上海长江隧道试验段工程施工技术

1 前言
上海长江隧桥(崇明越江通道)工程(见图1)南起浦东五号沟,途经长兴岛,向北止于崇明岛东端陈海公路,在南、北港分别采用隧道过江和桥梁过江方案,全长25.5km,道路规划为双向6车道,设计时速为80km。
穿越长江南港的隧道长8.9km,为双向6车道双线隧道。圆隧道采用f15.43m泥水平衡盾构连续掘进,长7.5km;内径为13.7m,外径为15.0m;管片宽2m、厚65cm。
试验段工程位于浦东陆域部分,由1号工作井(盾构始发井)、浦东暗埋段、浦东引道段和接线道路组成(见图2),总长657.83 m,线路纵坡2.9%。
                                                图1  工程位置图

                                    图2  试验段工程平面布置图

    2 地质情况
根据上海市隧道工程轨道交通设计研究院提供的详勘报告,②2~③2为粉性土层或夹较多薄层粉砂,渗透性强,在一定的动水条件下易产生流砂、管涌等不良地质现象;在7°地震作用下为轻微液化土层。③1和④1层为灰色淤泥质软土,厚度较大,属高灵敏度软土,易产生触变及蠕变。
本场地的地下水类型主要为潜水和承压水两种。根据邻近工程的水质分析结果,潜水赋存于⑤2粘质粉土层以上的土层中,其中②2、②3、③2层为主要含潜水层,其渗透性强,在一定的动水条件下,易产生流砂、管涌等不良地质现象。埋藏于⑤2粘质粉土层、⑦1-2层灰色砂质粉土层中的地下水具有承压性,由勘察报告提供,⑦2层的承压水水头埋深为10.33 m(标高-5.45 m)。但根据本场地的地层情况来看,必须考虑⑤2粘质粉土层的承压性,根据经验,其水头埋深暂按地表以下6.00 m计,相应的绝对标高为-2.00 m。
现场土体的分层及力学性能指标见表1。

表1  分层土体力学性能

土层名称 层底标高 土层厚度 重度 含水量 渗透系数/cm×sec-1
层号 /m /m /kN×m-3 /% Kv Kh
1 填土 4.56~1.74 0.30~1.70
1 粘质粉土 3.96~1.20 0.00~1.80 18.2 32.6 1.81×10-5 2.68×10-5
3 砂质粉土 -1.84~-3.46 3.60~6.40 18.7 30.6 5.60×10-5 2.80×10-4
1 淤泥质粉质粘土 -4.85~-8.20 1.80~6.20 17.5 40.9 1.16×10-6
2 砂质粉土 -7.34~-9.70 1.50~3.80 18.2 32.1
淤泥质粘土 -19.45~-22.66 10.60~14.30 16.9 47 1.62×10-7 5.28×10-6
1 粘土 -23.36~-27.19 3.40~7.00 17.3 42.2 5.45×10-7 1.09×10-6
2 粘质粉土 -36.09~-38.04 9.70~13.30 18 32.2
2 砂质粉土 -57.52~-58.94 19.90~22.20 18.2 31.3
粉质粘土 未钻穿 -39.28~-41.54 18 33.8

3 试验段工程施工技术
3.1 试验段分段
由上海隧道工程股份有限公司设计施工总承包的试验段工程,各分段项目的起止里程、施工方法、围护形式等见表2。

表2  试验段工程分段划分表

项目
起止里程桩号
分段长度
/m
施工方法
围护形式
基底埋深
/m
接线道路
K0 -175.33~-145.00
30.33
引道段
K0 -145.00~+165.00
310
明挖
1:3放坡
0~10.0
暗埋段
K0 +165.00~+460.50
295.5
明挖
地下连续墙
10.0~22.1
1号工作井
K0 +460.50~+482.50
22
明挖
地下连续墙
井底标高 -19.963

3.2 超深地下连续墙施工技术
试验段工作井的设计外包尺寸为48m×22m,围护结构为深45m、厚1 m的地下连续墙。暗埋段长295.5 m,基坑也采用地下连续墙围护。考虑到超大直径泥水平衡盾构掘进机的超长距离连续掘进施工特点,为确保整个盾构掘进机系统一次安装就位,需同时完成工作井及其相邻暗埋段的施工。
⑴ 施工厚1m、深45m的超深地下连续墙,需要有相关的施工机械设备和施工工艺进行配合。本工程采用LIEBHERR HSWG2.8/800-1200液压抓斗配HS 855履带吊(90 t)进行挖槽,采用2台150 t履带吊整幅起吊钢筋笼。由于⑦号土层的强度较高,需要采用先钻先导孔、后成槽的方式,这样,既可提高抓斗的开挖速度,又可确成槽的垂直度。
⑵ 先对施工地下连续墙的场区(鱼塘)进行处理。浅层的②2~③2为粉性土层或夹较多薄层粉砂,渗透性强,易造成地下连续墙坍孔,因此,在施工前先进行轻型井点降水施工。
⑶ 为了防止浅层土体在地下连续墙的成槽过程中发生大面积塌方,因此,需要制作深导墙。导墙应深入原状土(或加固土)30 cm以上,导墙宽1050 mm,需确保垂直精度。
⑷ 将原设计的十字止水钢板接头改为接头管。为方便接头管起拔,一方面在接头管表面涂抹减摩剂,另一方面在钢筋笼靠近接头管侧设置“∑”形钢板,减少水下混凝土绕管现象发生,并设计、加工了起拔接头管的专用顶拔设备,确保接头管顺利起拔。
⑸ 在地下连续墙的成槽、起吊钢筋笼和接头管及起拔接头管时,150 t履带吊和起拔设备等重型机械,对导墙和周边道路的要求较高,为确保其有良好的承载力,防止在施工过程中发生沉陷,影响正常施工,施工场区的道路必须与导墙整体制作。
⑹ 考虑⑦号砂土层的稳定,必须适当提高泥浆的粘度和比重,还需增加重晶石的掺量。
3.3 井点降水
为防止基坑底部发生突涌,确保施工时基坑底板的稳定性,必须采取井点降水措施,及时降低下伏承压含水层的承压水水头,将其降至安全的高度。
⑴ 根据地质资料进行承压水头计算,在坑外布置11口降压井,井深53 m,见图3。
                                             图3  井点布置图

⑵ 现场抽水试验
先完成几口降压水井,在现场做一组非稳定流的抽水试验,实测承压含水层的水头高度和实际出水量,验证布井的合理性和井结构设计的准确性。
从试验结果中发现:
① 仅坑外井方案无法满足降低承压水水头的要求;
② 单井出水量小,观测井的水位下降不大,说明土的渗透性较差,单井的影响范围小;
③ 根据抽水试验,结合本场地⑤2粘质粉土层与⑦2砂质粉土层的分布特性,可反映出⑤2层与⑦2层有一定的水力联系,但由于土的垂直渗透性较差,垂直补给不明显,两层土的水力联系不密切。
⑶ 施工井点布置
根据抽水试验的结果,为控制井的数量,决定采用坑内井的方案,即将降压井布置在基坑内;将降压井深度调整为63 m,采用大扬程、小流量抽水泵,降低井内水位,加深水力曲线漏斗;根据地下连续墙深度,采取不同的降压措施,由于工作井及相邻SD1段的地下连续墙将⑤2层隔断,且该层土的垂直渗透性又较差,因此,以降⑦2层为主,⑤2层及时疏干,具体数据见表3。
表3  分段计算降压水位表    地面标高:+4.0 m;承压水水头高度:-2.0 m

位置
最深底标高/m
顶标高/承压水水头高度/m
覆土厚度/折算水柱高度/m
降水头/m
2
2
2
2
工作井
-22.96
-25.79/23.79
(26.17)
-37.8/35.8
(39.38)
2.83/5.09
14.84/26.71
2层疏干,
2层降12 m
SD1
-19.11
-25.79/23.79
(26.17)
-36.5/34.5
(37.95)
6.68/12.02
17.39/31.30
2层疏干,
2层降8 m
SD2
-13.73
-25.79/23.79
(26.17)
-36.5/34.5
(37.95)
12.06/21.71
22.77/40.99
2层降5 m
SD3
-13.00
-25.51/23.51
(25.86)
-36.5/34.5
(37.95)
12.51/22.52
23.50/42.30
2层降3 m
SD4
-12.35
-25.51/23.51
(25.86)
-36.5/34.5
(37.95)
13.16/23.69
24.15/43.47
与SD3交接处降3 m

调整后的降压井井点布置见图4。
                                       图4  降压井点施工布置图

为减少基坑内井的数量,工作井范围内的降压井设计为混合井,同时抽取上部潜水与下
部承压水,抽水结果满足降承压水的要求。
3.4  土方开挖
为满足盾构安装要求,盾构工作井和相邻暗埋段的施工需同时完成,暗埋段为分层放坡开挖,开挖到底后,紧接着将工作井开挖到底,然后同步完成内部结构。
土方按1~6顺序开挖,开挖到SD2底,制作SD2底板;SD2底板完成后,开挖7,制作SD1底板;SD2底板完成后,开挖8,制作工作井底板。开挖顺序见图5。
                                         图5  土方开挖顺序图

3.5  结构施工
3.5.1  工作井
⑴ 试验段工作井的支撑形式为5道钢筋混凝土围檩支撑和1道钢支撑,其中第一、第二道钢筋混凝土围檩支撑兼做永久结构的顶框架和中框架。
⑵ 原设计的内衬结构采用明挖顺作法施工,逐层开挖、浇筑围檩支撑、开挖到底,再由下往上逐层浇筑围檩间的内衬结构。由于工作井与后续的暗埋段同步、逐层开挖,在工作井和暗埋段的施工中形成2个工作面,即可在一处进行挖土,在另一处进行结构施工。因此,将工作井的内衬墙施工改为逆作法。在暗埋段开挖时,工作井处可先完成围檩支撑(结合正面钢洞圈安装)施工,待混凝土围檩达到强度后,再完成围檩之间的井壁内衬结构。
⑶ 为确保逆作法的施工质量,采取的措施有:
① 根据围檩和内衬的不同厚度,设置预留混凝土浇灌孔,确保混凝土浇筑时由上而下、充分、密实;
② 为确保混凝土二次浇筑的结合面不渗漏,设置呈楔形且有凹凸口的施工缝;
③ 考虑到钢筋分布的间距密集,浇筑混凝土时,应根据不同的部位,采用不同尺寸的振捣器进行振捣,并采用模板外侧补振措施;
④ 为确保盾构出洞时的止水效果,洞圈先在厂内一次成型,然后根据施工顺序分成8块进行安装,安装时采用与设计轴线垂直的方式,分块之间设置楔形企口钢板;洞圈的安装精度控制在1 cm之内。
3.5.2  暗埋段
暗埋段为矩形钢筋混凝土结构,考虑到盾构机的安装,SD1和SD2的施工分成2个阶段,第一阶段(盾构推进阶段)完成钢筋混凝土支撑、板撑的施工,以确保结构安全;第二阶段(使用阶段)完成行车道顶、底板结构。暗埋段在2个阶段中的结构横断面见图6。
                             图6  不同阶段的暗埋段结构横断面图

