摘要 文章針對(duì)某大型跨江橋X1墩基礎(chǔ)深水淺覆蓋層的施工難題,提出了鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)方案,詳細(xì)分析了圍堰總體設(shè)計(jì)、工況分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,重點(diǎn)闡述了刻槽、吹砂、混凝土止水墻和圍檁內(nèi)支撐體系等關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。通過(guò)高精度定位、專用設(shè)備、實(shí)時(shí)監(jiān)控等措施,成功解決了深水環(huán)境下淺覆蓋層的施工難題。工程實(shí)踐表明,該技術(shù)在保證施工質(zhì)量和安全的同時(shí),顯著提高了施工效率,可為類似工程提供有益借鑒。
關(guān)鍵詞 橋梁墩基礎(chǔ);深水淺覆蓋層;鎖扣鋼管樁圍堰;刻槽技術(shù);水下混凝土
中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949(2025)03-0048-03
0 引言
隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的快速發(fā)展,跨越大江大河的橋梁工程日益增多,其中深水基礎(chǔ)施工技術(shù)是關(guān)鍵難題之一。特別是在深水淺覆蓋層地質(zhì)條件下,傳統(tǒng)圍堰技術(shù)往往難以滿足施工要求。該文以某大型跨江橋X1墩基礎(chǔ)為例,探討了深水淺覆蓋層條件下鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用,旨在為類似工程提供技術(shù)參考。
1 工程概況
該工程為某大型跨江橋項(xiàng)目,主跨跨度為300 m,采用(65+90+160+90)m連續(xù)剛構(gòu)。其中,X1墩基礎(chǔ)位于深水庫(kù)區(qū),采用深埋式矩形承臺(tái),平面尺寸為17.4 m×12.4 m,高3.5 m,下設(shè)12根φ2.2 m灌注樁,橋墩立面布置圖如圖1所示。該處水域常水位為29.8 m,平均水深11 m,汛期流速可達(dá)1.26 m/s。地層結(jié)構(gòu)從上到下依次為1.3 m厚圓礫層、2.4 m厚全風(fēng)化花崗巖、13.8 m厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上帶和4.9 m厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下帶。X1墩基礎(chǔ)施工面臨深水、淺覆蓋層、易坍塌和汛期水流影響等技術(shù)難題[1]。
2 橋梁墩基礎(chǔ)施工中深水淺覆蓋層鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
圍堰總體設(shè)計(jì)采用鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu),充分考慮了X1墩深水淺覆蓋層的特殊地質(zhì)條件和水文環(huán)境。如圖2所示,圍堰平面尺寸為22.52 m×17.32 m,比承臺(tái)外輪廓尺寸分別外擴(kuò)1.66 m和1.76 m,以確保施工空間。鎖扣鋼管樁采用φ800 mm×10 mm規(guī)格,單樁長(zhǎng)度為24 m。圍堰頂標(biāo)高設(shè)置為32.0 m,高出設(shè)計(jì)水位約1.0 m,以應(yīng)對(duì)可能的水位波動(dòng)[2]。樁底標(biāo)高為8.0 m,嵌入基坑底部6.8 m,確保圍堰的整體穩(wěn)定性和抗?jié)B性。
圍堰內(nèi)設(shè)置4層圍檁內(nèi)支撐體系,從下至上標(biāo)高分別為19.6 m、23.0 m、27.0 m和31.0 m。第1層和第2層圍檁采用2HN700×300型鋼,內(nèi)支撐選用φ800×10 mm鋼管;第3層和第4層圍檁則采用3HN700×300型鋼,內(nèi)支撐選用φ1000×12 mm鋼管,以適應(yīng)不同水深的側(cè)向壓力。所有鋼結(jié)構(gòu)材料均采用Q235B鋼,滿足強(qiáng)度和耐久性要求。為解決淺覆蓋層施工難題,在圓礫層和全風(fēng)化花崗巖層設(shè)計(jì)了50 cm厚的混凝土止水墻,頂標(biāo)高為18.7 m,與承臺(tái)頂齊平。止水墻下設(shè)50 cm厚的混凝土墊層,底標(biāo)高為15.2 m,以有效控制基坑滲水[3]。圍堰底部采用回填砂填充至標(biāo)高18.7 m,形成穩(wěn)定的作業(yè)面。承臺(tái)底標(biāo)高為15.2 m,高3.5 m,頂標(biāo)高為18.7 m,與混凝土止水墻頂齊平,以確保施工連續(xù)性和防滲效果。
