張 芳
(中鐵第十四工程局集團(tuán)第三工程有限公司,山東兗州 272100)
在深水橋梁基礎(chǔ)施工中,采取何種措施進(jìn)行阻水是施工的關(guān)鍵,它直接影響工程的工期和成本。通常采取的阻水措施大致有以下幾種:豎井、混凝土沉井、鋼板樁圍堰、鋼圍堰、薄壁鋼筋混凝土圍堰、鋼吊箱圍堰、鎖口鋼管樁圍堰等。根據(jù)不同的地質(zhì)條件可選擇不同的圍堰形式。錦赤鐵路洗礦廠特大橋8號~13號墩位于英達(dá)礦業(yè)尾礦庫中,水深約5m~8m,承臺(tái)開挖深度9m~13m。地質(zhì)情況從上至下依次為含少量塊石的雜填土、素填土、尾礦棄渣為主的密實(shí)中砂、全風(fēng)化片麻巖,承臺(tái)不同程度的進(jìn)入全風(fēng)化片麻巖。
在橋梁鉆孔樁施工完畢降低承臺(tái)開挖面以后,根據(jù)橋位的地質(zhì)情況,對豎井、沉井、鋼板樁圍堰三種阻水方案進(jìn)行了比選、論證。
1)豎井方案。通過土體加固及降水處理后,采用無支護(hù)的方式直接進(jìn)行承臺(tái)開挖;此方案的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快,工期可靠;缺點(diǎn)是對排水、降水及注漿加固設(shè)計(jì)和施工控制要求較高,豎井拆除較難。
2)沉井方案。采用此方案的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部無支撐,施工方便;可以根據(jù)開挖深度接高,對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng);缺點(diǎn)是施工工序較多、控制糾偏難度較大;穿越孤石能力差,遇到大塊石,下沉困難;基礎(chǔ)施工完畢后無法拆除。
3)鋼板樁圍堰方案。優(yōu)點(diǎn)是插打鋼板樁簡單,拆除容易,可以重復(fù)利用,施工成本相對較低;缺點(diǎn)是鋼板樁圍堰入巖難,穿越塊孤石能力差,存在較大的安全、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn);內(nèi)部支撐多,影響承臺(tái)開挖。
以上三種方案都可行,并各具優(yōu)缺點(diǎn),考慮到現(xiàn)場的場地條件、施工成本及環(huán)境保護(hù)等綜合因素,最終采用鋼板樁方案,通過施工情況看,此方案取得了良好的效果。
根據(jù)本橋的實(shí)際情況鋼板樁采用拉森Ⅴ型,其中10號,11號墩采用15m長鋼板樁,五層圍囹支撐;9號,12號采用12m長鋼板樁,圍囹采用四層。為了承臺(tái)墩身施工方便,每層圍囹采取不同的結(jié)構(gòu)形式,圍囹支撐具體布置見圖1,圖2。
本方案以本橋11號墩為例,按照鋼板樁打入承臺(tái)底部全風(fēng)化片麻巖2m為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)?;A(chǔ)開挖深度為13m,鋼板樁總長度選擇15m。
2.2.1 鋼板樁受力檢算
填土的力學(xué)參數(shù)選擇如下:填土的自重為17kN/m3,浮容重為7kN/m3,內(nèi)摩擦角參考粘土的內(nèi)摩擦角取20°(本文以開挖至基坑底,鋼板樁受力最大的情況為例進(jìn)行計(jì)算分析)。
拉森鋼板樁的計(jì)算按照等值梁法進(jìn)行計(jì)算,則有鋼板樁底部水土壓力計(jì)算為:
基底水土壓力之和為156.08kPa,荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2,則有計(jì)算最大受力為156.08×1.2=187.3kN/m。
在開挖至基坑底,封底混凝土未施作之前,此時(shí)鋼板樁的受力最大。由于鋼板樁無法打入強(qiáng)風(fēng)化巖層,在這種工況下,底部嵌固深度不能為鋼板樁提供足夠的支撐力,底部無支撐點(diǎn)。此工況下采用Beam軟件分析鋼板樁受力(見圖3)。
鋼板樁封底以后,采用Beam軟件分析鋼板樁的受力(見圖4)。
鋼板樁按照每延米進(jìn)行受力計(jì)算,拉森Ⅴ型鋼板樁其最大允許彎矩為:
通過計(jì)算看出,鋼板樁強(qiáng)度滿足受力要求。
2.2.2 鋼圍囹受力檢算
鋼板樁圍囹最大壓力為604kN/m,圍囹采用3Ⅰ50a工字鋼,采用Midas計(jì)算程序建立受力模型,對鋼圍囹的受力進(jìn)行檢算,兩種不同結(jié)構(gòu)形式鋼圍囹受力的應(yīng)力圖見圖5。
通過圖5可以看出,鋼圍囹最大的應(yīng)力為:
192mPa<[σ]=210mPa,因此鋼圍囹強(qiáng)度滿足要求。
