李家沙特大橋主墩圍堰設(shè)計(jì)與施工

唐春陽

1 工程概況

1.1 工程概述

李家沙大橋位于廣州番禺區(qū)和佛山順德區(qū)交界的李家沙水道處，橋跨布置為(110+220+110)m三跨雙塔四索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，全長440 m，采用平行的上下行兩幅橋，兩主梁橫向完全分離，斜拉索布置在主梁兩側(cè)成空間四索面。

主墩Z3，Z4在靠近大堤內(nèi)側(cè)。Z3號(hào)、Z4號(hào)主墩共4個(gè)承臺(tái)，每個(gè)承臺(tái)設(shè)置9根φ 2.5 m樁基，樁長約45 m～50 m。承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸為14.2 m(長)×15.7 m(寬)×5.5 m(高)，封底混凝土厚為1 m。Z3號(hào)、Z4號(hào)主墩承臺(tái)底標(biāo)高改為一致，皆為-6.00 m。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

李家沙水道規(guī)劃為國家1級(jí)航道。根據(jù)目前水位情況，最高水位2.2 m左右。水流速較緩，一般在1 m/s以內(nèi)。

圍堰范圍內(nèi)涉及的地質(zhì)情況簡述如下:①淤泥:該層主要分布在表部，厚度3 m～7 m。呈深灰、灰黑色，呈流塑狀，飽和，該層屬高壓縮性土，力學(xué)強(qiáng)度低。②粉砂:Z4墩處有此層，Z3墩位處無。厚度變化大，為4 m～10 m左右，呈松散飽和狀。含淤泥質(zhì)約10%～30%，部分地層含貝殼約20%～30%。容許承載力[σ0]=80 kPa，樁極限摩阻力[τi]=30 kPa。 ③全風(fēng)化花崗巖:橋位處厚度3.3 m～20.5 m。黃色，紅褐色。原巖礦物已基本風(fēng)化變異，巖芯呈砂土狀，稍濕，硬塑～堅(jiān)硬狀，手捻易碎。該層天然狀態(tài)下力學(xué)強(qiáng)度較高，工程性能較好，但該層具有泡水易軟化、崩解，使強(qiáng)度降低的不良特性。容許承載力[σ0]=250 kPa，樁極限摩阻力[τi]=70 kPa。④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，層厚不均勻，為 2 m～20.2 m。黃色、黃綠色，花斑狀，以土狀為主，手捏易散，局部夾弱風(fēng)化碎塊，呈薄餅及碎塊狀，巖質(zhì)稍硬。容許承載力[σ0]=500 kPa，樁極限摩阻力[τi]=120 kPa。

2 Z3號(hào)、Z4號(hào)承臺(tái)方案比選

2.1 方形鋼板樁圍堰

采用方形鋼板樁圍堰，從技術(shù)上講，比較成熟。但其內(nèi)支撐較多，給承臺(tái)開挖及承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工帶來比較大的影響，特別是內(nèi)支撐與模板鋼筋相互妨礙，給模板的吊裝、鋼筋的吊裝帶來很多不便，施工效率較低。

2.2 無支撐圓形拱圈支護(hù)鋼板樁圍堰

除了常規(guī)的直線形支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)基坑的平面形狀較方正時(shí)，在平面上還可將支護(hù)結(jié)構(gòu)布置成圓形或近似圓形，由于土體對(duì)拱圈的彈性約束，使圓拱具有更好的受力性能。另一方面，從理論上及工程實(shí)踐數(shù)據(jù)來看，作用在圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力較常規(guī)的直線形支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力小，且支護(hù)結(jié)構(gòu)半徑越小這種現(xiàn)象越顯著，即可以降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。從而可減少圍堰內(nèi)支撐的復(fù)雜程度，為施工提供充足的工作面，提高施工效率。

李家沙大橋主墩承臺(tái)平面尺寸為14.2 m×15.7 m，比較方正，采用圓形圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工是一種理想的選擇。

3 承臺(tái)總體施工方案

主墩承臺(tái)采用φ 21.2 m圓形鋼板樁圍堰，共設(shè)4道拱圈進(jìn)行支護(hù)，拱圈采用C40混凝土。第一層拱圈標(biāo)高為2.0m，第二層拱圈標(biāo)高為-1.0 m，第三層拱圈標(biāo)高為-3.0 m，第四層拱圈標(biāo)高為-5.0 m，基坑底標(biāo)高-6.3 m。Z3，Z4主墩地質(zhì)存在差異，其中Z3主墩覆蓋層較淺，鋼板樁底打入基坑底不小于3 m，打入全風(fēng)化層不小于2 m。Z4主墩覆蓋層較厚，板樁打入基坑底不小于5 m，打入全風(fēng)化層不小于1 m。