2.2 工況分析
針對(duì)X1墩深水淺覆蓋層鎖扣鋼管樁圍堰的特點(diǎn),該文設(shè)計(jì)考慮了四種關(guān)鍵工況進(jìn)行分析:圍堰封底前、圍堰抽水后、承臺(tái)混凝土澆筑完成后和圍堰拆除前[4]。利用有限元軟件對(duì)這四種工況進(jìn)行模擬計(jì)算,重點(diǎn)分析了圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果如表1所示:
2.3 圍堰驗(yàn)算
基于工程X1墩深水淺覆蓋層鎖扣鋼管樁圍堰的實(shí)際情況及特殊條件,此次對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算,主要包括抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性和承載力驗(yàn)算[5]。
(1)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算
采用抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算,公式如下:
(1)
其中,——抗傾覆力矩之和;——傾覆力矩之和;——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)允許值,取1.3。計(jì)算得出,滿足要求。
(2)抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算
采用抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算,公式如下:
(2)
其中,——抗滑力之和;——滑移力之和;——抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)允許值,取1.3。計(jì)算得出,滿足要求。
(3)承載力驗(yàn)算
采用地基承載力驗(yàn)算公式:
(3)
其中,——最大地基反力;N——圍堰自重和水壓力的合力;A——圍堰底面積;M——彎矩;W——圍堰底面抗彎截面模量;——地基允許承載力。計(jì)算得出 kPa kPa,滿足要求。
通過(guò)以上驗(yàn)算,結(jié)果表明該鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)在抗傾覆、抗滑移和承載力方面均滿足規(guī)范要求,具有良好的整體穩(wěn)定性和安全性,可為X1墩基礎(chǔ)的順利施工提供可靠的技術(shù)保障,同時(shí)也驗(yàn)證了圍堰總體設(shè)計(jì)的合理性和可行性。
3 關(guān)鍵技術(shù)分析及運(yùn)用
3.1 刻槽施工分析及運(yùn)用
項(xiàng)目采用了創(chuàng)新的水下刻槽技術(shù),結(jié)合精確定位和實(shí)時(shí)監(jiān)控,有效解決了傳統(tǒng)插打工藝在淺覆蓋層中難以施工的問(wèn)題。
(1)高精度定位系統(tǒng):使用GPS-RTK技術(shù)結(jié)合全站儀,實(shí)現(xiàn)刻槽位置的厘米級(jí)定位精度。定位誤差控制在±2 cm以內(nèi),確??滩圯喞c設(shè)計(jì)的一致[6]。
(2)專用刻槽設(shè)備:采用自主研發(fā)的水下鏈刀式刻槽機(jī),刀頭寬度為90 cm,刻槽深度可達(dá)3 m。設(shè)備功率為220 kW,能有效切割圓礫層和全風(fēng)化花崗巖層。
(3)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng):安裝水下聲吶和攝像頭,實(shí)時(shí)監(jiān)控刻槽過(guò)程。通過(guò)數(shù)據(jù)分析,刻槽垂直度偏差控制在1%以內(nèi),寬度誤差不超過(guò)5 cm。