3.5.3  敞开段
敞开段的施工场地开阔,可放坡开挖。为解决底板的抗浮问题,经综合比较,采用抗拔形式,确保结构使用寿命达100年。敞开段的结构横断面见图7。
图7  敞开段的结构横断面图

4  结语
试验段工程是上海长江隧道工程的先遣工程,1号工作井(盾构始发井48 m×22 m×26.963 m)已于2005年5月20日完成底板混凝土浇筑。
⑴ 通过现场降水试验,根据实际情况进行降水井点布置,采用疏干与降压共用的混合井,使场地的地质条件得到了较大的改善,满足了地下连续墙施工和基坑开挖的安全要求。
⑵ 根据实际情况,灵活地调整施工顺序,将工作井改为逆作法施工,既简化了施工,又为后续工序提供了方便。
⑶ 工作井内预留圆隧道钢圆环(洞圈)安装工艺的优化,达到了±1 cm的精度标准。
⑷ 首次先行实施洞口地基加固,不仅降低了基坑开挖的风险、有效地保护了长江大堤,又大大地节约了工程费用。
⑸ 因地制宜,敞开段结构选用放坡形式施工,未采用市内隧道传统的U形结构,有较好的经济性和入口效果。

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高强度含低合金镍、铜、磷的钢材、H型钢板桩和在海洋环境中使用的耐大气腐蚀的钢板桩的标准参数规范

1. 范围
1.1 本参数规范包含高强度含低合金镍、铜、磷的钢材、H型钢板桩和用来建造护岸、海洋护堤、防水壁、挖掘隔板等海洋环境下的产品的结构质量。
1.2   A690不管是否含铜,其抗大气腐蚀能力实质上都比普通碳钢(见补充1)好很多。这种钢材尤其在“飞溅区”体现出比普通碳钢(规格为A36/A36M和A328/A328M)强出很多的防海水腐蚀能力。处于飞溅区意味着暴露在雨水的冲刷和经历风或太阳或两者同存在的干燥过程。在钢材并不需要彻底暴露的情况下(比如低潮区和完全浸水区),应该考虑普通碳钢加以常规的表面保护。
补充1:评估耐大气腐蚀的低合金钢,见指南G101。
1.3 在钢材焊接之前,应为焊接过程准备好钢材以及有用的操作。关于可焊性的信息见附录参数为A6/A6M的X3。
1.4 不管是以英尺、磅单位计算的还是以SI单位来计算的价值都是标准的。在文中,SI单位显示在括号中。在不同的体系中价值并不是完全一样的,所以每个体系必须完全独立,与其他体系隔绝。组合两个不同的体系价值会造成参数的不一致性。

2. 参考文件
2.1  ASTM标准:
A6/A6M  参数适用于结构型钢棒、钢板、型钢和钢板桩
A36/A36M 参数适用于碳结构钢
A328/A328M  参数适用于钢板桩
G101为低合金钢耐大气腐蚀评估指南

3. 一般交货要求
3.1 按照此参数涂漆的结构产品应该与当下A6/A6M的版本参数要求一致,如两个参数有矛盾存在,应遵循此参数。
3.2 在卷板被加工成结构型成品前不适用于此参数。卷板制成的结构型产品由卷板切割成不同的长度,加工程序直接控制或负责包括将卷板加工成结构型成品的操作。此操作包括卷板开平、水准测量或拉直、热轧或冷弯(如果适合)、切割成所需长度、测试、检验、调节、热处理(如果适合)、包装、贴标签、装船、出证。
碳含量最大值每下降0.01%,锰的规定含量可升高0.06%,最高至1.10%

4. 材料和生产
4.1 钢材应为镇静钢或半镇静钢

5. 化学成分
5.1 化学成分分析应符合表格1规定的要求
5.2 钢材的产品分析应符合表格1的要求,遵循A6/A6M参数的产品分析公差。
5.3  由5.1中规定的元素给出6.1部分中的机械性能应被生产商归纳记录在钢材化学成分分析报告里
5.4 在买卖合同时规定耐大气腐蚀指数是在钢材的化学成分分析的基础上计算的,如同G101中的6.3.2部分中描述的,最小指数值应该由,买卖双方同意。

6. 拉伸测试
6.1 材料应该和表格2中规定的拉伸性能的要求一致。

7. 关键词
7.1 防水壁;防腐;护岸;挖掘;高强度;H型钢;低合金;海洋环境;海洋护堤;钢板桩;钢材;结构型钢。

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A690“水手”钢材:事实

如果你不熟悉与腐蚀相关的计算,可能需要阅读我们的文章“生锈和腐蚀”。

仅仅使用A690钢材不一定会延长你建筑的使用寿命。了解这一点并寻找其他解决方案的工程师为他们的客户节约了很多时间和金钱;但想要涉水通过市场炒作和伪科学并不容易。在这里,我们帮助你理解究竟不同的规格和作用到底是什么,又意味着什么。

如果你在海洋环境中工作,你应该阅读以下内容来理解事实真相—尤其是A690并不一定能增加你的钢板桩的寿命,并且不是最优惠的选择,它有较高的价格和较低的可用性。

事实No.1:A690仅仅在盐水(海水)的“飞溅区”效果更好
ASTM声明只有在海水的飞溅区,A690才比A36和A328的防腐蚀能力强。
A690不管是否含铜,其抗大气腐蚀能力实质上都比普通碳钢好很多。这种钢材尤其在“飞溅区”体现出比普通碳钢(规格为A36/A36M和A328/A328M)强出很多的防海水腐蚀能力。处于飞溅区意味着暴露在雨水的冲刷和经历风或太阳或两者同存在的干燥过程。在钢材并不需要彻底暴露的情况下(比如低潮区和完全浸水区),应该考虑普通碳钢加以常规的表面保护。

事实No.2:美国陆军工程兵团
不一定指定A690为军用钢
美国陆军工程兵团在他们的REMR技术说明EM-CR-1.6:A690水手钢板桩的使用中声明:
除非建筑在盐水(海水)或碱性水中需要用高屈服强度钢,否则在飞溅区和大气区都应选用带保护层的A328钢板桩。
注意A572Grade50(就像A690)已经比A328的材质等级高了(在39ksi)。

事实No.3:在有可代替的钢材之前,A690曾是更好的选择
ASTM A690(或者称为“水手钢材”)于1960年代被美国钢铁公司创造并推广。在那时,没有哪种材质的钢材比A328的屈服强度高(39ksi屈服强度),美国钢铁公司的文件则强调A690作为一种材质更好的钢材(50 ksi 屈服强度)将比A328更耐腐蚀,使用寿命更长(在任何环境下)。
但是现在,半个世纪后,有许多品种的钢材可以选择。下方的图表显示几种材质钢材的屈服强度。注意尽管A690是高“型号”,但它的强度只是中等水平。

归纳和总结
在决定使用什么材质的钢材时,请注意以下几个方面:
1. 如果你的建筑不是在盐水或海洋环境中,ASTM声明A690和A572 Grade 50以上的材质比没有任何优势。
2. 如果你的建筑在海水环境中,但钢板桩完全沉浸在海水中,ASTM声明A690不具有优势。
3. 美国陆军工程兵团不建议在其任何工程中使用A690。他们推荐在低潮区和浪溅区部分带有油漆并且材质更轻的钢铁。
虽然A690在浪溅区的保护效果不可置否地比A572 Grade50好,但是它在低潮区并没有任何相对优势。因此,使用A690将不会延长钢板挡水墙有效的设计寿命,因为在大多数情况下,A690不具有优势。(在Eurocode BS EN 1993-95: 2007 BS EN 1993-95: 2007查看弯矩分配图)

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海中钻孔灌注桩施工技术

1.工程概况

傍海大桥位于山东省龙口市龙口经济开发区内,为跨越华龙电厂一、二、三期工程及拟建四期工程进水前池而设,桥长194.44m,设计1.25米桩径的钻孔灌注桩1272m。桩顶高程为-7.37m~-7.77m,海底面高程为-1.1m~-4.9m;桥址处的一侧海域是华龙电厂冷却水进水前池,另一侧海域为当地最大的海参养殖场,施工中严禁对海域造成任何的污染。

2.水文地质

桥址范围内地层为第四系全新统海相沉积细砂、中砂及冲积粘土、粉质粘土、中、粗砂等,地表为淤泥。工点范围地下水为潜水,水量丰富,其补给来源主要为海水,由于受海水潮汐水位的影响,地下水水位变化较大,海域最高潮水位2.2m,最低潮水位-0.3m,最大水流速度V=1.50m/s,平均水深为4.5m(最高水位时水深6m)。水质较差,对混凝土具有硫酸盐中等侵蚀及镁盐弱侵蚀。工点范围内不良地质现象为高烈度地区地震液化层。地区地震基本烈度为七度,根据钻探及标准贯入试验结果,位于高程-11~-3.1m之间的细砂、含淤泥细砂为地震液化层,其埋深为0~6m,层厚为1.3~3.7m,液化指数FL=0.54~0.99。地区地震动反应特征周期为0.45s,动峰值加速度值0.15g(地震基本烈度为七度)。最大季节冻土深度采用50cm。

3.详细施工方法

3.1施工准备

3.1.1 浮吊拼装: 在修建的临时施工码头上用50T履带吊把浮箱逐个吊入水中,用浮箱专用连接件把每两个浮箱连成一体,并最终把所有浮箱按设计连接拼装成型,拉锚固定好浮体后用吊车把工字钢分配钢梁安装到浮体上表面作为动臂吊机底盘部分,吊装动臂吊机各组成部分就位,接电调试,试吊。

3.1.2运输船拼装: 用吊车把6个浮箱吊装入水,并把每两个浮箱连成一体,然后用两组工字钢梁把两个浮体连接起来用作日常施工水上运输钢板桩,钢筋笼,钢管桩,模板,钢筋等工作物资。

3.2浮桥施工

3.2.1浮桥结构 :拟从桥位中心线右侧(留有墩台、承台施工空间)搭设便宜的浮桥,浮桥设计主要材料为完好的旧油筒和Ø50钢管(经计算单个油筒的浮力为200kg,利用Ø50钢管固定油筒分段拼装浮桥,分段长度为6m),拼装好的分段浮桥上面用Ø50钢管和十字扣件及转向扣件固定连接成满足工程需要的浮桥,桥长120m,宽2m,桥面铺设1.5cm厚的压缩板,两侧设1m高的Ø40钢管护栏。浮桥随海水潮汐涨落,浮桥和墩台作业平台铺设木板或梯子连通。该临时便桥主要用于行人、混凝土泵管的铺设及小型机具的运输。 3.2.2施工工艺流程 施工准备 陆地拼装分段浮桥 连接加固分段浮桥 铺设并固定桥面 护栏安装

3.3施工方法

3.3.1、施工准备

根据浮桥设计图,选购无损坏的废旧油筒、Ø50钢管、十字扣件及转向扣件。购买的材料进场后,在桥址处陆地上进行防腐处理(防海水硫酸盐腐蚀)。

3.3.2浮桥拼装

3.3.2.1 分段浮桥长度取6m/节,每4个油筒横向点焊成一体分别在两侧,中间放置3个横向点焊的油筒。油筒的加固采用Ø50钢管框架式固定,分段浮桥整体加固采用Ø50钢管连接成一体(底部两根钢管,顶面五根钢管)。

