卵石層深水淺埋基坑鋼板樁圍堰施工技術(shù)

彭 永

(中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

鋼板樁強(qiáng)度高，容易打入堅硬土層；可在深水中施工，必要時加斜支撐成為一個圍籠，防水性能好；能按需要組成各種外形的圍堰，并可多次重復(fù)使用。鋼板樁圍堰在橋梁深水基礎(chǔ)施工中應(yīng)用較為廣泛，適用于水深4 m以上，河床覆蓋較厚的砂類土、碎石土、半干性黏土和風(fēng)化巖層等的基礎(chǔ)工程，具有強(qiáng)度大、防水性能好以及打入土、礫、卵石層時穿透性強(qiáng)的優(yōu)點。本文對卵石層深水淺埋基坑鋼板樁圍堰施工進(jìn)行探討，以期為類似工程的施工提供一些借鑒。

1 工程概況

百嘉贛江大橋位于江西省吉安市萬安縣境內(nèi)，起點樁號K2+010，終點樁號K2+938，中心里程K2+474，全長928 m。大橋采用11×30 m T梁引橋、72 m+2×118 m+72 m連續(xù)箱梁主橋、7×30 m T梁引橋的橋跨方案，設(shè)計荷載公路Ⅰ級。百嘉贛江大橋墩臺身共22個，4#～17#橋墩基礎(chǔ)均位于贛江中，其中4#～12#、16#、17#墩屬河床漫灘，13#～15#墩位于深水中，年平均常水位(64.0 m)時水深5.0～7.0 m。水中墩具體參數(shù)如表1所示。

表1 百嘉贛江大橋水中墩參數(shù)

2 鋼板樁圍堰設(shè)計

以主墩13#墩為例說明，采用拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰，長度為12 m，圍堰內(nèi)壁尺寸為16.40 m×14.80 m，環(huán)形圍檁第1道為2I36a工字鋼、第2道為2I45a工字鋼，鋼支撐為Φ529 mm×8 mm鋼管。封底選用C20水下混凝土，厚度為1 m。鋼圍堰的平面及剖面如圖1、2所示。

圖1 鋼圍堰平面布置

圖2 鋼圍堰剖面

表2 材料設(shè)計參數(shù)

2.1 荷載布置

本鋼圍堰設(shè)計荷載主要為：圍堰四周8.0 m深靜水壓力和上游迎水面2.0 m·s-1水流沖擊力。靜水壓力由理正軟件模擬，贛江流水速率v=2.0 m·s-1，則水流沖擊力

p=0.8Aγv2/2gh

(1)

式中：A為阻水面積；γ為水容重，取10 kN·m-3；v為水流速度；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；h為水深。計算得p=24.16 kN·m-1。

2.2 鋼板樁驗算

采用理正計算軟件，按照以下2種施工工況進(jìn)行計算：工況1，開挖至3.8 m，架設(shè)第2道環(huán)形支撐；工況2，開挖至8.0 m。工況計算簡圖及2種工況的包絡(luò)圖如圖3～5所示。

表3 土層參數(shù)

圖3 工況計算簡圖

圖4 開挖至3.8 m包絡(luò)圖

圖5 開挖至8 m包絡(luò)圖

2.3 整體穩(wěn)定驗算

(1) 從支護(hù)底部開始，逐層驗算抗隆起穩(wěn)定性，驗算簡圖如圖6所示，結(jié)果如下。

(2)

(3)

(4)

支護(hù)底部，驗算抗隆起：KS=6.953≥1.600，抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

(2)坑底抗隆起按以最下層支點為轉(zhuǎn)動軸心的圓弧條分法計算，結(jié)果如下。

(5)

KS=5.806≥1.900，坑底抗隆起穩(wěn)定性也滿足規(guī)范要求。

2.4 圍凜及內(nèi)支撐驗算

采用midas Civil對結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間仿真分析，工字鋼圍檁和鋼管支撐均采用梁單元，模型如圖7所示。

根據(jù)以上計算得到圍檁支撐最大支承反力：第1道為50.13 kN，第2道為132.02 kN。采用Midas建模，內(nèi)支撐采用Φ529 mm×8 mm、第1道圍檁2I36a、第2道圍檁2I45a建立梁單元模型，各節(jié)點位置均采用Z方向軸向約束，4個角點采用全方向約束，四周設(shè)置均布荷載。支撐間距1 m，所以第1道圍檁荷載取值50.13 kN·m-1，第2道圍檁為132.02 kN·m-1。

圖6 抗隆起驗算簡圖

2.4.1 支撐強(qiáng)度驗算

主墩圍堰第2道支撐采用Φ529 mm×8 mm的螺旋鋼管，其應(yīng)力如圖8所示，最大應(yīng)力67.71 MPa<215 MPa，驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

圖8 第2道支撐應(yīng)力

2.4.2 圍檁強(qiáng)度驗算

圖9 第2道圍檁應(yīng)力

主墩圍堰第2道圍檁采用2I45a工字鋼，其應(yīng)力如圖9所示，最大應(yīng)力為135.86 MPa<215 MPa，驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 施工工藝流程

