淺灘裸巖區(qū)鎖扣樁圍堰施工技術(shù)方案研究

王軍

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京101300)

淺灘裸巖區(qū)鎖扣樁圍堰施工技術(shù)方案研究

王軍

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京101300)

大沖邕江特大橋9#塔柱為樁承臺(tái)式基礎(chǔ)，河床上覆蓋層沖刷嚴(yán)重，承臺(tái)底標(biāo)高處均為裸巖。綜合考慮該橋塔柱以及主橋梁部的施工特點(diǎn)，討論單壁、雙壁鋼圍堰和筑島鎖扣樁3種施工方法在該特殊工程環(huán)境下的適用性。利用模糊綜合評價(jià)法，以安全性、施工速度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和對環(huán)境影響大小為基本評定指標(biāo)，對3種備選方案進(jìn)行綜合量化評估。在此基礎(chǔ)上，對選定的施工方法進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明:筑島鎖扣樁圍堰施工方案經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較低，施工風(fēng)險(xiǎn)小，工期短，綜合效益顯著。

圍堰施工;鎖扣樁;雙壁鋼圍堰;單壁鋼圍堰;模糊判斷

水下基礎(chǔ)修建的關(guān)鍵是如何解決深水帶來的一系列問題，目前鋼圍堰施工方案以其強(qiáng)度高、水深適應(yīng)性強(qiáng)、材料可回收等優(yōu)勢成為水下基礎(chǔ)施工的重要選擇［1-5］。圍堰方案發(fā)展至今，已有鎖扣樁圍堰、單壁鋼圍堰、雙壁鋼圍堰等多種圍堰形式，且分別具有各自的優(yōu)勢［6-7］。合理的圍堰方案直接決定了水下承臺(tái)施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。因此，采用模糊綜合評價(jià)法，對圍堰方案進(jìn)行多指標(biāo)綜合比選，具有重要的工程意義［8-9］。

1 工程概況

大沖邕江特大橋南北走向跨邕江，位于柳南高速公路六律大橋下游(北邊)約4 km，北岸跨湘桂鐵路，中心樁號K36+938。橋跨組合［6×40+(193+332+ 113)］m，橋梁設(shè)計(jì)全長888 m。主橋?yàn)槿邕B續(xù)高低塔混凝土斜拉橋，主橋長638 m，采用半漂浮體系。橋塔基礎(chǔ)采用承臺(tái)接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。南岸9#橋塔下布置2個(gè)15.6 m×15.6 m的矩形鋼筋混凝土承臺(tái)，厚度5.0 m。南岸橋塔每個(gè)承臺(tái)下布置9根φ250 cm的鉆孔灌注樁，北岸橋塔每個(gè)承臺(tái)下布置12根φ250 cm的鉆孔灌注樁。承臺(tái)采用C30混凝土［10］。

南岸9#塔柱位于大沖邕江岸邊，承臺(tái)外邊線距岸邊約30 m，測量水位61.7 m，承臺(tái)頂標(biāo)高61.5 m，承臺(tái)底標(biāo)高56.5 m。9#承臺(tái)地質(zhì)條件為泥盆系中統(tǒng)郁江組泥巖、下統(tǒng)那高組泥巖，中風(fēng)化深灰色，巖石軟～較硬，巖體完整，鉆進(jìn)慢，巖芯呈短～長柱狀。

2 基于模糊理論的鋼圍堰方案綜合比選

評價(jià)施工方案的優(yōu)劣通常采用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評估，而不同指標(biāo)具有不同的內(nèi)在要求，導(dǎo)致同一方案不同指標(biāo)之間存在不一致性，同一施工方案的不同指標(biāo)往往是“此消彼長”。因此，某些指標(biāo)最好的施工方案不一定是最優(yōu)的施工方案，施工方案的比選必須從總體上把握，是綜合評價(jià)的問題［11］。

模糊綜合評價(jià)法是一種面向多指標(biāo)的方案評估方法，能夠解決多層次、多屬性復(fù)雜指標(biāo)的方案評估問題。它以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)隸屬度理論，將定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，對受多因素影響的對象做出綜合評價(jià)。其基本流程為:設(shè)定基本指標(biāo)集合π= (f1，f2，…，fm)，m為設(shè)定指標(biāo)的個(gè)數(shù)→基本指標(biāo)定量分析(建立評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)而量化評分)→確定各基本指標(biāo)權(quán)重→確定隸屬度函數(shù)，建立模糊評價(jià)矩陣→計(jì)算各備選方案隸屬度［12-14］。

2.1 備選施工方案基本指標(biāo)集

根據(jù)施工場地特點(diǎn)分別選擇了單壁鋼圍堰、雙壁鋼圍堰、鎖扣樁圍堰［15］為備選施工方案。為了更直觀地認(rèn)識3種備選施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)，評價(jià)備選施工方案對大沖邕江特大橋9#承臺(tái)地質(zhì)條件和施工條件的適用性，從安全、環(huán)保、工期和經(jīng)濟(jì)性4個(gè)指標(biāo)出發(fā)，建立基本指標(biāo)集U。