3.3.2.2 加工成型的分段浮桥可采用履带吊吊放在海域内,人工划运至施工安装点(根据工程进度要求可随时加长浮桥直至满足工程所需要的长度)。

3.3.2.3 用6m长的Ø50钢管和十字扣件连接成满足施工需要的浮桥(浮桥随桥位曲线变化,变化处采用转向扣件连接加固)。

3.3.3桥面铺设

采用1.5cm后的压缩板铺装桥面,压缩板钻眼后与浮桥钢管框架用8#铁丝加固。考虑到当地的气候较冷且海域上风浪大,所以在压缩板上沿浮桥横向设置两根3cm的木条,以起防滑作用,保证施工人员行走安全。

3.4 孔平台打设

3.4.1平台结构: 根据承台及钻孔桩尺寸和位置结构,结合钻机的工作特点,平台设计为呈正方形分布的8根长度为12m的Ø377钢管桩,管中心尺寸为5.6m×5.6m,管桩顶部焊接钢板支座,支座上面焊接布置纵横向的双25#工字钢垫梁,横行2排,纵向4排;钢护筒采用10mm钢板卷制,外径1.5m,长度10.5m;护栏采用Ø40钢管在周侧焊接,高度设1m。

3.4.2施工工艺流程:  测量定位放样――施打钢管桩――焊接10mm厚的钢板支座――安装焊接工字钢横梁――安装焊接工字钢纵梁――铺平台木板并固定――焊接栏杆――焊接管桩连接系――布设护筒定位框架――打入钢护筒――吊装钻机就位

3.4.3具体施工方法

3.4.3.1 测量放样 :

根据钢管定位桩布置图,计算钢管定位桩的坐标,采用两台全站仪从两个互相垂直的方向架

设在岸边的测设网点,应用十字交会法,用φ40mm钢管制作的十字,利用船在海中测设钢管定位桩的位置和护筒的位置,位置确定后测量河床底标高,将测桩打入海中2m左右,在桩顶绑上红布做好标志,每个承台钢管定位桩测设完毕后,采用φ40的钢管在水面以上,用管件将测设的定位桩互相连接,起到防护作用。 根据钢管定位桩打入河床底的深度,计算钢管桩的摩阻力,是否满足设计要求,决定钢管定位桩的打入深度。利用桩顶标高到河床底的高度和打入河床的深度计算定位桩和护筒长度,为施工提供准确的依据。

3.4.3.2 工作平台的构件加工与制作:

根据设计的钻孔桩工作平台施工图纸制作和加工,由于该结构操作方便,宜在施工现场岸边加工制作,定位钢管购买成品,护筒采用10mm钢板用卷扳机加工焊接而成,其它部件制作简单。为此,根据工作平台的几何尺寸、形状及其构架采用分节制作,分节拼装安装方法制作期间,应采取相应的措施,使之各部件的误差控制在公差范围内,以便分节拼装、接高能顺利进行。 钢管定位桩的长度要比设计的长度增加0.5m左右,以确保打入桩的质量。 钢管定位桩和钢护筒分两节制作,焊接是钢管定位桩和护筒的关键技术,焊接人员必须持证上岗,严格控制焊接质量。 部件加工制作成型后,必须进行严格检查,对不能满足要求的部见必须返工处理,直至检查合格,将检查合格的部件吊装在运输船上,运至施工的墩台附近。

3.4.3.3 钢管定位桩插打:

采用打桩船插打钢管定位桩,先将打桩船停泊在钢管定位桩位置附近,利用打桩机慢慢的将打桩机的定位框架移动在定位桩点上,利用两台全站仪采用十字交会法进行定位测设,是打桩机打桩锤的中心线、框架定位方向中心线、定位桩点成一直线,利用打桩机的提升装置,将钢管定位桩吊止打桩机定位框架内,慢慢下沉至河床底,再次对钢管定位桩的位置进行精确测量,若不能满足要求,将钢管慢慢提升一点移动,调整打桩机定位框架,使钢管中心线与定位架方向线与定位桩测定重合后,开始打桩时,打桩锤不要提的太高,采用轻打,以确保桩位,打入土层一定深度后,慢慢将锤提升到要求的高度打桩,测量人员用两台全站仪从两个互相垂直的方向观察桩的倾斜度是否符合施工规范的要求,做到随时检测,以确保桩心位置偏差在2cm以内,倾斜度不得大于1%。接长桩时,一定要精确对位后,先点焊将其连接,再次测量无误后,进行分层焊接,焊缝表面要光滑,不得有气泡、焊渣,焊缝高度8mm。

3.4.3.4 平台安装

a、对钢管定位桩的桩顶标高进行测量,确定桩顶标高1.5m的位置,用氧气将钢管顶部切割在同一平面内,在钢管顶部焊接500×500×10mm的钢板支座,使钢管位于支座的中心,采用焊接的方式将钢管与支座焊接。

b、先在钢管桩顶支座上纵桥向安装三排拼装成型的加厚型拆装梁,在再纵桥向拆装梁上安放六排加厚型拆装梁,底层拆装梁与方形支座钢板间电焊连接,并在每一连接处两边各用3根短钢筋加焊三角撑,以增强其间连接。上、下两层拆装梁间焊接φ25短钢筋连接,以防上拆装梁在下拆装梁表面发生滑移。并用角钢纵横焊接各拆装梁形成整体,使工作平台增加稳定性或整体刚度。

c、低潮时,在钢管定位桩顶部和距顶部3.0m位置的侧面,用φ100mm的钢管交叉焊接,使钢管定位桩形成整体。

d、在拆装梁上铺设10mm厚的钢板,在钻孔桩位处预留2.5×2.5的方孔,在钢板上纵桥向焊接四排八根16#工字钢,两根组成一组,安装在预留孔外侧,以承载钻机。

e、工作平台四周用φ40mm钢管制作防护栏杆,高度1.0m。在钢板外侧边缘上每200cm焊接一根高为100cm的钢管,在高50cm和管顶焊接成整体。

f、插打钢护筒,钢护筒就位后,将钢护筒加固框架与工作平台连接,形成稳定的钻孔桩工作平台

3.4.4钻孔施工

在钻机就位前在4根桩的钢护筒内循环设置制浆池、贮浆池及沉淀池(钢护筒间焊接排渣槽,以保证泥浆的供应质量,泥浆循环使用);钻机在钻孔平台就位后,钻孔桩施工基本按陆地桩基施工的方法施工。

4.结束语

通过傍海大桥桩基的施工,证明采用搭设施工栈桥和钻孔平台的方法施工海域中的桩基础,不仅最大幅度的减少了施工时对海域污染,满足业主期望,而且还加快了施工进度,降低施工成本

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冷弯钢板桩围堰在三门核电站的应用

一)工程概况

本围堰工程位于北护堤东段,工程涉及北护堤东段桩号K0+050~K0+170之间,工程设计确定本围堰工程防潮浪标准为 20年一遇。工程特点:深软地基淤泥质土,含水量大于60%,潮水落差大,最大潮差大于7m,场地狭窄,基坑开挖大于20m,钢板桩长21m,风浪大。

二、自然条件

1.潮汐和波浪

本工程区域潮汐系东海潮波,每日两次涨落,属正规半日潮流性质。工程处设计潮位采用三门健跳潮位站实测资料统计值,20年一遇设计高潮位为4.79m,20年一遇设计低潮位为-3.62m。工程区前沿海域具有风吹浪起、风停浪息和随季节变化的波浪特征。20年一遇设计波浪浪高为2.7m,波长41.8m,周期5.70s。

2.工程地质

1 该场地淤泥质质土具高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度的特性,为软弱地基土,是堤坝的主要压缩层,不宜作为护堤的天然地基持力层,需要进行地基处理。若采用打插塑料排水板预压加固地基,塑料排水板应穿过淤泥质土层底部,使淤泥和淤泥质土层中的孔隙水较快排出,加速地基的沉降固结过程,以提高地基强度。

2 拟建场地地基土类型为软弱土,建筑场地类别属于III类场地,地震动峰值加速度值为0.05g,拟建建(构)筑物的抗震设防烈度为 VI度,设计地震分组第一组,拟建场地为抗震不利场地。

3 该场地地下水主要为饱含海水的第四系潜水,海水对混凝土结构有中等腐蚀性,对混凝土结构中的钢筋有强腐蚀性,对钢结构具中等腐蚀性。

三、围堰方案比选

围堰是用于围护一期泵房施工场地临时挡水的水工建筑物。围堰具有不同于一般建筑物的施工和运行特点。其合理的结构应是断面简单、构筑和拆除方便,满足稳定、防潮浪、

 

防冲蚀、防渗漏的要求。本次设计比选二种围堰方案。

方案A:能与北护堤相结合的永久性堆石方案:利用当地现有材料作为主要筑填材料;   方案B:钢板桩围堰:采用冷弯钢板桩作为围堰外壁,然后填充粘土。

方案A(永久性堆石方案)为传统的土石围堰,可采用当地土石材料,并考虑泵房主体工程完建后作为永久海堤,并成为北护堤东段工程的一部分。采用普通堆石围堰及钢板桩心墙堆石围堰方案,在狭窄范围内不具备足够的放坡空间。围堰工程要求快速施工建成,但上述几种方案的施工中往往石方量很大且沉滑严重,堆载不能太高太快,沉降量大。施工速度较慢,工期难以满足泵房施工进度的要求;由于基坑深度达-20.8m,应基坑支护设计单位要求,围堰防渗深度最好达到粘土层,深达-13m,普通堆石围堰内边坡无法稳定,无法满足泵房基坑开发要求;再者,外海侧水深流速和风浪大,冲蚀严重、外边坡也不稳定。特别是在软土地基上的围堰基础不经处理,加之潮涨潮落的水位变化,造成沉移、滑坡倒塌,经常需要修补填筑,安全性较差。

方案 B(钢板桩围堰)采用冷弯钢板桩作为围堰的外壁,在离开泵房基坑开挖线适当距离后即可挖出原抛石加荷层,施打两排冷弯钢板桩。该方案具有材质强度高,长度任意,价格较低,单位重量轻,施工速度快,缩短工程周期,安全稳定性好、防潮浪、防渗性好的特点。

经综合比较,推荐方案B,即钢板桩围堰方案。对于施工工期比较紧张的泵房工程,该方案具有明显的时间优势。

1.钢板桩围堰设计

(1)结构设计。围堰采用 21m长拉森钢板桩围堰。围堰内外侧均采用Ⅳ型拉森钢板桩,经波浪爬高计算,桩顶(即围堰顶)标高8.0m,桩底标高最深处-13.0m,西端至基岩面为止,中间为避开两处盾构隧道,考虑工后沉降,钢板桩底标高为-6.0m。共设三道围檩,两排桩间采用钢拉杆连接,拉杆间距3m,内外钢板桩距为8m。围堰钢板桩间填粘性土,修复原排水碎石垫层及土工格栅和 40kN/m土工布后,加铺一层 40kN/m土工布,土工布两端各富余1.5m,其上抛填两层袋装土,以增强围堰的抗渗能力,降低拔桩后对原塑料排水板排水性能的影响。钢板桩围堰完成后,在顶上加筑1.0m高袋装土上覆一层防渗土工膜,提高围堰的整体稳定性、抗滑性和防渗能力,围堰体内设排水沟。围堰外海侧抛填块石至 2.5m高程,抛石平台宽5m,坡比 1:2。围堰内侧待泵房基坑维护开挖施工时,将抛石填至 2.5m高程。

