藕池河大橋主橋承臺(tái)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工

賈 枝 喜

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

蒙華鐵路跨河連續(xù)梁主跨布置形式為40 m+64 m+64 m+40 m連續(xù)梁。101號(hào)墩承臺(tái)采用矩形結(jié)構(gòu)，平面尺寸(14.5×10.5)m，厚4 m，承臺(tái)底標(biāo)高+19.587 m，采用C30混凝土澆筑。橋墩基礎(chǔ)采用12根φ1.5 m鉆孔灌注樁，行列式布置，縱橫向間距為4 m。101號(hào)墩河床主要地層為粉質(zhì)黏土(灰褐色，黃褐色，軟塑)；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(深灰色，灰黑色，流～軟塑)；粉砂(灰褐色，稍密，飽和，約有15%～25%黏性土填充)細(xì)砂(灰褐色，深灰色，松散，飽和，約有10%～15%黏性土填充)。

2 方案選定

101號(hào)墩墩位處河床高程為+29.4 m，承臺(tái)底標(biāo)高+19.587 m。通過(guò)調(diào)查近20年水位情況，發(fā)現(xiàn)歷年12月～次年4月最高水位28.55 m，5月～8月最高水位為37.00 m。

方案一：雙壁鋼圍堰，不考慮水位對(duì)施工的影響。

基礎(chǔ)施工采用雙壁鋼圍堰，圍堰底高程+15.6 m，圍堰頂高程+37.5 m，長(zhǎng)19.9 m，寬15.9 m，壁厚1.5 m，封底混凝土厚3.3 m。圍堰施工順序?yàn)椋簢咴诙瘴惶幤囱b完畢后，澆筑井壁混凝土，澆筑完畢后采用吸泥下沉，下沉至一定深度不能繼續(xù)下沉后，在井壁內(nèi)灌水增加圍堰自重，使圍堰順利下沉至設(shè)計(jì)高程，施工封底混凝土并抽水。

方案二：鋼板樁圍堰方案，高出藕池河最高水位。

基礎(chǔ)施工采用鋼板樁圍堰，圍堰底高程+7.4 m，圍堰頂高程+29.4 m，長(zhǎng)17.14 m，寬13.14 m，封底混凝土厚2.0 m。主要施工步驟如下：插打鋼板樁；圍堰內(nèi)吸泥至+28 m；安裝第一層圈梁及內(nèi)支撐；繼續(xù)吸泥至22.2 m；安裝第二層圈梁及內(nèi)支撐；繼續(xù)吸泥至+17.287 m，封底；施工第一次承臺(tái)，抄墊承臺(tái)與圍堰之間空隙，拆除第二層內(nèi)支撐；繼續(xù)施工第二次承臺(tái)。

采用雙壁鋼圍堰施工，圍堰需下沉約15 m，圍堰下沉較為困難，而且圍堰制造、運(yùn)輸、下沉所需工期較長(zhǎng)，雙壁鋼圍堰鋼材用量約510 t。如果采用鋼板樁圍堰施工，共需鋼材320 t，考慮可倒用的250 t鋼板樁，其余鋼結(jié)構(gòu)用量?jī)H70 t。相較于雙壁鋼圍堰，鋼板樁圍堰施工方案具有施工周期短、施工工序簡(jiǎn)單明了、鋼材用量低、易于倒用、成本造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

3 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

3.1 圍堰介紹

鋼板樁圍堰由鋼板樁和圈梁內(nèi)支撐系統(tǒng)組成，圈梁內(nèi)支撐系統(tǒng)由型鋼構(gòu)成的圈梁和鋼管組成的內(nèi)支撐焊接而成，在鋼板樁受到外界水壓力、土壓力等荷載作用下，荷載通過(guò)鋼板樁經(jīng)圈梁傳遞到內(nèi)支撐上，保證鋼板樁圍堰的強(qiáng)度和剛度。

3.2 材料參數(shù)

圍堰鋼板樁采用拉森Ⅳ鋼板樁，每米寬鋼板樁截面抵抗矩：W=2 270 cm3。第一層圈梁采用2Ⅰ45a型鋼、內(nèi)支撐采用φ426×8鋼管、第二層圈梁采用2HW588×300型鋼、內(nèi)支撐采用φ630×10鋼管，除鋼板樁采用SY295bz,2HW588×300型鋼采用Q345B外，其余結(jié)構(gòu)均為Q235B鋼材。

