深埋式承臺鋼板樁圍堰設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)

王德懷

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

濟(jì)南鳳凰路黃河大橋跨黃河主橋為三塔(鋼塔)自錨式懸索橋，跨徑組合為(70+168+2×428+168+70) m，共設(shè)3座主塔，2座邊塔和1座中塔，其中中塔承臺(圖1)位于水中，平面尺寸為33.2 m×23.2 m，承臺高5 m，承臺位置處泥面平均標(biāo)高為+22.18 m，根據(jù)河道管理部門要求，承臺頂面需埋入河床以下不小于3 m，承臺頂標(biāo)高為+19.080 m，承臺底標(biāo)高為+14.080 m。承臺下設(shè)35根鉆孔灌注樁，鉆孔樁直徑2.0 m，樁長100 m。

圖1 中塔承臺布置圖(除標(biāo)高單位為m外，其余：mm)

工程區(qū)所處的黃河段整體呈東西向，彎道較多，黃河歷來有桃、伏、秋、凌四汛，桃汛較小，伏汛、秋汛最大，暴雨洪水多集中在每年7—10月，枯水流量多在12月至次年2月間，施工常水位為+24.55 m。通過勘探揭露，在勘探深度范圍內(nèi)的地層上部為第四系全新統(tǒng)沖積物和沖洪積物，地質(zhì)時代新，膠結(jié)程度低，均一性較差。鋼板樁圍堰范圍內(nèi)主要為粉質(zhì)黏土、粉土，局部含粉砂，地質(zhì)條件不良。

2 鋼板樁圍堰設(shè)計

2.1 圍堰基本構(gòu)造

中塔承臺鋼板樁圍堰采用拉森SP-IVw鋼板樁，長21 m。采用3層圍囹，圍囹高程分別為+24.200、+20.200、+17.000 m，第一層圍囹截面形式為2HN700×300，2、3層圍囹截面形式為3HN700×300。對撐及斜撐采用與本層圍囹同型號型鋼，對撐間水平及豎向桿件采用φ426 mm×6 mm鋼管，鋼護(hù)筒直徑2.3 m，封底/墊層混凝土厚度為2.0 m。鋼板樁以及第2、3層圍囹及型鋼內(nèi)支撐均采用Q345-B鋼材，其余構(gòu)件采用Q235-B鋼材。鋼板樁結(jié)構(gòu)、支撐體系構(gòu)造及位置見圖2。

(a) 平面布置圖

圖2 鋼板樁圍堰平面、立面布置圖(單位：mm)

2.2 計算荷載工況

根據(jù)設(shè)計圖紙中的結(jié)構(gòu)布置及施工工序,采用Midas有限元軟件建立模型，鋼板樁、圍囹、支撐采用梁單元模擬，鋼板樁底部僅約束豎向位移，被動土壓力采用只受壓土彈簧模擬，圍囹與鋼板樁之間采用只受壓彈簧模擬，支撐與圍囹間共節(jié)點(diǎn)處理，在牛腿處約束豎向位移模擬其對圍囹的支撐作用，考慮內(nèi)外水壓力、土壓力及水流作用力計算4個最不利荷載工況。

工況1：安裝第一層水平支撐體系，帶水開挖至基坑底工況，圍堰外產(chǎn)生的土壓力為主動土壓力，圍堰內(nèi)為被動土壓力[圖3(a)]。

工況2：安裝第二層水平支撐體系前，抽水至第二層水平支撐體系下1 m(+19.20 m)，準(zhǔn)備安裝第二層水平支撐[圖3(b)]。

工況3：安裝第三層水平支撐體系前，抽水至第三層水平支撐體系下1 m(+16.00 m)，準(zhǔn)備安裝第三層水平支撐[圖3(c)]。

工況4：抽水至基坑底工況，安裝好第三層水平支撐后，圍堰內(nèi)抽水至基坑底，準(zhǔn)備澆筑第一層承臺[圖3(d)]。

彈簧支撐按照自上而下K1～Kn進(jìn)行編號，等效彈簧換算模擬剛度如表1所示。

考慮兩種荷載組合形式：標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合。標(biāo)準(zhǔn)組合=∑恒載+∑活載；基本組合=1.2∑恒載+1.4∑活載。

2.3 主要計算結(jié)果

根據(jù)計算分析，最不利工況下鋼板樁最大應(yīng)力σmax=260 MPa<290 MPa，變形δmax=61 mm

封底混凝土分為施工高水位抽水工況及低水位澆筑承臺工況，計算得到封底混凝土最大拉應(yīng)力為σ1=0.96 MPa

2.4 內(nèi)支撐穩(wěn)定性計算

依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，計算內(nèi)支撐在基本荷載組合作用下平面內(nèi)外的穩(wěn)定性。

平面內(nèi)穩(wěn)定性公式：

(1)

平面外穩(wěn)定性公式：

(2)

圖3 4種荷載工況(標(biāo)高、尺寸單位：m)

