鋼板樁圍堰在典型深水高樁承臺中的應用

朱勝軍， 孟金強， 劉 靜， 張 鵬

(鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 齊河 251100)

1 工程概況

1.1 工程簡介

濟萊高鐵大冶水庫特大橋，全長1 482.8 m，孔跨布置為45×32 m。橋梁位于直線上，跨越大冶水庫處采用32 m的預制簡支T梁，大橋的8～26號墩位于水中，共19個(實體墩7個，墩高18～25 m；空心墩12個，墩高25.5～29.5 m)。

水庫正中的15～17號承臺平面尺寸為11.8 m×8.5 m，基礎為10根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，墩位處水深為15.8～16.3 m，實際覆蓋層厚度5.5 m左右，覆蓋層為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、中砂、粗砂等，下伏為白云巖。15～17號墩具有的工程條件如表1所示。

表1 15～17號墩工程條件 m

1.2 水文條件

本橋跨越的大冶水庫，始建于 1958 年，位于濟南市萊蕪區(qū)大冶村北，大汶河支流方下河上，是一座防洪、灌溉、供水、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。水庫面積 3.32 km2，控制流域為 163 km2，運行蓄水位 236.96 m，死水位 221.69 m，近 5 年平均最高水位為 233.03 m，施工圖設計水位 233.00 m，實測水位 225.7 m。

1.3 工程地質(zhì)條件

橋梁位于魯中隆起帶地區(qū)，橋區(qū)不良地質(zhì)為地震液化、巖溶，特殊巖土為人工填土、軟土、松軟土、季節(jié)性凍土。

庫區(qū)水底上覆蓋層主要有淤泥質(zhì)土(軟塑，承載力f0=80 kPa)、松軟土(軟塑，f0=80 kPa)、粉質(zhì)黏土(硬塑，夾層，f0=150 kPa)、粉細砂(稍密，f0=120 kPa)、中砂(稍密，f0=180 kPa)、粗砂(中密，f0=200 kPa)、細圓礫土(密實，f0=250 kPa)、粗圓礫土(密實，f0=250 kPa)等，覆蓋層厚薄不均，最厚處有12 m左右，最薄處只有1～2 m。下伏層主要有灰?guī)r(弱風化W2，f0=800 kPa，抗壓強度Rc=30 MPa)、泥質(zhì)灰?guī)r(W2，f0=500 kPa，Rc=10 MPa)、含燧白云巖(W2，f0=800 kPa，Rc=32 MPa)、白云巖(W2，f0=800 kPa，Rc=20 MPa)。庫底地形呈“V”字形，水底高程最低處在 15～17號墩處。

1.4 現(xiàn)場情況

施工現(xiàn)場沿平行主橋的位置已施工完連通水庫南北岸的鋼棧橋，每個水中墩的位置都設置有支線棧橋和鉆孔平臺，現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場施工環(huán)境

2 圍堰類型比選

2.1 各類圍堰適用條件

各類圍堰的適用條件[1]如表2所示。

表2 各類鋼圍堰的適用條件

2.2 現(xiàn)場情況分析

水庫的水中墩數(shù)量眾多，水中墩在鉆孔樁施工完成之后，后續(xù)的承臺施工非常關(guān)鍵，而水庫區(qū)的水文和地質(zhì)條件很復雜，庫底覆蓋層的變化較頻繁，結(jié)合前期的棧橋和平臺施工過程中積累的經(jīng)驗，大多數(shù)水中墩都可采用鋼板樁圍堰來配合承臺施工。

從現(xiàn)場掌握的水文地質(zhì)條件來看，15～17號墩位處水深均超過15 m，承臺底與河床間距離均大于5 m，屬于典型的深水高樁承臺，參考表2的描述，這3個水中墩采用鋼吊箱作為承臺施工的臨時擋水圍護結(jié)構(gòu)最為適宜。

鋼吊箱雖然非常適合高樁承臺，但具有制作復雜、施工難度大、周期長、用鋼量大等顯著缺點。而鋼板樁圍堰作為最常見的臨時圍護結(jié)構(gòu)，具有制作簡單、施工難度小、施工周期短等優(yōu)點；缺點是結(jié)構(gòu)強度低、適用水深小且樁底需嵌入河床一定深度方能保證圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對于承臺與河床面距離不是很大的情況(不大于10 m)，通過在堰內(nèi)外回填土、澆筑水下封底砼等一些特定的技術(shù)處理措施，也可應用于高樁承臺。

2.3 圍堰類型的選定

大冶水庫特大橋作為濟萊高鐵全線的控制性工程，對工期要求非常緊，同時考慮成本因素，最終確定15～17號墩同樣采用鋼板樁圍堰施工，但需解決如下技術(shù)難題：

(1)15～17號墩位處河床覆蓋層為淤泥質(zhì)土、中砂、粗砂等，且高度只有1.5 m左右，對鋼板樁樁底的嵌固能力較弱，圍堰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

