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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