1)施工場地準(zhǔn)備。降低尾礦庫內(nèi)水位后,在橋梁施工的范圍內(nèi)清除淤泥,坡腳底部遠(yuǎn)離鋼板樁圍堰10m以上,將鋼板樁圍堰施工地面標(biāo)高降低至414m。整平施工場地,在施工便道范圍內(nèi)填石渣,保證大型設(shè)備進(jìn)入施工場地。在基坑以外適當(dāng)位置設(shè)置排水溝,防止基坑開挖施工過程中雨水流入基坑。
2)插打試樁。為了確認(rèn)鋼板樁實(shí)際打入深度,采用90t振動(dòng)錘在每個(gè)承臺(tái)周圍分別插打部分試樁,根據(jù)實(shí)際打入深度確定每個(gè)承臺(tái)鋼板樁的入土長度,以便及時(shí)進(jìn)行方案調(diào)整。
3)導(dǎo)向架的安裝。導(dǎo)向架采用單層雙面形式,通常由導(dǎo)梁和圍檁樁等組成。
4)鋼板樁插打。在鋼板樁鎖口內(nèi)涂黃油,安置吊點(diǎn),根據(jù)鋼板樁長度在樁1/3以上處捆扎,捆扎處應(yīng)有夾板,并墊有木板,防止綁扎滑移和吊點(diǎn)受力后鎖口變形。振動(dòng)錘將樁夾住后,進(jìn)一步復(fù)核樁的垂直度、位置,認(rèn)可后進(jìn)行插打,使鋼板樁打至不再下沉為止,其他鋼板樁則以插打好的樁為準(zhǔn),對準(zhǔn)鎖口,控制好方向。
5)鋼板樁底部注漿加固。由于鋼板樁需要嵌入全風(fēng)化巖層,為了確保鋼板樁圍堰在承臺(tái)基坑開挖時(shí)的周圍土體的穩(wěn)定和封底后圍堰內(nèi)不滲水,在鋼板樁內(nèi)外側(cè)均勻打入注漿管,通過注入水泥漿使周圍的礦渣固結(jié)。注漿管采用φ108mm鋼管,壁厚3.5mm。在鋼管壁上按照15cm~20cm間距梅花形鉆孔,鉆孔孔徑3mm,底部封閉,注漿管尾部預(yù)留一定長度不鉆孔。注漿管采用鉆孔后放入孔中,注漿管底部應(yīng)超過鋼板樁底部至承臺(tái)底標(biāo)高下6m,注漿管的間距按1.5左右的間距進(jìn)行布置。注漿按照先外后內(nèi)的順序進(jìn)行,先沿外輪廓線注漿管注漿,然后逐步向內(nèi)注漿,保證注漿壓力,待漿體達(dá)到一定的強(qiáng)度后進(jìn)行承臺(tái)基坑的開挖。
6)降水開挖。在承臺(tái)下游,布設(shè)一排降水井,降水井間距20m,距離承臺(tái)邊線12m左右,降水井直徑60cm,深度25m。土方開挖前進(jìn)行井點(diǎn)降水,保持基坑內(nèi)無水,便于挖土,機(jī)械進(jìn)出口通道及四周采用換填并鋪墊鋼板以擴(kuò)散壓力,減小側(cè)壓力。承臺(tái)開挖采用履帶吊抓斗配合人工開挖。
7)鋼板樁圍堰封底。由于采取了注漿加固和井點(diǎn)降水的措施,在承臺(tái)基坑開挖到設(shè)計(jì)封底標(biāo)高后采用干封法進(jìn)行圍堰封底。為了確保施工安全,圍堰封底混凝土須連續(xù)澆筑完成。
8)鋼板樁圍堰拆除。圍堰內(nèi)承臺(tái)和墩身混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度后,進(jìn)行拔樁,拔樁前應(yīng)先向基坑內(nèi)填土或注水,當(dāng)水位臨近支撐時(shí)割除鋼板樁圍囹支撐。因注漿不能拔出的進(jìn)行切割回收。
1)對于地下水位較高的土層、砂層以及嵌入全風(fēng)化巖層的基礎(chǔ),采用鋼板樁圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)的施工,具有施工周期短、施工方便、成本低的特點(diǎn),在工程施工中已被廣泛的采用。
2)對于地下水位高,周圍土層松散的地層,采用先注漿加固,后井點(diǎn)降水的方法進(jìn)行基坑的開挖,可以減小封底混凝土的厚度,增加圍堰的穩(wěn)定性,并且鋼圍囹的間距可以適當(dāng)加大,圍囹的截面積也可以減少,減少了周轉(zhuǎn)材料的用量,從而降低了工程成本和施工風(fēng)險(xiǎn)。
3)在水位變化較大的深水中采用鋼板樁圍堰進(jìn)行基礎(chǔ)施工時(shí),在進(jìn)行圍囹支撐的受力檢算時(shí),必須考慮最高水位時(shí)水壓力和流水的沖擊力,以確保支撐具有足夠的強(qiáng)度,防止圍堰被擠垮。
[1]公路施工手冊《橋涵》[M].北京:人民交通出版社,2000.
[2]TB10203-2002,鐵路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].
[3]TB10002.1-99,鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].
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