巖層變水頭區(qū)域水上鋼板樁圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

宋 曉

（廣州工程總承包集團(tuán)有限公司 廣州 510310）

在跨江、跨河區(qū)域，橋梁下部結(jié)構(gòu)施工常通過在水中設(shè)置鋼圍堰進(jìn)行施工，深水承臺基礎(chǔ)施工技術(shù)難度大，橋梁水中下部結(jié)構(gòu)施工是橋梁施工中的關(guān)鍵工序，圍堰施工順利與否是深水基礎(chǔ)能否成功施工的關(guān)鍵，拉森鋼板樁在中風(fēng)化或微風(fēng)化巖層中插打難度大的特點，同時受水位變化影響，施工難度加大，圍堰變形、應(yīng)力變化復(fù)雜。

1 概況

廣州市荔灣區(qū)某跨河橋梁由西向東跨越花地河，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。水中橋段采用獨樁獨柱墩。墩柱橫橋向中心距約5.0 m，墩徑?1.6 m，墩底直接連接φ1.8 m 樁基礎(chǔ)，墩頂及樁頂均設(shè)橫系梁。該工程水中巖層覆蓋層較薄，工程河段微彎，橋位處河寬約60.0 m，航槽位于河道中間，水深2.6 m。受西閘、北閘、南閘及葵蓬閘的限制，涌內(nèi)水位變化較大。

2 圍堰的方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，該橋2#、3#墩采用拉森鋼板樁圍堰的施工方案如圖1 所示。圍堰尺寸定為：單個主墩為11.2 m×4.8 m，鋼板樁選用德國拉森Ⅳ型，采用雙排長度為15.0 m 的鋼板樁，圍檁采用雙拼I25工字鋼，設(shè)置三道水平內(nèi)撐，采用?377×8 mm 鋼管，內(nèi)支撐鋼管支點處焊接鋼板加勁；內(nèi)支撐鋼管支點處焊接鋼板加勁。為防止施工過程中水位突然下降，圍堰內(nèi)抽水不及時導(dǎo)致圍堰內(nèi)側(cè)水頭高于圍堰外側(cè)水頭［1］，在圍堰外第一道圈梁等高位置設(shè)置一道圈梁，并與第一道圈梁對拉，同時在鋼板樁圍堰上增設(shè)連通管，以快速降低圍堰內(nèi)外水頭差。封底混凝土采用50 cm 厚C25混凝土。

圖1 鋼板樁圍堰剖面Fig.1 Profile of Steel Sheet Pile Cofferdam

3 鋼板樁圍堰施工方法

測量放線?清理鋼板樁?設(shè)置導(dǎo)樁框架?插打定位鋼板樁?插打鋼板樁?抽水?設(shè)置第一、第二道內(nèi)支撐?水下吸泥?水下混凝土封底?等混凝土封底強(qiáng)度?繼續(xù)抽水?設(shè)置第三道內(nèi)支撐?堵漏?承臺和墩身施工?拆除內(nèi)支撐?拔除鋼板樁。

3.1 巖層區(qū)域引孔、鋼板樁插打與止水措施

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，橋位處上游具有水庫，河床部分為覆蓋層以砂卵石為主，厚度0.5～2.0 m，覆蓋層其下依次為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖，為保證鋼板樁工作穩(wěn)定，鋼板樁入土深度控制在樁長的1/3 左右（入土深度約5 m），需要打入巖層不少于2～3 m，施工難度較大。由于通常用的拉森鋼板樁施工工藝、不能打入到中風(fēng)化或微風(fēng)化巖層中，鋼板樁可能因嵌固深度不夠而使圍堰位移過大，影響正常使用和安全性。通過使用機(jī)械鉆引孔在巖石區(qū)域下鋼板樁，孔內(nèi)澆筑混凝土固定，增強(qiáng)了鋼板樁圍堰在巖層區(qū)域的穩(wěn)定性，保證了嵌入深度［2-4］。為將鋼板樁插打至設(shè)計預(yù)定的深度，以插打鋼板樁中心的延伸線作為導(dǎo)向線定位出引孔開槽孔位。拉森Ⅳ型鋼板樁寬度為371 mm，為保證開槽的最小寬度滿足鋼板樁施工要求，控制旋挖鉆鉆孔間距為0.8 m。以先前插打鋼板樁中心的延伸線作為導(dǎo)向線定位出引孔開槽孔位?？孜汇@進(jìn)采用跳鉆的方式，引孔開槽完成后，槽口對接過程中，控制好鋼板樁的垂直度，以保證鋼板樁槽口對接平順。