不同施工方案的基本指標(biāo)定性描述，如表1所示。

表1 備選施工方案基本指標(biāo)定性評價(jià)

2.2 備選施工方案基本指標(biāo)定量分析

為了對不同施工方案的基本指標(biāo)優(yōu)劣性進(jìn)行定量評判，根據(jù)各施工方案的安全性、施工速度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和對環(huán)境影響大小依據(jù)表1描述進(jìn)行了量化評分，評分結(jié)果如表2所示。

表2 備選施工方案基本指標(biāo)量化

2.3 備選施工方案基本指標(biāo)權(quán)重

綜合使用模糊二元排序法和專家評判法來確定權(quán)重大小。2種方法綜合使用較為符合人們的分析和判斷能力［16］，排除了人們的偏愛和興趣，可客觀地得到所要的結(jié)果。

從基本指標(biāo)集U中的各項(xiàng)基本指標(biāo)可以看出，各基本指標(biāo)對評價(jià)結(jié)果所起的作用有大有小，按各基本指標(biāo)重要程度劃分為3個(gè)等級，以確立模糊定量賦值規(guī)則:若ui，uj同樣重要，則fui(uj)/fuj(ui)為1;若ui比uj重要，則fui(uj)/fuj(ui)為2;若ui比uj很重要，則fui(uj)/fuj(ui)為3。其中，ui，uj為評價(jià)系統(tǒng)的評價(jià)因素;fui(uj)為ui評價(jià)因子下uj的隸屬度函數(shù); fuj(ui)為uj評價(jià)因子下ui的隸屬度函數(shù)。

對各指標(biāo)重要程度，首先要考慮施工安全和環(huán)保;其次施工方法要經(jīng)濟(jì)可行，確保工程施工經(jīng)濟(jì)效益較好;最后，要在確保施工安全的原則下，保證施工速度和進(jìn)度。基于上述原則，請有經(jīng)驗(yàn)的專家對各因素的相對重要程度兩兩依次比較，并根據(jù)模糊定量賦值規(guī)則，得到各指標(biāo)二元對比排序賦值表，見表3。

表3 備選施工方案基本指標(biāo)二元對比賦值

由賦值表構(gòu)造判斷矩陣V

其中:vij=fui(uj)/fuj(ui)，且滿足

計(jì)算各基本指標(biāo)的權(quán)重值

計(jì)算結(jié)果:α1=0.637，α2=0.637，α3=1.189，α4=2.060。歸一化處理后，得權(quán)重集A

2.4 確定隸屬度函數(shù)建立模糊矩陣

3種備選方案的安全性、施工速度、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響指標(biāo)符合偏大型半梯形分布，隸屬度計(jì)算函數(shù)為

式中:μij為j方案i指標(biāo)的隸屬度;fip為i指標(biāo)的上限值;fil為i指標(biāo)的下限值;fij為各方案相應(yīng)指標(biāo)的量化值。

根據(jù)式2和表2計(jì)算得到安全性、施工速度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境影響指標(biāo)的隸屬度分別為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得備選方案的定量指標(biāo)的模糊評判矩陣R為

2.5 計(jì)算備選施工方案隸屬度隸屬度計(jì)算矩陣B為

對結(jié)果進(jìn)行歸一化處理得

依據(jù)最終計(jì)算結(jié)果，按照最大隸屬度原則，可以得出:筑島鎖扣樁圍堰方案隸屬度最大為0.44，據(jù)此可以判斷鎖扣樁圍堰方案為大沖邕江特大橋9#承臺(tái)最優(yōu)施工方案。

3 鎖扣樁圍堰方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述對3種施工方案的對比分析表明，采用扣樁圍堰方案為9#承臺(tái)施工的最佳方案。因此，建立鎖扣樁圍堰結(jié)構(gòu)有限元模型，對該結(jié)構(gòu)的各方面安全指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 鎖扣樁圍堰方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)圍堰方案立面和平面見圖1。

圖1 圍堰設(shè)計(jì)示意(單位:m)

3.2 鎖扣樁圍堰方案有限元分析

利用有限元軟件MIDAS/Civil對施工圍堰結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型進(jìn)行全過程施工模擬，以保證圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能夠滿足施工要求，有限元模型如圖2所示。

圖2 圍堰有限元模型

在有限元分析之前首先要確定可能的最不利工況，根據(jù)實(shí)際施工過程分別確定3個(gè)不利工況。工況1開挖至第2層內(nèi)撐處但第2層內(nèi)撐尚未安裝;工況2開挖至封底混凝土底部;工況3承臺(tái)施工完成，拆除第2層支撐。各不利工況結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各不利工況有限元計(jì)算結(jié)果

由表4可知:設(shè)計(jì)鎖扣樁圍堰方案強(qiáng)度和剛度能夠滿足施工要求。通過計(jì)算得出圍堰結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)為21.56，滿足穩(wěn)定要求。

4 鎖扣樁圍堰施工工藝及施工要點(diǎn)