(2)高樁承臺采用鋼板樁圍堰時，通常會先安裝一道支撐，然后將支撐的圍檁與鋼板樁焊接起來成為整體，這樣在堰內(nèi)回填土時，土體對樁體施加的外張力就可通過焊縫傳遞給支撐。但該圍堰水面與巖面的距離為21.7 m，當堰內(nèi)回填土時，如將首道支撐和樁底(假定樁底在巖面處)各視為一鉸支座，鋼板樁作為梁體，梁長將是20 m左右，支撐處因外張力產(chǎn)生的支點反力會比較大，僅靠圍檁與鋼板樁的焊縫傳遞顯得偏弱。

3 鋼板樁圍堰設計

3.1 結(jié)構(gòu)設計

15～17號墩位處的水文地質(zhì)條件相似，故僅以17號墩為例進行圍堰的設計計算，15、16號墩圍堰與其基本一致。

17號墩圍堰設計施工水位233 m，圍堰尺寸按承臺外擴1.0～1.4 m進行考慮，平面設計尺寸14.4 m×10.4 m，設3道內(nèi)支撐，支撐間距自樁頂朝下分別為2.6 m、3.7 m、2.8 m，第3道內(nèi)支撐底口距承臺頂標高的間距不小于50 cm。第1道內(nèi)支撐圍檁采用2-I45a工字鋼，第2、3道內(nèi)支撐圍檁采用3-45a工字鋼，水平撐及斜撐均采用Φ529 mm-8 mm的螺旋鋼管。圍堰結(jié)構(gòu)詳見圖2和圖3。

圖2 17#墩圍堰立面(單位：mm)

圖3 17#墩圍堰內(nèi)支撐平面(單位：mm)

3.2 專項設計

(1)樁底嵌入巖層1 m以上[2]。打樁時采用DZJ180型重錘，將鋼板樁打入白云巖至少1 m以上，樁底嵌入巖層，在理論上可視為一個固定支座，圍堰的樁底嵌固問題迎刃而解，穩(wěn)定性得到保證。經(jīng)現(xiàn)場試樁，實際入巖深度均在1～2 m之間。

(2)在河床覆蓋層頂面增加一層1.5 m厚封底砼。圍堰合攏后，先安裝第1道支撐，再清除堰內(nèi)的淤泥層，然后水下澆筑1.5 m厚的C30封底砼，在后續(xù)工況中，此層封底砼可視為一固定支座。當堰內(nèi)回填土時，檢算力學模型的樁長可降低至14.55 m，計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)各部位均滿足受力要求。

通過以上的專項設計，15～17號墩承臺采用鋼板樁圍堰施工在理論上具備了可行性。

3.3 主要工況受力分析

(1)工況一：鋼板樁插打合攏，水下清淤后澆筑首次封底，堰內(nèi)抽水至第1道內(nèi)支撐中心以下0.55 m(河面以下0.85 m)，安裝第1道內(nèi)支撐，然后堰內(nèi)回水至河面下0.3 m，再在圍堰內(nèi)回填至設計高度。此時，堰內(nèi)支座為第1道內(nèi)支撐和首次封底。

(2)工況二：堰內(nèi)澆筑1.5 m厚度的二次封底砼，強度滿足后，堰內(nèi)抽水至第2道內(nèi)支撐中心以下0.7 m(河面以下4.7 m)，安裝第2道內(nèi)支撐。此時，堰內(nèi)支座為第1道內(nèi)支撐和二次封底。

二次封底、首次封底、樁底兩側(cè)的巖體均可視為鋼板樁的剛性支座，此部分的鋼板樁兩側(cè)沒有水土壓力差，而鋼板樁上部的水土壓力差對它的影響又微乎其微，故二次封底一旦澆筑完成，這部分鋼板樁即淪為冗余結(jié)構(gòu)，故工況二～工況四的計算模型中不予考慮。

(3)工況三：第2道內(nèi)支撐安裝完成后，繼續(xù)抽水至第3道內(nèi)支撐中心以下0.7 m(河面以下7.5 m)，安裝第3道內(nèi)支撐。此時，堰內(nèi)支座為第1、2道內(nèi)支撐和二次封底。

(4)工況四：第3道內(nèi)支撐安裝完成后，圍堰內(nèi)水抽干，準備施工承臺。此時，堰內(nèi)支座為第1、2、3道內(nèi)支撐和二次封底。

各工況的受力分析如圖4所示。

3.4 鋼板樁抗彎計算

鋼板樁采用拉森Ⅳ型，材質(zhì) 16Mn，按照每米寬考慮：截面慣性矩I=38 600 cm4， 截面模量W=2 270 cm3，彎曲應力[σw]=250 MPa，每米寬度鋼板樁能承受最大彎矩：[M]=[σw]W=567.5 kN·m。