鋼板樁插打過程中直接以下放到位的內(nèi)支撐圈梁作為導(dǎo)向，使得鋼板樁插打后與圈梁間貼合更緊密，閉合線形更好，鋼板樁間互相咬合止水效果更好，能更好地保障鋼板樁插打精度和質(zhì)量。為保證鋼圍堰在深水區(qū)域底部的止水效果，根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況和水文地質(zhì)條件，通過在鋼圍堰內(nèi)四周和鋼護(hù)筒焊接一圈鋼板與封底混凝土澆筑封底，防止鋼結(jié)構(gòu)與混凝土接縫位置的滲漏，降低了鋼圍堰施工期間滲水量。封底技術(shù)手段選用垂直導(dǎo)管法。導(dǎo)管作業(yè)時以4 m 為半徑進(jìn)行導(dǎo)管布置，封底順序為從樁基護(hù)筒周圍從上下游側(cè)對稱向中間封底，最后在護(hù)筒中部合龍，完成封底［5］。

3.2 內(nèi)撐安裝

本項目設(shè)置三道內(nèi)撐，為施工方便，采用逆作法的順序自下而上安裝內(nèi)撐。

⑴ 將圍堰底部淤泥清除至封底混凝土底部標(biāo)高，首先安裝最底部（第三道）圍檁和內(nèi)撐。

⑵圈梁采用雙拼I25a 工字鋼，內(nèi)撐采用?377×8 mm鋼管，圍梁和內(nèi)撐起吊并水平安放后焊接固定。

⑶安裝圍檁和內(nèi)撐時，內(nèi)水頭應(yīng)低于內(nèi)撐底部50 cm，內(nèi)外水頭應(yīng)盡量保持一致。

傳統(tǒng)的內(nèi)撐采用從上到下的方式依次安裝，圍檁和內(nèi)撐安裝時空間受限，吊裝及安裝難度大。本項目結(jié)合圍堰外側(cè)變水頭的特點，通過調(diào)整內(nèi)外最小水頭差前提下進(jìn)行施工。

3.3 連通器設(shè)置

內(nèi)外連通器聯(lián)通圍堰內(nèi)部與外部，圍堰內(nèi)撐施工過程中保持圍堰內(nèi)外側(cè)水頭一致［6-7］。最下一道支撐安裝時，內(nèi)往外排水，為防止在施工最底部一層內(nèi)支撐時，施工過程中水位突然上升，應(yīng)確保漲潮前兩端焊接固定如圖2所示。

圖2 第三道內(nèi)支撐安裝Fig.2 Installation of the Third Inner Support

最上一道支撐安裝時，最高水位時關(guān)閉連通器如圖3所示。

圖3 第一道內(nèi)支撐安裝Fig.3 Installation of the First Inner Support

傳統(tǒng)的抽水方式進(jìn)行圍堰內(nèi)外水位調(diào)節(jié)的方式不僅效率低，還增加了施工成本。通過在鋼板樁圍堰側(cè)壁增設(shè)聯(lián)通閥，消除漲落潮和周邊水庫開關(guān)閘引起鋼圍堰內(nèi)外水位差對施工不利影響［8］，同時靈活應(yīng)對水頭差循環(huán)動荷載作用下對圍堰位移和應(yīng)力的影響，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.4 有限元分析

利用Midas Civil 建立三維有限元分析模型［9-10］，如圖4所示。以便更好地了解鋼板樁圍堰應(yīng)力狀態(tài)和支撐內(nèi)力分布規(guī)律。荷載包括模型自重、靜水壓力、主動土壓力、被動土壓力以及作用在封底混凝土上的浮力，對不同部位的最大組合應(yīng)力、剪應(yīng)力、撓度等進(jìn)行計算分析。最不利工況為在只有第三道內(nèi)撐（最下面一道內(nèi)撐與圍檁焊接牢固，起到頂撐的作用）施作，受水庫開閘門影響，內(nèi)外水頭差達(dá)到最大，荷載這時候達(dá)到最大的水土壓力。

圖4 有限元分析模型Fig.4 Finite Element Analysis Model

整個圍堰的位移（含鋼板樁和第三圍檁和第三道內(nèi)撐）工況二時鋼板樁圍堰中鋼板樁板板單元位移最大，最大撓度12.6 mm＜L/400=16.75 mm，滿足要求如圖5所示。

圖5 圍堰變形分析Fig.5 Analysis of Cofferdam Deformation

鋼板樁圍堰最大應(yīng)力σ=92 MPa＜210 MPa，滿足要求，如圖6所示。

圖6 圍堰應(yīng)力分析Fig.6 Stress Analysis of Cofferdam

4 結(jié)語

本文對巖層變水頭區(qū)域鋼板樁圍堰設(shè)計和施工方法進(jìn)行了介紹，并對最不利工況下的圍堰進(jìn)行了計算分析，得出以下結(jié)論：

⑴使用機(jī)械鉆引孔在巖石區(qū)域下鋼板樁，孔內(nèi)澆筑混凝土固定，增強(qiáng)了鋼板樁圍堰在巖層區(qū)域由于入土深度不足的穩(wěn)定性問題。

⑵采用逆作法施工鋼板樁圍堰內(nèi)支撐，解決了圍堰內(nèi)施工圍檁和內(nèi)支撐空間受限問題，提高了施工效率。

⑶在鋼板樁圍堰側(cè)壁增設(shè)聯(lián)通閥，消除漲落潮和周邊水庫開關(guān)閘引起鋼圍堰內(nèi)外水位差對施工不利影響。