(2)钢板桩入土深度计算。钢板桩的外力确定为主动土压力、被动土压力、水压力和浪压力等。按《基坑工程手册》9.3.2节方法计算,钢板桩最小入土深度t=8.47m。且钢板桩入土深度主要受基坑防渗要求和围堰整体稳定要求控制。入土深度满足公式要求。

2.堰体宽度计算

(1)抗剪稳定。根据《双排钢板桩围堰设计实例》,抗剪稳定采用下列 Terzaghi公式进行计算:

K剪= 2B ×E 3a M ×tanφ≥0.7

式中:M为外力对基面的力矩,Ea 为围堰中心线上的压力,B=8.0m,内摩察角=20°。经计算,K剪=0.74>0.7。

(2)抗倾稳定。抗倾稳定公式:

K倾= 0.5B ×GM +B ×T ≥1.4

式中:G为堰体每延米重,T为每延米钢板桩与基土的摩阻力,K倾=11.97>1.4。

(3)抗滑稳定。抗滑稳定公式: K滑= GE × Wf ++ E 2 SS ≥1.4

式中:S为每钢板桩的抗剪力,S=Aτ,A 为每延米钢板桩的断面积,τ为桩的极限抗剪强度,K滑=16.24>1.4。

(4)钢板桩内力计算。钢板桩内力计算可先确定钢板桩剪力为零的位置,然后计算该店的弯矩,即钢板桩的最大弯矩。

根据钢板桩的结构型式,查得钢板桩的 W=850cm 3, [σ]=200MPa。

按照下列公式验算:σ= ≤[M max/w]   σ

经验算,钢板桩的内力为62.37MPa,满足强度要求。

四、主体工程施工工艺

1.施工流程

混合料开挖→钢板桩插打→内外侧抛石保护→回填心土拉杆围檩安装→回填心土→钢板桩接长→上部拉杆围檩安装→排水沟浇注→拆除

2.混合料开挖、回填

混合料开挖按常规的施工作业方式进行,采用 1m 3反铲挖掘机开挖,开挖料部分运到弃料场,可利用部分暂堆放在附近,在板桩插打完成后回填。

3.心土回填

板桩插打完成后,且围堰内的混合料已全部清除完毕,开挖原北护堤基础碎石垫层后,开挖修复碎石垫层和原土工织物。完成后铺设 40kN/m土工布一层,在抛填袋装土和粘土到 1.3m左右高程,形成作业平台。回填时应与外侧混合料回填基本同时进行,以平衡内外侧的压力。在上部钢板桩接长后再回填上部心土。心土填筑时需严格按土方施工规范用打夯机碾压密实。

4.钢板桩插打

钢板桩运至现场后,进行检查、试验,对存在缺陷的板桩应及时整修或报废。本工程单根板桩长度21m,均需接桩。

1.3m高程以下板桩采用打桩机插打入土,以上部分焊接接长,桩端应制作吊桩孔。

5.钢板桩接长

原则上 1.3m±1.5m高程以上的钢板桩采用焊接接长,在拼接钢板桩时,二端钢板要对正顶紧夹持于牢固的夹具内施焊,使接长板桩和已插打入土的板桩准确定位,保证其轴线后垂直度。在焊接时,先对焊,再焊接加固板,接头强度应与板桩强度相同。板桩接长后立即进行拉杆围檩焊接固定。焊接接头不能在围堰的同一断面上,而且相邻桩的接头上下错开至少 2m。焊接时下部围堰应完成内侧的心土填筑和外侧的抛石护脚。

五、结语

在深软地基,水位变化大,风浪大,基坑开挖深等条件下,通过对工程结构计算分析,采用 21m长冷弯钢板桩做围堰,施工实践证明,安全性好,质量保证,工期短,应用非常成功。

 

 

 

 

 

 

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宁德特大桥承台钢板桩围堰设计

一、工程概况:

宁德特大桥是新建铁路温福线 (福建段 )站前工程第 Ⅲ标段,一座特大型桥梁 ,全长 8 162. 5 m。桥梁跨越宁德海湾及其岸边农田、鱼塘 ,并在其福州端跨越罗宁高速公路和 104国道。宁德特大桥基础为 <1.5 m,<1.25 m钻孔桩 ,桩长为 10 m~63 m;承台最大尺寸为 10.4 m ×14.3 m,高 3.5 m。墩身均为实心式 ,墩身高度范围为 3.35 m~20.35 m。上部结构为三联三跨连续梁及 24 m,32 m简支箱梁 ,共 236孔 ,采用整孔预制、架设方案施工。

二、水文及地质特征:

桥址处海域为外海海域,桥址处海滩每天都有一大一小两次 涨落潮,高潮时水深5m~10m。每月的月初、月中潮水较大。百 年一遇高潮位力+5.5m,2008最高潮位为4.3m。桥层较为简单,上部为第四海系成因的淤泥,平均厚度约为20.0 m, 中部为冲洪积,冲积成因的卵石土,砂类土和粉质黏土等,平均厚 度约为16,0 m,下部则为燕山晚期花岚岩及其风化残积土。

三、钢板桩围堰设计(以58号墩为例)

1)  钢板桩选型:根据实际地质情况 ,结合钢板桩的特性、施工方面进行考虑 ,宁德特大桥水中墩承台及部分岸上承台选用拉森 Ⅳ型钢板桩施工 ,其主要技术参数为 : W =2 043 cm3 , I = 31 950 cm4 , Q =76.1 kg/ m。

2)钢板桩设计简检算:宁德特大桥施工高水位为 +4.5 m。钢板桩围堰所在土层为淤泥 ,其物理性质指标为 :内摩擦角 φ= 3. 21°,取等代内摩擦角 φe = 15°,粘聚力 ε=10.3 kPa,γsat = 16. 2 kN/ m3。承台顶标高 -0.18 m,承台底标高 -3.68 m,基坑底开挖至 -5.18 m。承台厚度为 3.5 m,水下封底混凝土厚度取用 1.5 m,淤泥面标高 -4.06 m。

钢板桩最小入土深度 t0。因开挖深度较深 ,又为单撑支护 ,需钢板桩入土较深 ,故按上端为自由支撑 ,下端为固定支撑 ,用等值梁法计算。板桩上土压力分布见图 1。

2

以最不利工况 :潮位至 +3.8 m,第一道支撑 (+2.5 m)安装好 ,抽水至 +0.0 m,安装第二道支撑 (+0.5 m)计算最小入土深度 t0。

.土压力计算。

主动土压力系数 : ka = tg2 (45°-φ2 e ) =0.59。

被动土压力系数 : kp = tg2 (45°+ φ2 e ) =1.70。

被动土压力修正系数 : k =1. 4 ,则 kp = kkp = 1. 4 ×1.70 = 2.38。

主动土压力 : q1 =0; q2= γwh = 10 ×7.86 =78.6 kPa; q4=A γh = 40. 6 kPa。

土压力为零点 : y = q2-q4 = 78.6-40.6 =1.31 m。r( �kp -ka) 16. 2 ×(2.38-0.59)

b.支撑荷载计算。计算时取一延米板桩条 ,假定板桩在支撑间为连续梁 (见图 2)

解得 : A =129.21 kN/m; B = 122. 25 kN/ m。

c.钢板桩插入深度的计算。1RB x = rx 3 ( �kp -ka) ;

6 x =5.03 m; t =1. 1 (x + y) = 1. 1 ×(5.03+1.31) =6.97 m。

桩长 :4.6+4.06+6.97=15.63 m;取桩长 16 m。

d.钢板桩弯矩计算。最大弯矩 ( B点): M max = 273. 91 kN•m。

M max 273. 91 ×106

钢板桩应力 :σmax = W = 2 043 ×1 000 = 134. 07 MPa <[σ] = 170 MPa.钢板桩满足要求。

 

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拉森钢板桩在水中基础的方案

  上海浦东铁路一标段龙泉港特大桥全长 1893.06m, 主跨为一孔80m 跨越龙泉港的下承式钢梁 。 特大桥主跨与龙泉港河道相交呈 36°角 。龙泉港河面宽度 48m,为Ⅴ级航道 ,河道中心常年保持在 4m 水深 ,两侧河岸水深较浅 ,在 0.8~1.5m 之间 。1#、2# 墩为龙泉港特大桥主跨下的两个主墩 , 结构为钻孔桩基础 、混凝土承台及双柱式圆形混凝土墩身 。 由于承台平面位置有一半进入龙泉港河道内 ,故需进行水上围堰施工 。 两桥墩位置的护岸标高在 3.80~4.5m 之间 ,承台底面标高均为 -2.12m,由地表至承台底的开挖深度在 6m 左右 ,由河床底至承台底的开挖深度在 3.5m 左右 。 施工时计划先进行基坑周边围护结构施工 ,随后进行钻孔桩施工 ,最后进行基坑开挖和承台墩身结构施工 。 基坑围护结构拟用单排 4# 小咬口止水拉森钢板桩 。

2 施工方案

本工程基坑围护结构计划采用钢板桩围堰 ,钢板桩围堰和钢套箱相比有着可重复使用 、施工周期短 、较为经济等优点 。 水深不大 ,堵漏及抽水工作量较小时 ,钢板桩围堰施工包括插打钢板桩和安装内支撑仅需 5~7d,具备成熟的工艺 ,施工安全 、快捷 。

施工时 , 利用导向围笼在大于承台各边尺寸 1m 的四周外围 ,插打钢板桩形成钢板桩围堰 ,同时为了克服水土压力 ,在板桩内设 2 道内支撑 ,支撑采用 2[40 组成的栓接菱形框架式结构 ,外围用彩条布包裹 ,采用高压水枪配合砂石泵吸泥至设计标高 ,浇注水下封底混凝土硬化基底 ,然后进入围堰内进行承台及墩身施工 。

钢板桩采用日本拉森式 (Larssen)式槽型钢板桩 ,根据地质情况 、材质及所受的水土压力计算板桩入土深度 ,选择钢板桩长度 。

2.1 设计参数

2.1.1 施工水位 :2.5m,最高通航水位 :3.0m;

 2.1.2 承台底标高为 :-2.12m,地面标高 :3.81(1 号墩);4.43(2 号墩);

 2.1.3 地质情况 :淤泥粉质粘土 ,γ=18KN/m3,φ=5°~6°

2.1.4 承台尺寸 :9.30×6.30m,高为 2.5m;

2.1.5 钻孔桩 :6φ1.25m,长 48m ;

2.1.6 钢板桩 :日本 PSP-VL,W=3150cm3/1 米宽 。

2.1.7 钢材 :Q235,[σ]=170MPa,[σw]=180MPa;