3.3 圍堰結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

3.3.1 模型建立

取1 m寬鋼板樁建立圍堰的有限元模型，考慮鋼板樁受到靜水壓力及土壓力作用，并在圈梁及內(nèi)支撐的位置處建立彈性支座，由于圈梁與鋼板樁之間僅采用間斷點(diǎn)焊連接，不考慮焊縫受力，故第一、二層圈梁為只受壓，不受拉彈性支座。在鋼板樁底采用豎向約束，鋼板樁按實(shí)際入土深度取9.887 m按土彈簧建模計(jì)算。通過(guò)土層對(duì)鋼板樁的作用模擬，可知樁基為彈性樁。

所以土層對(duì)鋼板樁的作用在模型中采用水平彈性支承模擬，每隔1 m建立一個(gè)彈性支承。

3.3.2 施工步驟模擬

按抽水及開(kāi)挖實(shí)際情況，有限元模型中采用施工階段模擬計(jì)算，后一個(gè)工況考慮前一個(gè)工況變形對(duì)鋼板樁及內(nèi)支撐的受力影響，圍堰共分5個(gè)施工階段計(jì)算：階段1,圍堰內(nèi)挖泥至標(biāo)高+28.000 m，安裝第一層內(nèi)支撐；階段2,圍堰內(nèi)吸泥至標(biāo)高+22.200 m，安裝第二層內(nèi)支撐；階段3,圍堰內(nèi)吸泥至封底標(biāo)高+17.287 m，封底；階段4,封底完成后，圍堰內(nèi)抽水；階段5,第一次承臺(tái)施工完畢，抄墊承臺(tái)與鋼板樁之間空隙(水位+28.900 m)。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)圈梁及內(nèi)支撐受力。

5個(gè)施工階段圍堰鋼板樁受力以及圈梁內(nèi)支撐反力如表1所示。

表1 各階段圍堰受力參數(shù)表

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，得出第一道圈梁最大受力為122.8 kN/m，第二道圈梁最大受力為456.9 kN/m。

建立圈梁內(nèi)支撐模型，并在模型中以均布荷載施加最大圈梁反力，圈梁及內(nèi)支撐計(jì)算結(jié)果為第一道圈梁最大組合應(yīng)力為93.4 MPa<170 MPa，最大剪應(yīng)力為29 MPa<100 MPa， 第二道圈梁最大組合應(yīng)力為150.5 MPa<240 MPa，最大剪應(yīng)力為80.2 MPa<140 MPa，圈梁受力均滿足容許應(yīng)力要求。

第一道內(nèi)支撐為φ426×8 mm鋼管，最大鋼管長(zhǎng)12 350 mm，第二道內(nèi)支撐為φ630×10 mm鋼管，鋼管長(zhǎng)12 212 mm。

考慮內(nèi)支撐因自重產(chǎn)生的彎矩作用，內(nèi)支撐鋼管為壓彎構(gòu)件，經(jīng)計(jì)算，得出第一道內(nèi)支撐φ426×8 mm鋼管最大正應(yīng)力為85.9 MPa<170 MPa，第二道內(nèi)支撐φ630×10 mm鋼管最大正應(yīng)力為124.9 MPa<170 MPa，鋼管內(nèi)支撐受力均滿足容許應(yīng)力的要求。

2)樁側(cè)土壓力。

為了判斷土體是否發(fā)生破壞，提取鋼板樁處土彈簧反力與土容許承載力進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取鋼板樁處土彈簧最大反力為108.2 kN，樁側(cè)土所承受壓力為108.2 kPa，滿足要求。

3.4 封底混凝土厚度計(jì)算

圍堰封底完成后，封底混凝土承受內(nèi)外水頭差引起的浮力。按抽水時(shí)圍堰水位+29.4 m，封底混凝土底高程+17.287 m，則內(nèi)外水頭差為12.113 m，封底混凝土厚度為h混凝土=2.300 m，按有效厚度2.0 m計(jì)算。

模型中在鋼護(hù)筒四周采用鉸接邊界條件。模型中荷載為混凝土自重及封底底部水壓力。水壓力q=γ水h水=10×12.113=121.1 kN/m2。計(jì)算得到封底混凝土最大主拉應(yīng)力：σmax=0.45 MPa<[σ]=0.67 MPa，滿足要求。

經(jīng)計(jì)算得到單根樁最大受力為1 253.0 kN，則鋼護(hù)筒與混凝土之間的平均粘結(jié)力：τ=1 253.0/(3.14×1.5×2.0)=133.0 kPa<150 kPa,滿足要求。