(4)分段施工策略:將圍堰輪廓分為8個(gè)段,每段長(zhǎng)度約12 m。采用交替施工方式,有效控制刻槽壁面的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。每段刻槽完成后,立即進(jìn)行吹砂填充,以穩(wěn)定槽壁[7]。
(5)泥漿循環(huán)系統(tǒng):使用泥漿比重為1.2~1.3 g/cm3,流量為200 m3/h的循環(huán)系統(tǒng),確??滩圻^(guò)程中的槽壁穩(wěn)定和碎屑清除效率。表2所示為刻槽施工參數(shù):
3.2 吹砂施工分析及運(yùn)用
吹砂技術(shù)是繼刻槽施工后的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié),可提高圍堰的防滲性能和整體穩(wěn)定性。該項(xiàng)目針對(duì)特殊地質(zhì)條件,采用了精準(zhǔn)控制的水下吹砂技術(shù),有效解決了傳統(tǒng)填砂方法在深水條件下難以實(shí)施的問(wèn)題。
吹砂施工主要采用以下技術(shù)措施及使用方法:
(1)高效吹砂設(shè)備:使用功率為315 kW的離心泵,配合特制的φ200 mm吹砂管,實(shí)現(xiàn)最大吹砂流量300 m3/h,有效提高施工效率[8]。
(2)精準(zhǔn)定位系統(tǒng):采用水下聲吶結(jié)合RTK-GPS技術(shù),實(shí)現(xiàn)吹砂管端部位置的厘米級(jí)定位,保證填砂均勻性和填充密實(shí)度。
(3)分層填充策略:將刻槽深度2.7 m分為3層進(jìn)行填充,每層厚度約0.9 m。采用“先深后淺、先兩側(cè)后中間”的填充順序,有效防止砂料流失和槽壁坍塌。
(4)砂料優(yōu)化配比:選用中粗砂,粒徑為0.52 mm,將含泥量控制在3%以下,加入5%的細(xì)石子(粒徑510 mm)以提高填充體的整體穩(wěn)定性。
(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng):安裝水下密度儀和測(cè)厚儀,實(shí)時(shí)監(jiān)控填砂密實(shí)度和厚度。通過(guò)數(shù)據(jù)分析,填砂密實(shí)度達(dá)到95%以上,厚度誤差控制在±5 cm內(nèi)。吹砂施工的精準(zhǔn)實(shí)施不僅有效填充了刻槽空間,還顯著提高了圍堰的整體防滲性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,為深水承臺(tái)施工提供了可靠保障。
3.3 槽內(nèi)混凝土止水墻施工分析及運(yùn)用
該工程采用了創(chuàng)新的水下混凝土澆筑技術(shù),有效解決了深水環(huán)境下止水墻施工的難題。止水墻施工平面布置圖如圖3所示。根據(jù)布置圖,此次施工采用C30水下混凝土,水灰比為0.45,摻加5%的膨脹劑和0.8%的減水劑,提高混凝土流動(dòng)性和抗?jié)B性,坍落度控制在180~220 mm。使用φ250 mm鋼導(dǎo)管澆筑,導(dǎo)管間距控制在3 m以內(nèi),沿承臺(tái)輪廓均勻分布,確?;炷脸浞痔畛?。在鎖扣鋼管樁內(nèi)側(cè)安裝SP-IVw型鋼板樁,作為止水墻的成形模板和防滲屏障,保證定位精度。將止水墻分為4個(gè)澆筑段,每段長(zhǎng)度約15 m,采用交錯(cuò)澆筑方式,控制溫度應(yīng)力,減少收縮裂縫。在關(guān)鍵位置布置測(cè)點(diǎn),通過(guò)水下攝像頭和聲吶設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控澆筑過(guò)程,安裝測(cè)溫傳感器以控制混凝土的內(nèi)部溫度不超過(guò)65℃。布料點(diǎn)間距控制在5 m以內(nèi),確?;炷辆鶆蜾佌?,避免離析。施工數(shù)據(jù)分析顯示,平均澆筑速度為25 m3/h,單次最大澆筑量為180 m3,混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為35.6 MPa(28 d),止水墻垂直度偏差≤0.3%,厚度合格率為97%。
3.4 圍檁內(nèi)支撐體系施工分析及運(yùn)用