其施工步驟為:鋼板樁打設(shè)→圍堰內(nèi)開挖至標(biāo)高2.0 m→澆筑第一層拱圈→開挖至標(biāo)高-1.0 m→澆筑第二層拱圈→開挖至標(biāo)高-3.0 m→澆筑第三層拱圈→開挖至標(biāo)高-5.0 m→澆筑第四層拱圈→開挖至基坑底→澆筑封底混凝土→承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工。

4 承臺(tái)分步施工

4.1 鋼板樁打設(shè)

4.1.1 鋼板樁圍堰施工要點(diǎn)

1)鋼板樁插打方法。采用逐片插打，逐漸糾偏，直至合龍，以及先合龍，后插打進(jìn)入巖層的方法。

2)鋼板樁插打過程控制。為了確保插打位置準(zhǔn)確，第一片鋼板樁插打是關(guān)鍵。具體方法為:在定位樁上安裝兩層導(dǎo)向架，在導(dǎo)向架上設(shè)置限位裝置，大小比鋼板樁每邊大10 mm，插打時(shí)鋼板樁背緊靠導(dǎo)向架，邊插打邊緩慢下放。嚴(yán)格控制好鋼板樁插打的垂直度，尤其是第一片樁要從兩個(gè)相互垂直的方向同時(shí)控制，確保其垂直度，然后以第一片鋼板樁為基準(zhǔn)，再向兩邊對(duì)稱插打。在插打過程中，鋼板樁下端受土擠壓，鋼板樁鎖口之間縫隙較大，上端總會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)離第一片鋼板樁方向的傾斜。因此，每打五片鋼板樁就要用垂球吊線檢查其垂直度，確保鋼板樁垂直度控制在0.5%以內(nèi)，超過此限度值時(shí)應(yīng)采取措施予以糾偏。一次糾偏不能太多，以免鎖口卡住，影響下一片鋼板樁插打。當(dāng)鋼板樁偏移太多時(shí)，只能采取制作異形鋼板樁的方法一次糾偏到位。每次插打完五片鋼板樁并經(jīng)糾偏后，將鋼板樁點(diǎn)焊固定于內(nèi)導(dǎo)向架上，減少累計(jì)偏移位移，利于圍堰合龍。在插打過程中應(yīng)做到:插樁正直，分散偏差，有偏即糾，調(diào)整合龍。

4.1.2 鋼板樁圍堰合龍

1)合龍前的準(zhǔn)備。在即將合龍時(shí)，開始測(cè)量并計(jì)算出鋼板樁底部的直線距離，再根據(jù)鋼板樁的寬度，計(jì)算出所需鋼板樁的片數(shù)，按此確定鋼板樁的下一步如何插打。2)鋼板樁的合龍采取“先合龍，后插打到位”的方法，即根據(jù)在合龍側(cè)，先將鋼板樁逐塊插打進(jìn)入河床一定深度，而不直接一次性插打到位，打入深度以保證其自身穩(wěn)定為度。因鋼板樁進(jìn)入河床較淺，可適當(dāng)調(diào)整鋼板樁的位置，合龍較容易。鋼板樁合龍后，再將其逐塊復(fù)打到設(shè)計(jì)標(biāo)高。3)合龍時(shí)鋼板樁的調(diào)整處理。鋼板樁圍堰在合龍時(shí)，兩側(cè)鎖口不盡平行，可實(shí)測(cè)板樁上下間距，制作異形樁進(jìn)行合龍。

4.2 圍堰內(nèi)開挖、拱圈澆筑及拱圈應(yīng)力監(jiān)測(cè)

