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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