2.1.8 封底 C20 砼 ,厚 2.0m,弯曲压应力[σw]=7MPa, 弯曲拉应力[σwl]=0.4MPa,粘结力[c]= 0.67MPa。

2.2 钢板桩强度检算

封底砼厚 2.0m, 设两道水平支撑 , 第一道 (上道 ) 支撑距地面0.55m,第二道支撑设在承台顶面以上 0.50m 处 。

地质 :淤泥粉质粘土 ,r=1.8(t/m3),ф=6°。

tg2(45°-6/2°)=0.811。

tg2(45°+6/2°)=1.233。

钢板桩 :日本    W=3150(cm3/1m 宽 )

允许弯矩 : [M]=W[σ]=3150×1.8=5670 (t·cm)。

主动土压力 (包括地面施工荷载 2.0t/m2):

地面以下 1.43m(施工水位处)

q1=(1.8×1.43+2) ×0.811=3.71t/m

地面以下( 0.55m上道支撑处)

q2=(1.8×1.43+0.8×1.12+2) ×0.811=4.44t/m

地面以下 6.55m(封底砼顶面以下 1.0m 处)

q3=(1.8×1.43+0.8×5.12+2) ×0.811=7.03t/m

2.2.1 上道支撑安设好 ,钢板桩里面的水抽到下道支撑以下 0.5m 处 ,

钢板桩侧面的主动土压力与水压力

钢板桩侧面的主动土压力与水压力

 钢板桩 AC 按简支梁计算 ,L=6.0m

荷载:P=(3.71×1.43/2)+(3.71+4.76) ×1.62/2+(4.76+8.65) ×3.5/2=32.982t

M=32.982×6.0/4=49.473t﹒m

=4947.3t﹒cm <[M]=5670 t﹒cm

主动力压力与水压力

主动力压力与水压力

2.2.2 下道支撑安设好 , 上道支撑拆除, 钢板桩里面的水抽完 。 板桩AB 按悬臂梁计算 。

 

土动力压力与水压力

土动力压力与水压力

P1=3.71×1.43/2=2.653t

P2=(3.71+5.56)×1.12/2=5.191t

e2=1.12(3.71+2×5.56)/3(3.71+5.56)=0.597m

(1)B 点弯矩:

MB=2.653×(2.55-1.43×2/3)+5.191×(1.12-0.597)

=6.591t﹒m=659.1 t﹒cm<[M]=5670t﹒cm

(2)板桩 BC 按简支梁计算:L=4.00m

P3=(5.56+12.15)×4.0/2=35.42t

e3=4.0(5.56+2×12.15)/3(5.56+12.15)=2.248m

P=P1+P2+P3=43.264t

荷载位置:距 C 点.

y0=[35.42×(4.0-2.248)+5.191×(5.12-0.597)+2.653×(6.55-1.43×2/3)]/43.264=2.32m

支点反力:单位(1m)宽钢板桩的支点反力

RB=43.264×2.32/4.0=25.093t

Rc=43.264×(4.0-2.32)/4.0=18.171t

弯曲力矩:

M=25.093×(4.0-2.32)=42.16 t﹒m

=4216 t﹒cm<[M]=5670 t﹒cm

2.3 钢板桩支撑

按仅有下面一道支撑检算, RB=25.093t/1 m 钢板宽 。

钢板桩导梁支撑示意图

钢板桩导梁支撑示意图

2.3.1 各支撑的轴向力:

N12=-25.093×2.5/2=-31.37t

N24=-25.093×(2.0+2.5)/2=-56.46t

N4-11=-25.093×2.0/cos38.66°=-64.27t

N34=-25.093×(2.0+2.5)/2=-56.46t

N45=56.46-64.27/ sin38.66°=-46.42t

导梁 1-9 局部弯曲,按连续梁计算, M=25.093×2.52/10=15.683 t﹒m

2.3.2 各支撑截面应力

导梁:2[36a. F=2×60.91=121.82cm2

Wx=2×60=1320cm3 ix=14.0cm

λx=250/14.0=18 φ=0.976

应力:σ=1568.3/1320+31.37/0.976×121.82=1.452t/cm2

=145.2MPa<[M]=170 MPa

各支撑杆: 2[25a.

F=2×34.917=69.834cm2

ix=9.28cm

λ=320/9.28=35, φ=0.918

应力:σ=64.27/0.918×69.834=1.00t/cm2

=100MPa<[σ]

2.4 抗浮检算

作用于封底砼底面的上浮力 :

Q =(9.0 ×9.0 -1.502 ×5 ×π/4) ×6.12 -(9.0 ×9.0 -1.502 ×5 ×π/4) ×2.0 ×

2.3=110

封底砼与钢护筒间的粘结力, [c]=6.7kg/cm2

Σc=(1.502×2.0×π/4) ×67=236t>110t

2.5 封底砼强度检算

按钻孔桩之间的最大距离作为计算跨度,L=5.0m.

M=6.12×5.02/8=19.125 t﹒m

W=2.03×1.0/6=1.33m3

σ=M/W=19.125/1.33=14.38t/m2=0.14 MPa<[σ]= 0.4MPa

2.6 钢板桩的选用

根据以上检算 ,围堰施工可采用 15m 长钢板桩 ,入土深度按 6.5m施打 ,钢板桩围堰结构在水土压力的作用下 ,仍能够满足稳定及变形要求 。

3 施工方法及工艺流程

3.1 施工准备

先清除表层垃圾及障碍物 ,挖除基坑范围内的护岸砌体 。 在陆上打桩处开挖宽 1m 、深 0.5m,直至见到原状土的沟 ,沟底若有障碍物 ,必须清除干净 。 用素土 (最好使用含水量低的粘土 )将河岸边坡填平 ,回填过程中应分层压实 。

3.2 设备选择

板桩采用振动打桩机下沉 ,振动打桩施工速度较快 ;拔桩时 ,效果更好 ;相对冲击打桩机施工的噪声小 ,不易损坏桩顶 ,操作简单 ,无柴油或蒸汽锤施工所产生的烟雾 。 振动打桩机的原理是将机器产生的垂直振动传给桩体 ,减少钢板桩周围的阻力 ,利于桩的贯入 。

3.3 施工工艺流程

钢板桩打入时采用振动打桩法 , 拔桩采用 50 吨履带吊配合震动锤 。 钢板桩的施工步骤按以下顺序进行 : 设置导桩框架→清理钢板桩→插打钢板桩→设置内支撑→堵漏→吸泥→硬化基底→承台和墩身施工→拔除钢板桩 。

 3.3.1 插打钢板桩

在钻孔平台上固定临时导向架 ,在稳定的条件下安置桩锤 。 首先插桩到全部合拢 ,然后再分段 、分次打到标高 。 插桩顺序 ,从上游中间开始分两侧对称插打至下游合拢 。 打桩时采用单根板桩施工法与屏风法打桩相结合 。 先将板桩一根根地打入土中 ,为防止倾斜 ,在一根桩打入后 ,把它与前一根焊牢 ,即防止倾斜又避免被后打的桩带入土中 。 将10~20 根板桩插入土中一定深度 ,使桩机来回锤击 ,并使两端桩先打到要求深度 ,再将中间部分的板桩顺次打入 ,这样可防止板桩的倾斜与转动 。

3.3.2 堵漏

钢板桩插打到位后 ,可在其外侧围一圈彩条布 ,在布的下端绑扎钢管沉入河床 ,并用砂袋压住 ,堰内吸泥时 ,外侧水压可将彩条布紧贴板桩 ,起到一定的防水作用 ,在板桩侧锁口不密的漏水处用棉砂嵌塞 ,堵塞效果明显 。 较深处的渗漏 ,可将煤碴等沉送到漏水处堵漏 。

 3.3.3 吸泥 、硬化基层

采用高压水枪配合泥浆泵吸泥至设计标高 ,随后施做垫层 ,浇注水下混凝土封闭基底 ,进行承台施工 。 水下封底混凝土厚度根据施工水位和承台底高差计算确定 。

3.3.4 拔除钢板桩

墩台施工完毕后 ,逐步拔除钢板桩 ,使用设备与打设时相同 ,保持内外水位相等 ,拔桩从下游开始 ,间隔进行 ,这样能够使钢管桩在无磨阻力情况下拔除 。 拔钢管桩完成后 ,运至岸上 ,及时整修 ,回收再利用 。

 钢板桩的拔除采用振动拔桩法 。 振动拔桩是利用机械的振动 ,激起钢板桩的振动 ,以克服板桩的阻力 ,将桩拔出 。 拔出的板桩应及时清除土砂 ,涂以油脂 。变形较大的板桩需调直 。完整的板桩要及时运出工地 ,堆置在平整的场地上 。

 4 技术保证措施

 用两根型钢作导向控制夹具 ,将其位置放准固定好 ,遇有震动一定要重新校正后固定措施 ,打桩一般先将桩送至规定标高上 ,待导向夹具移开后 ,再逐步将桩送至设计标高 。支架面的标高必须准确一致 ,每个节点需按节点图加焊 ,连接加强 ,焊条等均应符合有关施工规范要求 。

 焊接围令整体上下一条线 ,应在同一平面上 ,以增强支撑体系的整体稳定性 。 钢支撑安装前要拉通麻线 ,并在围令上标出中线 。采用焊接拼接的钢支撑 ,必须按规范采用破口焊接 ,焊缝满焊 ,焊缝表面要求焊波均匀 ,不准有气孔 、夹渣 、裂纹 、肉瘤等现象 ,严格执行焊接质量和验收制度 。

 钢板桩围堰封底砼的强度达到 90%以上方可抽水 。钢板桩围堰里面的水位抽到支撑位置以下 0.5m,停止抽水 ,待把支撑安设好后 ,再继续抽水 。 抽水时 ,应注意钢板桩与支撑的受力状况 。钢板桩的支撑与钢板桩要顶紧 ,各个杆件之间要连接牢固 ,在承台施工过程中要经常检查钢板桩与其支撑的受力状况 。

 5 质量保证措施

钢板桩到货后 ,应核对钢板桩的型号是否与设计所采用的型号相符 ,若不相符合 ,需对钢板桩强度和支撑重新进行验算 。

钢板桩进入施工现场前均需检查整理 ,只有完整平直的板桩可运入现场 。 对多次利用的板桩 ,尤其要强调检查 ,使用过的板桩 ,在拔桩 、运输 、堆放过程中 ,容易受外界因素影响而变形 ,如不整理 ,不利于打入 。 检查方法可用小平车 ,在其上放置一块长 1.5~2.0m 的标准板桩 ,从头至尾沿被检查板桩走一次 ,发现缺陷随时调整 ,板桩整理后 ,在运输和堆放时要尽量不使其弯曲变形 ,避免碰撞 ,尤其不能将连续锁口碰坏 。 堆放场地应平整坚实 ,不产生大的沉陷 。 最下层板桩应垫木块 。不同断面板桩需分开堆放 ,每堆板桩间要留出一定通道 ,便于吊机或运输车辆的通行 。

设置导向装置是确保施工后的板桩轴线 ,导向桩或导向梁可用型钢或木材代替 ,导向梁间的净距即板桩墙宽度 。 为保持准确距离 ,可在导向梁间 ,每隔一定距离 ,嵌一临时垫木 。 导向装置在用完后 ,可拆出移至下一段继续使用 。