1)挖方。圍堰內(nèi)工作面比較開闊，采用機(jī)械開挖。一個(gè)圍堰內(nèi)安設(shè)兩臺(tái)小挖機(jī)，圍堰外用長臂挖掘機(jī)提升棄土。在棄土?xí)r，根據(jù)圍堰周邊地勢(shì)，有意識(shí)填到低洼處，使土壓力荷載平衡。在圍堰周邊地形較平整時(shí)，應(yīng)用載重車拖走。2)拱圈澆筑。當(dāng)開挖至拱圈標(biāo)高時(shí)，對(duì)拱圈處進(jìn)行整平，并鋪設(shè)一層砂漿墊層，整個(gè)墊層的標(biāo)高需嚴(yán)格控制，保證整個(gè)拱圈在同一個(gè)平面內(nèi)。拱圈的鋼筋骨架分段在加工廠整體制作，在現(xiàn)場(chǎng)焊接成型。模板采用1 m長鋼組合模板。為方便以后拱圈的拆除，在拱圈與鋼板樁接觸面涂脫模劑，鋼板樁凹槽處需用硬紙板隔離，防止水泥漿進(jìn)入鋼板樁連接縫中，導(dǎo)致拔樁困難。拱圈采用C40混凝土，并添加早強(qiáng)劑，縮短等待混凝土強(qiáng)度時(shí)間。在拱圈混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%以上時(shí)，才能進(jìn)行下一步開挖。3)拱圈應(yīng)力及變形監(jiān)測(cè)。在拱圈施工時(shí)，拱圈中預(yù)埋應(yīng)力片，對(duì)拱圈應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一層拱圈共8個(gè)斷面內(nèi)外層設(shè)置應(yīng)力片，8個(gè)斷面成45°角均勻布置。同時(shí)在這8個(gè)斷面處設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)。在拱圈混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，進(jìn)行土方開挖施工。土方每開挖0.5 m～1 m對(duì)拱圈的內(nèi)力和變形監(jiān)測(cè)一次，了解拱圈內(nèi)力情況。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，了解與理論計(jì)算偏差情況，為下一步施工起到指導(dǎo)作用。由于拱圈受力從第一層到第四層是逐漸變大的，但拱圈截面是同等大小的，可以根據(jù)第一層、第二層監(jiān)控結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，如果監(jiān)控值偏大，對(duì)第三層、第四層拱圈受力進(jìn)行同比例放大，檢算拱圈承載安全性，如果超出安全范圍，可通過加大拱圈截面來增大拱圈承載力。

5 設(shè)計(jì)與施工過程中的體會(huì)

1)施工方案設(shè)計(jì)與施工現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系:應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況和地下滲水情況確定合理的施工方案，選擇排水或不排水開挖，計(jì)算灌注封底混凝土厚度。2)荷載計(jì)算是核心:鋼板樁計(jì)算的核心內(nèi)容就是基坑周圍土壓力的計(jì)算，根據(jù)實(shí)際施工需要，基坑周圍的堆載、車輛荷載、水壓力等都要考慮到計(jì)算中去，此外根據(jù)地質(zhì)情況還要考慮水對(duì)基坑周圍土體的浮力作用，以保證方案的安全系數(shù)。3)鋼板樁圍堰的施工過程計(jì)算:鋼板樁圍堰的計(jì)算工況要囊括整個(gè)施工過程，對(duì)于每一個(gè)施工工況都對(duì)應(yīng)著不同的受力狀況。4)內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)計(jì)算:內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)考慮到基坑開挖的方便性，合理的布置內(nèi)支撐的形式，既要保證受力簡單合理，又要使得基坑開挖有足夠的操作空間。5)主墩承臺(tái)現(xiàn)已經(jīng)順利施工完畢，由于基坑滲水情況比較理想，采用了排水開挖的方案進(jìn)行基坑開挖。從總的施工過程來看，鋼板樁圍堰及內(nèi)支撐是安全可靠的。由于實(shí)際的巖層埋深較淺，和設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)資料有差別，鋼板樁入土深度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，再者兩道支撐間的距離較大，鋼板樁自身的剛度較弱，在基坑開挖未到第二道支撐標(biāo)高時(shí)(差0.5 m)鋼板樁的變形已經(jīng)大于了100 mm，而內(nèi)支撐的安裝都采用的是被動(dòng)撐的受力方式，這導(dǎo)致了第二道內(nèi)支撐未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，和設(shè)計(jì)狀態(tài)差別比較大。因此，建議在施工中采用主動(dòng)支撐的方式，這樣可以消除開挖過程中鋼板樁的變形，從而與設(shè)計(jì)狀態(tài)相符。

[1] 母澤友.柳河雙線特大橋鋼板樁圍堰施工工藝探究[J].山西建筑，2008，34(17):338-339.