用邁達斯建模計算后，鋼板樁在工況二下產(chǎn)生的彎矩最大，為535.1 kN·m<[M]，滿足要求。

3.5 鋼板樁撓度計算

經(jīng)計算工況一～工況四，鋼板樁的撓度及梁長統(tǒng)計如表3所示，工況二時撓度最大，為71.3 mm，撓跨比1/141，鋼板樁圍堰為臨時設施，強度為主控因素，撓度按小于1/100控制即可，故滿足要求。

表3 鋼圍堰撓度計算結(jié)果

3.6 內(nèi)支撐受力計算

按照工況一～四的受力分析，采用邁達斯建模計算，將各工況下內(nèi)支撐因水土壓力產(chǎn)生的支點反力統(tǒng)計如表4所示，在計算時鋼板樁視為梁，內(nèi)支撐視為僅受壓的鉸支座(支撐與鋼板樁僅為貼合狀態(tài)，只會傳遞壓力)，故最小支撐反力為0。

圖4 工況一～工況四受力分析(單位：mm)

表4 內(nèi)支撐受力計算結(jié)果 kN

型鋼工字鋼、鋼管等容許拉壓應力按[σ]=150 kPa 計算。內(nèi)支撐所受應力計算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 第1道～第3道鋼管支撐應力匯總(外力單位:kN；應力單位：kN/m2)

圖6 第1道～第3道圍檁應力匯總(外力單位:kN；應力單位：kN/m2)

第1道內(nèi)支撐鋼管的最大應力是62.2 MPa，第2、3道內(nèi)支撐鋼管的最大應力是112.8 MPa，均<[σ]=150 kPa，均滿足要求。

第1道圍檁2-I45a的最大應力是106.7 MPa，

第2道圍檁3-I45a的最大應力是128.1 MPa，第3道圍檁3-I45a的最大應力是120.1 MPa，均<[σ]=150 MPa，均滿足受力要求。

4 施工工藝

4.1 插打鋼板樁

鉆孔樁施工完成后，拆除鉆孔平臺，保留支棧橋。

根據(jù)施工平面大小確定鋼板樁圍堰的平面位置，然后在鋼板樁圍堰的四角及其它設計位置插打定位樁，在定位樁上放置內(nèi)、外導框(內(nèi)導框采用第1道圍檁，并安裝在第1道圍檁的設計位置，即水面下30 cm，外導框采用2-I36a組焊而成)用以引導和固定鋼板樁圍堰的平面位置。

履帶吊在支棧橋上沿下游側(cè)面的角樁處依次對稱打入鋼板樁直至合攏，鋼板樁根部打入灰?guī)r層的深度不少于1 m。

4.2 首次封底砼澆筑

開始進行圍堰內(nèi)抽水，保持水面下降0.85 m后安裝第1道支撐；回灌水后將堰內(nèi)的河床淤泥和覆蓋層清理至標高+216.65 m，將第1道支撐圍囹和鋼板樁焊接；保持水面下降0.3 m后澆筑首次封底的C30混凝土，采用速凝混凝土，減小混凝土的流動對鋼板樁形成側(cè)壓力，要緩慢澆筑，且不可在一個地方長時間澆筑，要分區(qū)、逐級澆筑。

4.3 堰內(nèi)回填及二次封底砼

首次封底砼結(jié)束，堰內(nèi)回填3.1 m厚度的粗砂，再進行二次水下C30砼封底施工。

4.4 安裝內(nèi)支撐

待二次封底砼強度達標后，進行逐級抽水、逐層安裝內(nèi)支撐及圍檁結(jié)構(gòu)。抽水過程中注意監(jiān)測鋼板樁的變形情況，每次工序結(jié)束后觀察24 h，確認圍堰穩(wěn)定無變化方可進行下一道工序的施工。

4.5 承臺施工

待所有支撐和圍檁結(jié)構(gòu)安裝完畢，焊接質(zhì)量檢查后，開始抽水，最后進行承臺施工。

5 結(jié)束語

在針對涉水橋梁水中墩承臺施工的臨時擋水擋土圍護結(jié)構(gòu)的選用上，各相關(guān)行業(yè)的專業(yè)規(guī)范和書籍中均劃定了各類圍堰的適用范圍，但隨著施工技術(shù)的進步、施工經(jīng)驗的積累以及綜合考慮水文、地質(zhì)、成本、工期等綜合因素，在實際應用中，鋼板樁圍堰已不同程度的超出了設定的適用范圍。

濟萊高鐵大冶水庫特大橋15～17#墩施工中，迫于工期壓力、成本因素、場地受限，現(xiàn)場通過專項設計和精心組織，使得通常只適用于低樁承臺、水深不大作業(yè)條件下的鋼板樁圍堰成功應用于深水高樁承臺作業(yè)中，相關(guān)技術(shù)可供類似項目借鑒。