水上钢板桩施工 ,需用预制的金属构架导向 ,施工时用吊机将预制好的金属导向架搁置在水上平台上 ,以后板桩沿着该构架上的导向槽逐块打入 。

6. 结束语

通过对拉森钢板桩施工应用情况的回顾与分析 ,根据本龙泉港特大桥水中承台的施工 ,保证水中承台的施工安全 ,考虑各种因素的影响 ,成功实施了拉森钢板桩振动沉桩加内围囹的施工方法 。 本文介绍了拉森钢板桩支护的理论计算过程和围堰施工工艺,提出了质量控制措施 ,对今后类似工程施工能起到一定的借鉴作用 。 

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钢板桩围堰及支撑系统的稳定安全性分析

摘 要 :某大桥主墩钢板桩围堰施工中 ,由于钢板桩置入河床的深度大 ,在抽水过程中围堰内外侧的水压力差大 ,各层内支撑、板桩承受很大的水压力 ,故保证钢板桩及各层内支撑的结构安全、定性在施工中至关重要。笔者采用大型有限元 Ansys软件对围堰结构进行建模 ,分析和计算了各种工况下钢板桩及各层内支撑的强度、度和稳定性。结果表明 ,围堰结构的设计满足强度、度和稳定性要求 ,可以按设计安全施工。

1 工程概况

广州新化快速路上某大桥 17 #墩由 18根桩和承台构成 ,承台尺寸为 32. 5 m (横桥向)×15. 7 m (纵桥向)×5. 0 m (高度) ,承台顶面设计高程为 – 3. 0 m ,基坑底标高为 – 10. 5 m ,封底混凝土厚度为 2. 5 m ,承台范围河床标高为 – 8. 0 m。主墩承台为大型超深低桩承台 ,承台范围河床从上往下依次为淤泥层、粗砂层、强风化泥质粉砂岩 ,采用钢板桩围堰施工。按满足施工操作空间的需要和已经设计好的并开始施工的主墩钻孔平台尺寸 ,钢板桩沿着主墩周围的导梁插打 ,单个墩钢板桩围堰内壁尺寸为 34. 8 m (横桥向)×18 m (纵桥向)。根据实际施工情况需要 ,钢板桩围堰顶面高程采用 + 8. 0 m ,底高程为 – 13. 0 m。围堰材料采用德国拉森Ⅳ形钢板桩。

工程中各种设计值都需要进行计算校核 ,该文主要针对钢板桩及支撑系统在施工中的安全稳定性进行计算和校核。关于钢板桩围堰施工和力学计算的研究已有文献报导 ,文献[ 1 ]介绍了广东水利史上规模最大的钢板桩围堰并对它的结构设计进行了初步分析 ,但在钢板桩受力计算时采用经验的简化计算 ,计算过程不详细 ,其结果也不够精确。文献 [ 2 ] – [ 4 ]介绍了钢板桩围堰施工中一些具体问题的解决方法 ,虽有提到稳定安全性 ,但未对钢板桩进行受力计算。为了保证钢板桩围堰施工过程能顺利进行 ,在施工前必须进行安全稳定性校核。该文对钢板桩及支撑系统的稳定安全性采用有别于传统方法的 A nsys有限元建模分析 ,得到了更加准确的结果。

2 有限元分析

 2 . 1 结构概述

钢板桩顶标高为 + 8. 0 m ,底标高为 – 13. 0 m ,单块通长为 21. 0 m。为了防止局部应力集力 ,需在围囹与支撑钢管连接处以及围囹转角处设置三角形加劲2 I63a、I56a型钢。为了加强内支撑的整体稳定性 ,在竖向连接。由于支撑系统是对称结构 ,可以取其中的一半进行说明。图 1为支撑系统的半平面结构图。自底向上为第 1至第 5层围囹支撑系统。在施工过程中外侧钢板桩通过内侧支撑系统来支撑。

支撑系统结构示意图

支撑系统结构示意图

2 . 2 有限元建模概述

钢板桩及支撑系统的力学分析采用大型通用软件Ansys10. 0进行空间有限元计算 ,钢材按《公路工程桥涵钢结构及木结构设计规范》(J TJ 025 – 86)取弹性模量 210 GPa ,泊松系数 0. 3。钢板桩围堰内壁尺寸为34. 8 m (横桥向)×18 m (纵桥向) ,因研究受力时底端已铺好封底混凝土 ,故钢板桩底端可按受固定端约束来建模计算。根据已知条件建立钢板桩总模型见图 2。

钢板桩总模型图

钢板桩总模型图

 

类似于钢板桩总模型图可以得到内支撑的模型图 ,从而为进一步分析计算打好基础。考虑到钢板桩及支撑系统具有双轴对称性质 ,根据结构力学知识 ,可取 1/ 4模型进行计算 ,这样可以减少单元划分 ,简化计算。切口处的约束按结构力学的规定施加 ,钢板桩插入端按固定端处理。

要对钢板桩围堰及支撑系统进行安全稳定性分析 ,首先要知道施工过程有哪些最不利情况。钢板桩围堰采用先开挖浇注封底混凝土 ,再抽水焊接内支撑的形式施工。内支撑提前下放 ,并临时固定在主墩钢护筒上 ,待围堰内抽水时再与钢板桩焊接 ,施工过程中不利工况有 9个 ,笔者针对这 9种不利工况进行分析。外荷载主要是静水压力和流水压力 ,通过受力分析和计算可得出各工况下的合荷载。利用 Ansys有限元软件建立实体模型 ,定义实常数和材料属性 ,取四节点壳单元 Shell Elastic 4Node63对模型进行单元划分 ,对模型在 9种工况下分别进行加载计算求解 ,通过后处理过程得出各工况下的挠度、力、矩。在各工况计算结果的比较中 ,最不利的工况是工况 3 ,下文以此工况为例说明计算过程和结果。

2 . 3 计算过程和结果分析

在工况 3中钢板桩全部插打完毕 ,第 1、2层围囹支撑与钢板之间均进行焊接固定 ,空隙处加垫用短型钢特制的钢楔。水下顶紧第 3层支撑 ,然后围堰内抽水至 0. 0 m ,在此条件下验算围堰系统的强度、度和稳定性。工况 3围堰所受的分荷载和合荷载见图 3。

(1)流水压力 :

工况 3分荷载图

工况 3分荷载图

结合加载条件 ,通过有限元计算得出钢板桩的等效应力图如图 4所示 ,并可由后处理数据显示知钢板桩受到的最大应力σmax = 175 M Pa ,考虑旧钢板桩应力折减系数为 0. 7 ,临时结构的应力扩大系数为 1. 3 ,钢板桩采用 Q345 (16Mn) :[σ ] = 210 M Pa。

 钢板桩等效应力图 (单位 : Pa)

钢板桩实际的容许应力为 :

[σ] = [σ ]×0. 7×1. 3 = 210 M Pa×0. 7×1. 3 =191 M Pa

可见 :σmax < [σ]

图 5为通过计算得到的钢板桩在 X Y方向的挠度图 ,由图 5可以直观地知道钢板桩在此工况下受力后的最大挠度发生在钢板桩的 Y方向中部偏下处 ,f max = 15. 485 mm。钢板桩的允许挠度[ f ] = L/ 400 =16 000/ 400 = 40 mm ,可见 : f max < [ f ]

由前述校核可知 ,所选用的钢板桩的强度和刚度在此工况下均满足设计要求。

图 6为通过计算得到的各支撑在 X Y方向的位移图。由图 6可知围囹及支撑的最大位移发生在第3支撑 ,围囹的最大挠度为 f max = 9. 952 mm。围囹的允许挠度为[ f ] = L 1 / 400 = 17 800/ 400 = 44. 5 mm ,因此 f max < [ f ]

钢板桩 X和 Y方向挠度图 (单位 :μm)

钢板桩 X和 Y方向挠度图 (单位 :μm)

各支撑 X和 Y方向位移图 (单位 :μm)

图 6 各支撑 X和 Y方向位移图 (单位 :μm)

 图 7和 8分别为各支撑的弯矩图和轴力图。由图可知 ,第 3围囹及支撑系统中的最大弯矩Mmax为38. 118 kN・m ,最大轴力 Fmax为 2 490 kN。围囹采用 3 I63a工钢 ,W = 8 895 cm3 , A = 460. 86为 156 cm2 ,稳定系数φ为 0. 973 ,采用 Q235的围囹及内支撑允许应力[σ拉 ]为 140 M Pa ,临时结构的应力扩大系数为 1. 3。

围囹的最大应力为 :

σmax = M max / W + N max / A = 58. 31 M Pa

围囹的允许应力为 :

[σ] = [σ ]×1. 3 = 182 M Pa

可见 :σmax < [σ]。

钢管内支撑压杆稳定性临界力为 :

N =φA 1 [σ]×1. 3 = 0. 973×156 cm×140 M Pa×1. 3 = 2 762. 5 kN

钢管内支撑的最大轴力为 :

Fmax = 2 490 kN

可见 : N > Fmax

由上述计算可知 ,围囹及支撑的强度、度和稳定性均满足设计要求。

利用同样的方法可以计算出另外 8种不利工况下的结果 ,并进行校核。为了更直观地显示各工况的计算结果 ,表 1是钢板、撑的内力 (应力)及变形汇总。

从表 1可以看出 :支撑的最大轴力出现在第 3工况 ,在此工况下支撑的稳定性最差 ;最大挠度出现在第9工况 ,因钢板桩内部只剩下 1层支撑故各处变形较大。从表 1中也可以得出钢板桩及各支撑的应力值及变形均未超过允许值。

各种工况下钢板桩与支撑的内力、形汇总

各种工况下钢板桩与支撑的内力、形汇总

 3 结语 

对围堰系统的力学计算 ,该文摒弃由试验数据来推断的方法和简化模型的计算法 ,而是采用一种更加科学的方法 ,即通过大型有限元软件 Ansys来建模分析 ,计算各工况下钢板桩围堰的受力变形情况 ,得出了直观的受力变形图 ,并由图中的最大值得到了对钢板桩围堰及支撑系统的安全性和稳定性分析所需的关键结果 ,由此也得到了对钢板桩及围囹等的刚度和强度的有效分析。经过计算 ,各工况均满足强度、度和稳定性要求。其中稳定性最不利情况出现在第 3工况 ,但经过校核 ,此工况仍满足稳定性要求 ;挠度最大值出现在第 9工况 ,也未超出允许值。但为了防止意外发生 ,建议对此两工况进行一定的加固处理。

参考文献 :

[ 1 ] 李涌泉 .大型钢板桩围堰的结构设计与分析 [J ] .西部探矿工程 ,2007 (6) .

[ 2 ] 沈平欢 ,祝 强 .江中围堰及钢平台施工技术 [J ] .四川建材 ,2008 (4) .

[3 ] 李丹平 ,姜显峰 ,杨谦贤 .仙蠡桥水利枢纽钢板桩围堰设计与施工 [J ] .葛洲坝集团科技 ,2008 (2) .