該項(xiàng)目采用多層次的支撐體系,包括頂部承重梁、千斤頂、精軋螺紋鋼及第3層和第4層圍檁內(nèi)支撐,充分考慮了深水環(huán)境下圍堰所承受的巨大水壓力和土壓力。在施工過(guò)程中,采取了分層施工、預(yù)應(yīng)力技術(shù)和剛度優(yōu)化等創(chuàng)新措施,通過(guò)精軋螺紋鋼和千斤頂施加預(yù)應(yīng)力,將預(yù)應(yīng)力控制在400~600 kN之間,支撐間距約為4 m。第3層和第4層圍檁內(nèi)支撐采用φ600 mm、壁厚16 mm的鋼管,以顯著提高整體剛度,并開(kāi)發(fā)專利以快速連接節(jié)點(diǎn),將傳統(tǒng)焊接改為螺栓連接,大幅提高水下安裝效率,每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝時(shí)間從4 h縮短到1.5 h。在關(guān)鍵支撐點(diǎn)安裝應(yīng)變片和位移傳感器,24 h監(jiān)測(cè)支撐受力和圍堰變形情況,將最大允許變形控制在30 mm以內(nèi)。
數(shù)據(jù)分析顯示,支撐安裝效率提高了60%,平均每層支撐安裝僅需2 d;圍堰的最大水平變形控制在22.5 mm,
遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)限值30 mm;支撐軸力分布均勻,最大偏差不超過(guò)10%,證明預(yù)應(yīng)力施加合理;圍堰整體剛度提高約40%,有效抵抗深水環(huán)境的外部荷載。以上各項(xiàng)措施保證了X1墩圍堰的結(jié)構(gòu)安全,還為后續(xù)承臺(tái)施工創(chuàng)造了良好條件,對(duì)提高深水基礎(chǔ)施工質(zhì)量和效率具有重要意義。
4 結(jié)語(yǔ)
該文通過(guò)對(duì)某大型跨江橋X1墩基礎(chǔ)深水淺覆蓋層鎖扣鋼管樁圍堰技術(shù)的分析與運(yùn)用,提出了一套系統(tǒng)的技術(shù)解決方案。創(chuàng)新性地采用水下刻槽、精準(zhǔn)吹砂、混凝土止水墻和多層次支撐體系等關(guān)鍵技術(shù),有效解決了深水淺覆蓋層的施工難題。工程實(shí)踐證明,該技術(shù)方案安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效,顯著提高了施工質(zhì)量和效率,研究成果對(duì)于類似深水橋梁基礎(chǔ)施工具有重要的參考價(jià)值和推廣應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]張宏武,穆清君,陳卓異,等.深水淺覆蓋層鎖扣鋼管樁圍堰關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè), 2023(7):55-60.
[2]羅利,王佳林,羅強(qiáng).砂卵石河床鎖扣鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)施工研究[J].科技和產(chǎn)業(yè), 2023(11):249-256.
[3]歐記鋒,張清虎.BIM技術(shù)在鎖扣鋼管樁圍堰施工中的應(yīng)用[J].港工技術(shù), 2023(2):98-100.
[4]田瓊,王澤升,周基,等.基于BIM技術(shù)的鎖扣鋼管樁圍堰施工應(yīng)用研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2022(1):51-56.
[5]律建華.鎖扣鋼管樁圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新, 2023(11):139-142.
[6]羅利.鎖扣鋼管樁圍堰施工監(jiān)測(cè)分析——以嘉陵江三橋?yàn)槔齕J].科技和產(chǎn)業(yè), 2023(4):206-212.
[7]劉栗州.臨河深基坑鎖扣鋼管樁施工對(duì)比應(yīng)用技術(shù)研究[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu), 2023(8):53-55.
[8]金石川,李勝輝,朱夢(mèng)艷,等.錢(qián)塘江強(qiáng)涌潮區(qū)域深水圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)公路, 2023(10):114-115.
收稿日期:2024-07-29
作者簡(jiǎn)介:李鼐垚(1993—),男,本科,工程師,研究方向:道路橋梁與渡河工程。