表1 等效彈簧換算剛度

計算結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)支撐穩(wěn)定性驗算

計算得到內(nèi)支撐穩(wěn)定性σ/f<1，能夠滿足規(guī)范要求。

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 總體施工流程

鋼板樁插打完成后采用長臂挖機(jī)配合吸泥機(jī)進(jìn)行基坑開挖取土施工，邊開挖邊安裝至第三道圍囹及內(nèi)支撐，基坑開挖過程中隨時對基坑進(jìn)行監(jiān)測。第三道圍囹及內(nèi)支撐安裝完成后，繼續(xù)開挖至基坑底部標(biāo)高后澆筑2.0 m厚封底混凝土(干封底)；若繼續(xù)開挖過程中發(fā)現(xiàn)異常(監(jiān)測指標(biāo)超標(biāo))，立即向基坑內(nèi)回灌水至標(biāo)高+23.000 m，帶水開挖至基坑底部，澆筑2.0 m厚水下封底混凝土(水下封底)，待封底混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后圍堰內(nèi)抽干水，最后進(jìn)行后續(xù)樁頭處理和承臺施工，總體施工工藝見圖5。

圖4 4種工況圍堰應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖5 總體施工工藝流程圖

3.2 鋼板樁插打

目前市場上成品拉森SP-IVw鋼板樁長18 m，該工程鋼板樁設(shè)計樁長21 m，需采用同類型、同等強(qiáng)度鋼板樁焊接接長，焊接時先進(jìn)行對焊再貼板補(bǔ)強(qiáng)。

在鋼板樁施工中，為保證沉樁軸線位置的正確和樁的豎直，控制樁的打入精度，防止板樁的屈曲變形和提高樁的貫入能力，設(shè)置具有一定剛度的、堅固的定位導(dǎo)向架系統(tǒng)，其主要由定位樁和導(dǎo)向梁組成，定位樁可利用鉆孔樁施工平臺四周的鋼管樁及最外側(cè)的鋼護(hù)筒，在護(hù)筒和鋼管樁之間采用型鋼搭設(shè)定位導(dǎo)向梁的支撐梁。

3.3 基坑開挖與圍囹及內(nèi)支撐安裝

圍堰圍囹及內(nèi)支撐的安裝施工與圍堰內(nèi)泥面的下降按“先安裝支撐后開挖，分層支撐分層開挖”的原則進(jìn)行，當(dāng)開挖至圍囹安裝高度以下1 m時，開始安裝圍堰圍囹及內(nèi)支撐。圍囹桁架安裝利用80 t龍門吊和250 t·m塔吊起吊吊裝，根據(jù)龍門吊和塔吊起重能力桁架在后場分片、分段加工后運(yùn)達(dá)現(xiàn)場，龍門吊/塔吊吊裝到位后原位拼裝成為整體。

3.4 封底混凝土施工

基坑開挖過程中采用應(yīng)力、應(yīng)變計隨時對基坑進(jìn)行監(jiān)測，第三道圍囹及內(nèi)支撐安裝完成并繼續(xù)開挖，施工過程中監(jiān)測指標(biāo)未超標(biāo)，坑底滲水量小，繼續(xù)開挖直至基坑底部，開挖完成后進(jìn)行封底混凝土澆筑。

3.5 承臺施工和圍囹及內(nèi)支撐體系轉(zhuǎn)換

承臺分兩層澆筑(2 m+3 m)，鋼板樁圍堰第三層圍囹及內(nèi)支撐底面標(biāo)高位于第一層承臺頂面標(biāo)高以上，不影響第一層承臺施工。待已澆筑的第一層混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，將第一層承臺與鋼板樁之間的空隙回填1.3 m細(xì)砂并壓實(shí)，并在細(xì)砂頂部澆筑0.5 m夾壁混凝土。待夾壁混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，拆除第三層圍囹及支撐，通過夾壁混凝土將鋼板樁側(cè)壓力傳遞至第一層承臺，完成受力體系轉(zhuǎn)換，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)第二層承臺施工。

3.6 鋼板樁圍堰施工監(jiān)測

基坑開挖時伴隨著土方的大量卸載，水土壓力重新分布，原有的平衡體系被打破，鋼板樁作為維持新平衡體系的重要承載體，承受水土壓力而產(chǎn)生變形，在樁頂位置產(chǎn)生水平位移和沉降，內(nèi)支撐承受較大軸力，為反映施工期間支護(hù)體系變形情況，對鋼板樁頂位移及內(nèi)支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測。鋼板樁豎向每隔2 m布置14個位移測點(diǎn)，在受力較大的內(nèi)支撐每層安裝6個振弦式應(yīng)變計，對鋼板樁進(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)布置位置見圖6，標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下的理論值與實(shí)際監(jiān)測值見表3。

圖6 監(jiān)測測點(diǎn)

由表3可以看出：鋼板樁圍堰變形及應(yīng)力的理論值與實(shí)測值相比偏大。理論值偏大的原因在于模型中考慮的設(shè)計高水位為+24.55 m，實(shí)際施工中最大水位僅為+22.10 m；另外主動土壓力與被動土壓力的計算假定為均質(zhì)土體，實(shí)際土質(zhì)情況與模擬存在誤差。最終實(shí)測鋼板樁圍堰頂最大變形49.1 mm

表3 鋼板樁圍堰實(shí)測值與理論值比較

4 結(jié)語

濟(jì)南鳳凰路黃河大橋主橋為三塔自錨式懸索橋，中塔基礎(chǔ)位于黃河中心位置，承臺埋入河床較深，橋址地質(zhì)條件不良，該文通過對深埋式承臺鋼板樁圍堰設(shè)計與施工進(jìn)行研究，選用拉森SP-IVw鋼板樁，設(shè)置3層圍囹及內(nèi)支撐，按“先安裝支撐后開挖，分層支撐分層開挖”的原則進(jìn)行施工，施工過程中對結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時預(yù)警，確保深埋式承臺鋼板樁圍堰的順利實(shí)施，可為類似工程提供施工參考。