[ 4 ] 任 亮 .广州新光大桥深水承台钢板桩围堰施工 [J ] .中外公路 ,2006 (4) .

[ 5 ] 段 进 ,倪 栋 ,王国业 . ANS YS10. 0结构分析 ,从入门到精通 [ M ].北京 :兵器工业出版社 ,2006.

[ 6 ] J TJ 041 – 2000 ,公路桥涵施工技术规范 [ S]. 

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白沙河大桥主墩钢板桩围堰设计与施工

摘要:结合广州白沙河大桥主墩钢板桩围堰支护系统的设计与施工,介绍水中主墩大型钢板桩围堰支护系统的设计方法和施工工艺,为同类桥梁水中基础施工提供借鉴。

1 工程概况

白沙河大桥位于广州轨道交通六号线 2 标沙贝至河沙区间白沙河水道—珠江右航道白沙河入口处,桥轴线与河道斜交,斜交角度为 123°42′27″ , 跨 越 水 域 宽 度 约 300 m。 桥 址 起 讫 桩 号SH#18,其中SH#15,SH#16 为主墩。SH#15 主墩承台呈腰形,长 21 m,宽 9.5 m,顶高程-2.0 m,底高程-7.0 m,厚 5 m,基础为 13 根 Φ1 500 钻孔灌注桩(梅花形布置)。SH 15 墩承台位于水中泥面以下,为节约成本,拟采用钢板桩围堰支护系统形成干施工环境,确保承台施工质量。

2 钢板桩围堰支护系统设计

2.1 设计原则及假设

钢板桩围堰支护系统的基本原理是利用钢板桩作为封水结构,内支撑作为承载结构抵抗外围水土压力,形成一个综合的围堰支护系统。钢板桩围堰支护系统具有地质适应性强、封水效果好、可周转使用、成本低等特点,计算原则及假设如下:

1) 基坑周围无其他建筑,基坑安全等级为二级,结构重要性系数取 1.0。

2) 基坑主要承受水压力 (静水压力和动水压力) 及土压力,由于河床面起伏不平,为了简化且偏安全计算,取地质钻孔 zhMFZ4-SH15-2-1的土层做为最不利情况进行计算。

3) 土压力按 JTJ 292—1998《板桩码头设计与施工规范》[2]第3.2.3条进行计算,采用水土分算原则。

4) 多层支撑基坑计算时,将钢板桩简化为单宽的连续板梁,钢板桩在支撑之间为简支支承,并考虑简支支座的位移,即按增量法进行计算。

5) 围囹及内支撑系统按照平面整体模型进行计算。

6) 钢板桩底部的边界条件为只有竖向约束,主动土压力按线荷载加载,被动土压力通过土弹簧进行模拟[3]。

2.2 自然条件

广州市地处珠江三角洲平原,以稠密的河网和孤悬于平原中的残丘为主要特征。平原低湿平坦,微向河流流向倾斜,零星分布的残丘镶嵌式分布海陆交互相堆积。沿线由起点至沙贝站附近为山前冲积平原,沙贝站过后,河沙及大坦沙一带为珠江江心洲堆积平原,东西两侧临近珠江水系。表 1 为土体指标参数。

土体指标参数

土体指标参数

2.3 钢板桩围堰结构形式

钢板桩围堰的平面和断面分别见图 1,2。

围堰平面

围堰平面

围堰断面

围堰断面

 

2.4 钢板桩围堰计算工况及计算结果

2.4.1 计算工况

1) 工况一:第一道高程+5.5 m 围囹支撑安装完毕,基坑内挖泥降水至高程+1.0 m,第二道围囹未安装;

2) 工况二:第二道高程+2.0 m 围囹支撑安装完毕,基坑内挖泥降水至高程-2.0 m,第三道围囹未安装;

3) 工况三:第三道高程-1.0 m 围囹支撑安装完毕,基坑内挖泥降水至高程-5.0 m,第四道围囹未安装;

4) 工况四:第四道高程-4.0 m 围囹支撑安装完毕,并向基坑内注水至基坑内外水位相同,基 坑 内 挖 泥 至 高 程 -10.0 m, 封 底 混 凝 土 未 浇注;

5) 工况五:第四道高程-4.0 m 围囹支撑安装完毕,封底混凝土浇注完毕并达到 90%强度,然后降水至高程-7.0 m,承台未浇注。

2.4.2 计算结果

采用 Midas 软件进行计算,计算结果从钢板桩位移、应力和围囹系统的弯矩、应力 4 个方面进行分析。通过对比可知,工况三为最不利工况,因此,工况四和工况五没有计算围囹系统的内力。计算结果见表 2。

计算结果

计算结果

 

3 钢板桩围堰支护系统施工

 

3.1 钢板桩围堰施工

 

3.1.1 施工工艺流程

钢板桩围堰施工工艺流程为:搭设围囹拼装平台→拼装固定第一层围囹支护系统→插打钢板桩→抽水挖泥拼装第二、三、四层围囹支护系统→抽水挖泥浇筑 1m 厚封底混凝土→施工承台。

3.1.2 主要施工方法

1) 围囹的拼装。第一层围囹支护系统依托原钻孔平台进行整体拼装下放,可靠固定在钢护筒上。第二、三、四层围囹支护系统抽水挖泥后在围堰内散拼。围囹与钢板桩之间采用木楔或钢片塞紧。围囹系统利用 80 t 履带吊进行拼装,挖泥采用液压抓斗和吸泥机配合进行。

2) 钢板桩插打。钢板桩插打利用第一层围囹作为导向架,并在导向架上安装限位导向器。利用 25 t 汽车吊多点起吊钢板桩并靠着导向架后,汽车吊起吊振动锤并夹桩,震动下沉钢板桩。插打钢板桩前对钢板桩槽内塞黄油掺锯沫,以增强止水效果(图 3)。

施工过程中的钢板桩围堰支护系统

施工过程中的钢板桩围堰支护系统

3.2 钢板桩围堰拆除

3.2.1 第四层围囹支护系统的拆除

承台分 2 次浇筑,第一次承台混凝土施工高度为-7.0~-4.5 m,第二次承台施工高度为-4.5 m至-2 m,而第四层围囹高程为-4.0 m,因此第二次承台施工前需要拆除第四层围囹支护系统。第一次承台混凝土浇筑完毕拆除模板后,在承台与钢板桩之间的空隙内填充 2.2 m 厚的细砂,范围为-7.0 m~-4.8 m。然后在砂的顶面浇筑一层C30 的混凝土,厚 0.3 m,顶高程为-4.5 m。待混凝土强度达到设计强度的 70%后,拆除第四层围囹系统。此时,原由第四层围囹承受的力由混凝土传至承台承受。在垫层混凝土表面支立模板进行承台第二次混凝土的浇筑。

3.2.2 围堰的整体拆除

在承台塔柱施工出水面后,开始整体拆除钢板桩围堰。将割下的钢护筒与承台顶面的预埋铁板焊接,利用承台作为基础,重新使钢护筒成为拆除前围囹系统的支撑支架。拆除围堰的工艺与开始围堰施工的工艺相反,震动拔出钢板桩,提升围囹支护系统,提出水面一层,拆除一层。因为钢板桩拔出后,围囹及内支撑系统受水流的冲击,会发生移动,所以在内支撑与钢护筒之间安装限位装置对围囹及支撑系统进行限位,同时钢护筒上口之间用型钢成剪刀状连接增加稳定性,以免受水流冲击发生位移。

4 结语

白沙河大桥 SH#15 墩钢板桩围堰支护系统于2009 年 1 月份完成设计并通过专家审查。2009 年3 月开始施工,7 月完成承台浇筑。施工过程中发现渗水较少,基坑稳定,经各方研究决定取消封底混凝土,仅在基坑底部浇筑 1 m 厚混凝土作为承台施工作业面。

白沙河大桥 SH#15 墩钢板桩围堰支护系统的顺利实施,证明在水流较小的河道中采用钢板

桩围堰支护系统是可行的,具有较好的技术和经济效益,可以为同类桥梁水中基础施工提供借鉴。

 

参考文献:

[1] 中交二航局广州轨道交通六号线 2 标工程项目经理部.白沙河大桥主墩承台施工方案[R]. 武汉: 中交二航局,2009.

[2] JTJ 292—1998 板桩码头设计与施工规范[S].

[3] 顾晓鲁, 钱鸿缙, 刘惠珊, 等. 地基与基础[M]. 3版. 北京:中国建筑工业出版社, 2003.

                                                                                                                        (本文编辑郭雪珍)

虚拟航标首现长江航道

     长江南京航道局刚刚在苏通大桥水域设置的 4 座 AIS 虚拟界限标。在长江上设置虚拟航标,这在长江航道历史上尚属首次。

安装了 AIS 系统和电子海图船舶导航系统的船舶,在通过苏通大桥水域时,接收 AIS 虚拟航标信息后,便可在电子海图上叠加显示眼前航道可航行水域情况,从而判断航道情况,便于船舶航行。虚拟航标可以每 6 s 对外广播一次,范围可达 15 n mile。现在,苏通大桥桥区水域有 4 座虚拟界限标,它的设置能快速实现在电子海图导航系统上标示特定水域或及时发布航标动态信息,提供更好的通航环境信息,尤其在大雾天气视线不清以及夜间航行时,船舶可以通过船上电脑查看航道,以保障船舶航行安全以及苏通大桥桥梁安全。

虚拟航标最大的便捷在于,航标设置或更改的速度快、成本低,并且虚拟航标的设置不受天气条件的限制、不会出现标位漂移等问题,具备导航精确度高等优点。4 座 AIS 虚拟界限标通过一周的试用,效果初步显现。业内专家表示,设置虚拟航标将是未来沿海乃至内河航道发展的方向。

                                                                                                               摘编自 《中国交通报》

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超厚砂卵石层钢板桩围堰设计与施工

 

[摘要]钢板桩围堰在桥梁深水基础施工中应用广泛,但是超厚砂卵石层地质给钢板桩的 插打和围堰基底的水下吸泥带来极大困难,从而限制了钢板桩围堰的使用范围。以襄樊汉 江三桥主墩钢板桩围堰的施工作为依托,通过改变施工顺序、对钢板桩桩头进行处理和制作专用引孔设备和吸泥机,使上述问题迎刃而解,并且缩短工期,降低成本和施工风险。

钢板桩围堰与双壁钢围堰和钢套箱相比,有结构简单、插打比较容易、施工工期短、成本低和质量易于控制等优点, 但是对超大卵石和坚硬地层亦有难以插打到位的缺点。本文以襄樊汉江三桥主桥墩超厚、超大粒径砂卵石层地质情况下的基础钢板桩围堰施工作为研究对象,通过改进设备和施工顺序优化,解决了钢板桩围堰施工中的相关难题。

1 工程概况

襄樊汉江三桥为 28. 5m + 310m + 128. 5m 三跨一联双塔双索面预应力混凝土半漂浮体系斜拉桥。主桥索塔为双直立塔柱形式,高度为 122. 5m (南塔) 和 120. 3m( 北塔),主桥拉索共由 4 × 26 对高强度平行钢丝斜拉索组成,按扇形布置。主墩单个承台平面尺寸为 19m × 19m × 5m,下布置 16 根 2m、长度 75m 的钻孔灌注桩,如图 1 所示。