3.5 鋼板樁入土深度驗(yàn)算

3.5.1 鋼板樁抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

帶支撐樁的傾覆穩(wěn)定，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，以最下一道內(nèi)支撐點(diǎn)以下在坑內(nèi)外水，土壓力作用下，對(duì)此道內(nèi)支撐取距，應(yīng)滿足K>1.3。

3.5.2 基坑底抗涌起計(jì)算

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程4.2.4條：坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)：

抗涌起安全系數(shù)計(jì)算滿足要求。

4 鋼板樁圍堰施工工藝

4.1 工藝流程

101號(hào)主墩圍堰主要施工流程如下：插打鋼板樁；圍堰內(nèi)吸泥至+28 m；安裝第一層圈梁及內(nèi)支撐；繼續(xù)吸泥至22.2 m；安裝第二層圈梁及內(nèi)支撐；繼續(xù)吸泥至+17.287 m，封底；施工第一次承臺(tái)，抄墊承臺(tái)與圍堰之間空隙，拆除第二層內(nèi)支撐；繼續(xù)施工第二次承臺(tái)。

4.2 圍堰施工方法

1)鋼板樁打設(shè)。圍堰鋼板樁采用拉森鋼Ⅳ板樁，運(yùn)至工地后對(duì)鋼板樁的彎曲、破損及鎖口情況進(jìn)行檢查、整修，清理出不能使用的鋼板樁并進(jìn)行分類。鋼板樁在插打前在鎖口處涂以減磨劑，以減少插打時(shí)的摩阻力，并提高防滲性能。

打樁時(shí)在圍堰每條邊上插打2片鋼板樁作為導(dǎo)向裝置，在兩片鋼板樁側(cè)焊接型鋼作為插樁的導(dǎo)向，以精確控制鋼板樁的位置和垂直度。將鋼板樁起吊至與地面呈垂直的狀態(tài)下完成插樁，沉入時(shí)測(cè)量位置到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后逐根順著前一根鋼板樁的鎖扣插打，隨時(shí)檢查鋼板樁的偏位情況，當(dāng)鋼板樁發(fā)生偏斜時(shí)及時(shí)校正或拔出重插，以利及時(shí)糾偏。鋼板樁在合龍時(shí)，兩側(cè)鎖口很難保證在一條直線上，必要時(shí)可采取以下措施：在鋼板樁合龍前剩下幾組還未插打時(shí)，提前考慮合龍情況，可將短邊的鋼板樁全部插入土體內(nèi)，然后再逐次分段打入。

2)吸泥開(kāi)挖與支護(hù)。在吸泥之前應(yīng)完成所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)及初始值的測(cè)定，在吸泥過(guò)程中，按照預(yù)先制定的監(jiān)測(cè)頻率計(jì)劃對(duì)各項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)定。

吸泥過(guò)程中本著“分層、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”的原則，以控制基坑周圍地層移動(dòng)，保護(hù)基坑及周圍環(huán)境的安全。

基坑吸泥采用不排水法施工，采用空氣吸泥機(jī)吸泥。吸泥至圈梁內(nèi)支撐以下1 m時(shí)，應(yīng)立即停止吸泥并及時(shí)安裝內(nèi)支撐。待內(nèi)支撐施工完成后，進(jìn)行第二步吸泥，直至吸泥至設(shè)計(jì)承臺(tái)底高程以上1 m，停止采用吸泥機(jī)吸泥并用挖機(jī)開(kāi)挖，以減少對(duì)基底土的擾動(dòng)。

3)鋼板樁拔出及回填。當(dāng)承臺(tái)混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa后方可拆模，隨后進(jìn)行基坑回填，回填時(shí)應(yīng)注意對(duì)稱、分層回填，并進(jìn)行夯實(shí)，待回填至承臺(tái)頂標(biāo)高后，按順序拆除支撐及圈梁，最后將鋼板樁拔出，對(duì)于特殊周邊環(huán)境的基坑，鋼板樁拔出后要求對(duì)鋼板樁拔出后的地層縫隙進(jìn)行填砂后注漿處理。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以101號(hào)墩為例，介紹了蒙華鐵路煤運(yùn)通道藕池河大橋水中墩承臺(tái)施工圍堰設(shè)計(jì)，并同時(shí)介紹了鋼板樁圍堰施工工藝。隨著藕池河大橋水中墩順利施工，鋼板樁圍堰造價(jià)低、施工速度快、工藝簡(jiǎn)單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮，為類似工程施工提供參考。