=9.5×1.91×0.27=4.90

ep=19.5×1.91×3.69=137.4

鋼板樁計算：

σ=M/W=26.0 kN·m/2 270 cm3=11.5 MPa<175 MPa，符合要求。

圈梁計算：

M=80.4×32/8=90.5 kN·m

σ=M/W=90 500 000/1 434 055=63.1 MPa<170 MPa，符合要求。

內(nèi)支撐計算：

σ=F/A=80 400×3/0.939/9 852=26.1 MPa<170 MPa，符合要求。

5.1.5?計算結(jié)論

通過對3種工況進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)算，鋼板樁的入土深度滿足要求，在每種工況下鋼板樁的強(qiáng)度及圈梁、內(nèi)支撐的強(qiáng)度均符合設(shè)計要求。各桿件在滿足要求的情況下均有一定的安全貯備，各桿件截面的選用未造成材料的浪費(fèi)，方案的設(shè)計較為合理。

6?結(jié)語

布克賽爾特大橋跨越舞水處采用連續(xù)梁，該連續(xù)梁2#墩位于水中，因承臺底面到極限設(shè)防水位的高度有14 m，并考慮到鋼板樁的入土深度，采用土圍堰與雙層鋼板樁相結(jié)合的支護(hù)形式。本文首先對圍堰的施工順序及關(guān)鍵工藝進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后通過Midas Civil有限元軟件對其進(jìn)行建模并計算分析。通過計算可知，鋼板樁、圈梁及內(nèi)支撐的強(qiáng)度均滿足要求，所選用的桿件截面未造成材料的浪費(fèi)，所設(shè)計的方案滿足現(xiàn)場施工的需求。該方案適用于深水基礎(chǔ)施工，可為以后類似工程提供可參考的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50017-2017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，1995.

[3]趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.