主墩 29 ~ 30 号 墩 位 处,上 覆 盖 6. 2 ~ 7. 8m 厚浅黄色或灰色细砂,其下为 29. 9 ~ 31. 6m 厚圆砾和卵石,主要 成 分 为 石 英、硅 质 岩,粒 径 一 般 为 2 ~4cm,个别最大粒径 > 10cm,桩基施工时发现最大粒径达 30cm,基岩 为 泥 灰 岩 和 泥 岩,根 据 地 勘 资 料,29,30 号墩的地质条件如表 1 所示。历年最大流速为 4. 74m / s,与主桥轴线夹角为 63°,下游崔家营水库修建好后,汉江水流流速明显减缓。

2 钢板桩围堰设计

主墩29,30号均采用拉森Ⅵ(型号为SKSP-SX27)钢板桩围堰,长度分别为18,21m。围堰内壁尺寸为21.6mX21.6m,四周留出1.3m的操作空间。围堰构造如图 2,3 所示。钢板桩围堰分为钢板桩、围檩、内支撑系统 3 部分,各构件选用的材料如表 2 所示。

主桥总体布置

主桥总体布置

图 1 主桥总体布置

主墩地质条件

主墩地质条件

钢板桩围堰第 2,3 层支撑构件参数

钢板桩围堰第 2,3 层支撑构件参数

支撑平面 ( 单位:cm)

支撑平面 ( 单位:cm)

 

钢板桩围堰

钢板桩围堰

2. 1 钢板桩及支撑计算

钢板桩的入土深度、总长度、内力和应力的计算按照等值梁法根据施工工况进行。

1) 工况 1  围檩和内撑分别焊接、拼装、下放到位。钢板桩打设完成,围堰内吸泥到设计标高,围堰外堆载至设计水位标高 63. 000m。

2) 工况 2  浇 筑 封 底 混 凝 土,待 混 凝 土达 到 设计强度后,抽干围堰内水,进行承台施工。

根据不同工况计算得到 29,30 号墩钢板桩的入土深度分别为 5. 69,5. 43m,总长度分别为 21,18m。

钢板桩和支撑的内力计算结果如表 3 所示。

不同工况下钢板桩和支撑最大应力

不同工况下钢板桩和支撑最大应力

2. 2 封底混凝土计算

普通情况下钢板桩围堰封底混凝土验算包括基坑坑底抗隆起验算、抗管涌验算、封底混凝土厚度验算、围堰整体抗浮验算、封底混凝土与钢护筒间黏结力验算和 封 底 混 凝 土 拉 应 力 验 算[3]由于本工程中施工工序是先整体下放围檩和内撑,再打设钢板桩,然后再吸泥到设计封底混凝土底标高进行水下混凝土的浇筑,混凝土达到设计强度后才抽水进行承台施工。在封底混凝土没有浇筑之前内外水头相等的,没有进行坑底抗隆起验算和抗管涌验算。

2. 2. 1 封底混凝土厚度验算

围堰整个混凝土封底按四边简支,并考虑桩基钢护筒的约束作用,按下列公式计算

式中:η———考虑桩基钢护筒约束作用的折减系数,依经验取 0. 7;

h ———封底混凝土厚度( mm) ;

K ———安全系数,按 抗 拉 强 度 计 算 的受 压、受弯构件为 2. 65;

M ———板的最大弯矩( N·mm);

b ———板宽,一般取 1 000mm;

fct ———混凝土的抗拉强度设计值( N / mm2 ) ;

D ———考虑水下 混 凝 土 可 能 与 井 底泥 土 混 掺经计算 29,30 号墩围堰封底混凝土厚度分别为3. 0,2. 5m。

 2. 2. 2 封底混凝土整体抗浮验算按下列公式计算:

K = ( G + T1 + T2 ) / P > 1. 1

式中:K 为抗浮安全系数; G 为封底混凝土自重; T1为封底混凝土与护筒的黏结力; T2 为钢板桩与封底砂卵石层地质条件下钢板桩的施打遇到以下问题,通过改进施工工艺得以克服。混凝土之间的黏结力和钢板桩入土深度范围内的抗拔力中的较小值。

经计 算 29,30 号围 堰 整 体 抗 浮 系 数 分 别 为1. 39 和 1. 4。

2. 2. 3 护筒黏结力验算

τ = Q / A < [τ]

式中: Q 为计算单 元 上 所 受 的 合 力; A 为 计 算 单 元与护筒接触面面积; [τ]为容许黏结力 ( 钢护 筒 与混凝土之间的黏结力取 120kPa) 。

经计 算 29,30 号 墩 围 堰 护 筒 黏 结 力 分 别 为64. 52,50. 14kPa。

2. 2. 4 封底混凝土拉应力计算

封底混凝土按承受均布荷载的四边简支的面板结构计算。经计算 29,30 号墩封底混凝土拉应力均能满足要求。

3 钢板桩围堰施工

工艺流程

施工准备 → 导 梁 制 作 安 装 → 围 檩 内 支 撑 ( 托梁) 焊接拼装→围檩内支撑整体下放→钢板桩施打→吸泥清基→围堰封底→承台施工→支撑转换→拔钢板桩。

3.2 施工准备

钢板桩运至现场后,应详细对其检查、丈量、分类、编号,同时 对 两 侧 锁 口 用 一 块 同 型 号 长 2 ~ 3m短桩做通过试验,锁口通不过或桩身有弯曲、扭曲、死弯等缺陷,采用 冷 弯、焊 补、割 除、接 长 等 方 法 整修。为保证插打过程顺利,在锁口处涂以适量黄油。

3. 3 围檩内支撑施工

与以往钢板桩围堰施工采取设置导框打设钢板桩,后抽水从上往下安装支撑的施工工序不同,本工程采取先在钢护筒上设置导梁、导梁底部设置牛腿用于支撑最下面一层围檩,围檩和内撑在钢平台上焊接拼装,并在最下面一层至上面第 2 层围檩焊接托梁,用于支撑其上的围檩和内撑,然后整体下放的工序。避免了先抽水再安装围檩和内支撑,使内外水压过大增加围檩内支撑层数和结构应力。导梁施工前必须进行测量放样,确保围堰位置准确、各边施工空间足够。围檩和内支撑之间的焊接必须牢固,围檩转角处焊三角形钢板。

钢板桩施打

钢板桩施打 以 围 檩 作 为 导 向,采 用 50t 汽 车 式起重机配合 DZ90 液压振动锤单根插打,遵守“插桩正直,分散即纠,调整合拢”的原则。插打顺序从上游向下游,从一角向另一角插打,在下游合拢。超厚砂卵石层地质条件下钢板桩的施打遇到以下问题,通过改进施工工艺得以克服。

1) 超厚砂卵 石 层 钢 板 桩 难 以 插 打 到 位

针对这一问题,采取对钢板桩桩头进行处理和高压水枪进行引孔。桩头及高压水枪如图 4 所示。高压水枪采用专用钢板桩内焊接 2 根钢管,一根气管一根水管,分别通压缩空气和高压水进行引孔。

引孔水枪和桩头

引孔水枪和桩头

2) 钢板桩 插 打 垂 直 度 偏 差 大 首根钢板桩插打应从两个相互垂直的方向同时控制,且应紧靠围檩边缘 徐 徐 下 降,待 插 入 河 床 后,用 L 形 卡 具限 制钢板桩侧向和外向偏移,并与围檩进行临时固定。

3) 围堰合 拢 问 题 围堰合拢采取根据现场角部两临近板桩的距离和倾斜情况特制角桩,确保围堰顺利合拢。

3. 5 吸泥清基

超厚砂卵石层地质条件下围堰吸泥是一个关键问题。针对超厚、大粒径卵石层特制专用吸泥机,每台吸泥机配备 1 台 22. 5m 空压机和 1 台 110kW 的水泵。河床下 3m 范 围 内 吸 泥 较 容 易,3 ~ 6m 吸 泥较为困难,6m 以下不易吸出。施工时主桥墩围堰吸泥深度达到 8m 左 右,针 对 现 场 实 际 特 点 和 吸 泥难度,施工时对吸泥机进行改进,吸泥管采用 325 钢管,采用 1 台 吸 泥 机 配 2 台 22. 5m 空 压 机 和 2 台110kW 的水泵,先 用 2 台 水 泵 进 行 高 压 冲 水,将 底部的卵石层冲松;同时空压机供气产生负压,将冲散的卵石吸出。吸泥过程中采用水泵向围堰内补水,保持水头稳定。吸泥机端头如图 5 所示。

清基采用潜水员携高压水枪水下对钢板桩内侧和钢护筒周边进行清理,确保封底混凝土能与钢板桩和钢护筒黏结牢固。

3. 6 围堰封底

围堰封底采用 25t 汽车式起重机配合 30t 门式起重机起吊集料斗进行逐根导管首封。混凝土按扩散半径 5m 考虑计算得首封量为 27m ,导管按 13 根布置,2 台汽车泵连续灌注完成封底。

吸泥机端头

吸泥机端头

3. 7 围堰的使用和维护

围堰抽水时控制抽水速度,并设置观测点,对围堰进行监测。抽水到位后用棉絮堵漏,围堰基底清理,并砌筑截水沟,方便承台干施工。待承台施工完成后,向钢板桩与承台间填筑砂卵石,并在承台上部浇注 25cm 高 混 凝 土 冠 梁,待 冠 梁 混 凝 土 达 到 强 度后,拆除承台上一层内支撑,向围堰内注水至上一层支撑下 1m 标高,拆除内支撑直至第 1 层,内支撑全部拆除后,依次拔出钢板桩。

4 结语

襄樊汉江三桥主墩承台采用钢板桩围堰施工,通过改进施工顺序和采取特制的施工设备,使钢板桩围堰在超厚砂卵石层地质条件下得以成功实现。

1) 所有 围 檩 内 支 撑 先 焊 接 拼 装 整 体 下 放 后 插打钢板桩的施工顺序比先插打钢板桩再抽水逐层安装围檩和内支撑的施工顺序能使围堰结构构件受力减小,缩短施工工期,降低施工风险。

2) 通过实践,考虑钢护筒对封底混凝土的约束作用,计算封底混凝土厚度时乘以 0. 7 的折减系数是合理的,使围堰成本降低。

3) 通过 改 进 钢 板 桩 桩 头 和 制 作 专 用 引 孔 设 备和吸泥设备,使钢板桩在超厚砂卵石层地质条件下插打和围堰吸泥困难等问题迎刃而解。

参考文献:

[1 ]交通部第一公路工程总公司. 公路施工手册———桥涵( 上册)

[M]. 北京:人民交通出版社,2000.

[2 ]于海燕,赵可锋,张莉莉. 钢板桩支护设计浅析[J]. 城市道桥与防洪,2007(11) :51-55.

 [3 ]罗万录. 深 水 基 础 用 钢 板 桩 围 堰 计 算 分 析[J]. 铁 道 标 准 设

计,2009(4):74-77.

 [4 ]江正荣. 建筑施工计算手册(2 版) [M]. 北京:中国建筑工业

出版社,2007

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