鋼板樁圍堰的施工工藝流程依次為：測量放樣，安裝導(dǎo)向框，鋼板樁振動下沉，承臺位河床清挖，澆注封底混凝土，抽水，內(nèi)支撐施工，鑿樁頭、檢樁，承臺、墩身施工，鋼圍堰拆除。

3.2 基底河床面清理

為保證鋼板樁埋置深度及封底混凝土厚度，當(dāng)河床面高出施工標(biāo)高時，采用長臂挖機(jī)開挖，同時可對鋼板樁下沉處進(jìn)行引槽開挖，輔助鋼板樁順利下沉。必要時，配以空壓機(jī)泥沙泵將鋼板樁位置河床底的泥沙、碎石等抽出至標(biāo)高合適后，方可進(jìn)行鋼板樁安裝施工。

3.3 焊接定位裝置

在鋼護(hù)筒上縱向和橫向各焊接4根水平定位桿，定位桿長度即為鋼圍堰內(nèi)部側(cè)板到鋼護(hù)筒邊緣的距離，在定位桿上焊接鋼板樁圍堰內(nèi)支撐圍檁(雙拼I36a工字鋼)，圍檁兼做鋼圍堰下放導(dǎo)向框。為保證鋼板樁插打的垂直度，安裝導(dǎo)向架前，先進(jìn)行測量定位并插打定位樁。在導(dǎo)向架上標(biāo)注出各片樁的界線，安裝限位橫擋，以便在打樁過程中邊打邊糾，防止出現(xiàn)較大的偏差。

3.4 鋼板樁施工

第1根角樁的定位及雙向垂直是控制鋼板樁圍堰位置及后期鋼板樁施工的關(guān)鍵，施工時須從嚴(yán)控制。精確測設(shè)第1根邊樁的方位，指揮履帶吊的位移定位后，打樁錘的錘心調(diào)整到與第1根樁的中心重合。角樁的位置要準(zhǔn)確、要垂直，并用全站儀進(jìn)行豎直度校準(zhǔn)，然后在角樁兩側(cè)插入鋼板樁，隨時以導(dǎo)梁為準(zhǔn)檢查所打的鋼板樁位置是否準(zhǔn)確，垂直度是否合格，及時糾偏。

鋼板樁整體振沉到位后，對鋼板樁外壁一周河床面采取拋填砂袋輔助固沙措施，減小水流沖刷影響。在插打鋼板樁后應(yīng)在已插入的鋼板樁選4個角樁進(jìn)行觀測，運用基坑測量進(jìn)行跟蹤，每隔半個工作日觀測并記錄變化值，保證鋼板樁圍堰的穩(wěn)定與安全。

3.5 鋼板樁圍堰封底

當(dāng)鋼板樁圍堰下沉至設(shè)計標(biāo)高時應(yīng)檢驗基底的地質(zhì)情況是否與設(shè)計相符，以及基底面是否平整等，保證水下封底混凝土厚度滿足驗算厚度要求，從而確保水下混凝土的封底質(zhì)量。

采用水下混凝土(導(dǎo)管灌注)進(jìn)行封底，封底混凝土選用C20水下混凝土，塌落度宜為18～22 cm。導(dǎo)管直徑以25～30 cm為宜，采用2～4套導(dǎo)管同時灌注，分別布置于承臺四角樁基內(nèi)側(cè)，在鋼板樁頂鋼護(hù)筒之間設(shè)置貯料漏斗支撐架，支撐架用工字鋼I36制作。

混凝土灌注過程應(yīng)設(shè)專人對各導(dǎo)管周圍混凝土上升高度進(jìn)行測量，并做好記錄，至少做到每20 min測量1次，防止發(fā)生異常。每根導(dǎo)管混凝土灌注接近完成時，應(yīng)加強(qiáng)測量工作，確?；炷镣瓿晒嘧r標(biāo)高低于設(shè)計標(biāo)高10 cm左右。封底混凝土澆注的過程中，需采用水泵向圍堰外抽水，保持圍堰內(nèi)外水面標(biāo)高一致。

3.6 抽水以及內(nèi)支撐安裝

封底混凝土澆注完成并待強(qiáng)度滿足要求后，在低水位情況下即可抽水，抽水過程中安裝內(nèi)支撐(一層)，支撐采用Φ529 mm×8 mm鋼管，圍檁采用2I45a和2I36a工字鋼，鋼板樁四角設(shè)置Φ529 mm×8 mm鋼管角撐，以避免局部應(yīng)力集中。

待支撐安裝完畢后繼續(xù)抽水直至圍堰內(nèi)積水全部抽干。在抽水過程中注意檢測圍堰的變形情況，遇滲漏水等異常情況應(yīng)停止施工，檢查解決后方可繼續(xù)抽水。

4 結(jié) 語

本文針對卵石層深水淺埋基坑鋼板樁圍堰進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，結(jié)合現(xiàn)場施工工藝及技術(shù)要點，對卵石層深水淺埋基坑鋼板樁圍堰的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，可為同類工程提供借鑒。