筑島鎖扣樁工藝流程為:筑島→測量放線→清理鋼管樁→設(shè)置導(dǎo)樁框架→插打定位鋼管樁→插打鋼管樁→反開挖承臺(tái)→設(shè)置第1、2道內(nèi)支撐→混凝土封底→拆除內(nèi)支撐。

4.1 筑島施工

筑島從9#墩岸邊位置開始填筑，筑島體外側(cè)采用1∶2的坡度放坡。筑島范圍為縱橋向、橫向超出承臺(tái)邊10 m，整個(gè)筑島范圍長74 m，寬35.6 m。筑島材料利用挖方段素土作為填料，采用自卸汽車運(yùn)至9#墩，推土機(jī)推土，由岸邊開始逐漸向前推進(jìn)，填筑高出水面部分采用壓路機(jī)分層壓實(shí)。填筑完成后為防止沖刷，在島體外側(cè)坡腳采用沉石籠防護(hù)。

4.2 導(dǎo)向框的設(shè)置

為了精確控制鋼管樁打入后的平面位置，需設(shè)置導(dǎo)向框，導(dǎo)向框由導(dǎo)框樁與導(dǎo)框組成，均為I40工字鋼。導(dǎo)框樁水平間距為5.0 m，導(dǎo)框樁高出土圍堰平臺(tái)頂面1.0 m，打入土圍堰頂面下5.0 m，樁長為6.0 m。為方便鋼管樁能順利插入導(dǎo)向框，兩導(dǎo)框間距比529 mm鋼管樁直徑大20 mm，即每邊各放大10 mm，為550 mm。導(dǎo)框樁與導(dǎo)框連接為焊接，焊縫高度不小于4 mm。

4.3 插打鋼管樁

施工時(shí)可選近岸側(cè)河水流速小的地方開始。第1，2根邊樁的定位及雙向垂直度是控制鋼管樁圍堰位置及后期鋼管樁施工的關(guān)鍵，施工時(shí)須從嚴(yán)控制，以便起到樣管導(dǎo)向作用。插打作業(yè)時(shí)每打入1.0 m應(yīng)測量1次，打至預(yù)定深度后立即用鋼筋與導(dǎo)向框焊接固定。

鋼管樁插打順序:由各邊中部向兩端插打鋼管樁，分別在角樁處合龍。在插打過程中要不斷的檢測樁位與樁的垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正。每根樁插打時(shí)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中途不可有較長時(shí)間的停頓，以免樁周圍的土擾動(dòng)恢復(fù)造成沉樁困難。出現(xiàn)合龍偏差時(shí)，采用斜交合龍，最后2根鋼管樁應(yīng)根據(jù)剩余尺寸大小采用斜交封閉，鋼管樁插打現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 鋼管樁插打現(xiàn)場

5 結(jié)論

1)采用模糊綜合評價(jià)法對3種備選施工方案進(jìn)行比較分析，可較好地評價(jià)圍堰施工方案。在對大沖邕江特大橋9#承臺(tái)施工時(shí)，采用鎖扣樁圍堰施工方案最優(yōu)。

2)經(jīng)過計(jì)算分析表明，鎖扣樁圍堰施工方案的剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性滿足施工要求，且不會(huì)發(fā)生管涌現(xiàn)象。

3)綜合考慮鎖扣樁圍堰施工方案經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益以及環(huán)境效益，表明該方案適用該特定地質(zhì)條件下的承臺(tái)施工，可為今后類似工程施工提供借鑒和參考。

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Study on Construction Technology Scheme of Locked Pile Cofferdam in Shoal Bare Rock Zone

WANG Jun
(China Railway 16th Bureau Group 1st Co．，Ltd．，Beijing 101300，China)

Dachongyong river super-large bridge 9#pylon is pile cap foundation，the overlay of river bed is scoured badly，pile cap bottomelevation is the bare rock．Considering the pylon and the main bridge construction characteristics，the applicability of the construction methods such as the single-wall steel cofferdam，double-wall steel cofferdam and building-islands locked pile construction in special engineering environment were discussed in this paper．Based on fuzzy synthetic evaluation，three alternatives were evaluated quantitatively by taking security，construction speed，economic indicators and the environmental impaction as the basic evaluation indicators．T he finite element method was used to analysis construction stage of design cofferdam．T he results show that the building-island with locked pile cofferdam construction scheme，its economic cost is lower，construction risk is smaller，construction period is shorter，the comprehensive benefit is remarkable．

Cofferdam construction;Locked pile;Double-wall Steel boxed cofferdam;Single-wall steel boxed cofferdam;Fussy evaluation

U443．16+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．10

1003-1995(2016)12-0033-05

(責(zé)任審編趙其文)

2016-07-13;

2016-09-20

中國鐵建股份有限公司科研項(xiàng)目(11-21C);中鐵十六局集團(tuán)有限公司重點(diǎn)科研項(xiàng)目(K2011-1B)

王軍(1978—)，男，高級工程師，碩士。