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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