曹娥江袍江大桥承台钢板桩围堰设计与施工

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文章编号:167324874(2010)11200472006

曹娥江袍江大桥承台钢板桩围堰设计与施工

吴刚刚,李彩霞,张庆谱

(广西壮族自治区公路桥梁工程总公司,广西　南宁　530011)

作者简介

吴刚刚(1980—),男,湖北京山人,硕士,从事路桥施工工作。摘　要:钢板桩围堰由于具有施工速度快、防水性能好、可重复利用等诸多优点,被广泛应用于桥梁深水基础围堰工程。文章结合曹娥江袍江大桥承台施工实例,介绍了钢板桩围堰结构设计方案与结构验算方法,阐述了其施工工艺要点,为桥梁承台钢板桩围堰施工提供经验借鉴。

关键词:桥梁;承台;钢板桩围堰;设计;施工

中图分类号:U445155+6　　　　　　文献标识码:A

Design and Construction of Supporting System of Steel Sheet Pile Cofferdam for Pile Cap in Paojiang B ridge over Caoπejiang R iver

WU Gang2gang,L I Cai2xia,ZHANG Q ing2pu

(Guangxi Road and B ridge Engineering Cor porati on,Nanning,Guangxi,530011)

Abstract:The steel sheet p ile cofferda m is fairly used for constructi on of foundati ons in water area f or its constructi onal feasibility,water p r oof ability and repetitive usage possibilities.Connecting with the p ractice of the p r oject of p ile cap in Paojiang B ridge,the article makes detailed intr oduc2 ti on and su mmary of the constructi on sche me design and constructi on technol ogy,f or the sa me kind bridge offering experience.

KeyWords:Pile cap;Teel sheet p ile cofferdam;Design;Constructi on

0　前言

绍兴市曹娥江袍江大桥为城市市政桥梁,其低桩承台施工作为该大桥多个施工难点之一,与复杂地质条件下深孔桩基础施工、大吨位缆索吊装系统设计施工、超长系杆的施工及控制等几个施工难点一样,备受各方面的关注,特别是承台施工进度和深基坑围堰开挖的安全两方面。

目前,钢板桩由于具有施工速度快、防水性能好、可重复利用等诸多优点,被广泛应用于修建桥梁深水基础时的围堰工程[1-3]。施工单位根据大桥场地特点和地质条件,从施工速度和成本等因素对钢套箱和钢板桩两个围堰施工方

案进行了比选后,决定采用钢板桩围护结构,并通过制定合理的施工方案,精心组织,快速安全的完成了主墩围堰承台的施工,取得了良好的社会效益和经济效益。为了给今后钢板桩围堰施工提供借鉴和参考,本文结合该桥围堰施工工程实践,对钢板桩围堰施工方案设计计算、施工工艺进行介绍。

1　主桥下部结构设计概况与方案确定

绍兴市曹娥江袍江大桥建设工程为城市特大桥,南北引桥均采用40m 先简支后连续预应力混凝土T 梁结构,下构为柱式墩台钻孔灌注桩基础;主桥为带边拱的三跨中承式系杆拱桥,跨径为40+3×185+40m ,下构为群桩基础分离式实体墩。主桥共4个主墩,每个主墩的下面是分离式基础,每墩由两个承台支撑,承台底面标高为-210m ,顶面标高为+210m 。如图1

所示。

图1　主桥下部结构示意图

曹娥江大桥主桥17#

墩位于河滩边上,地面标

高为+310～+517m ,18#、19#和20#

墩均位于曹

娥江河道中,18#～20#

墩河床面标高为-013～+210m ,常水位时水面宽度为600多米,水深约为1～415m ,由两岸向中间渐深,成锅底状。由于大部分承台顶面位于河床面以下,且承台施工时需水下开挖河床,所以,在考虑了钢板桩围堰占用空间小、无须配置大型下沉设备、可多次周转且搭设速度较快、施工投入少等特点后,结合场地、工期、经济优越性、地质情况等因素,拟采用钢板桩围堰的施工方案。因此,承台施工采用打入钢板桩围堰方

案,混凝土分两次浇筑完成。

由于曹娥江口门大闸已建成,并于2008年12月18日关闸投入使用,考虑到汛期期间,当水位达到319m 时大闸将开闸放水,经长期观测水位,除偶尔水位达到413m ,大部分时间的水位均位于319m 以下,所以钢板桩桩顶标高定为510m ,计算水位取+410m 。

2　钢板桩围堰结构设计

根据基坑施工的常规经验,应保证入土深度与钢板桩长度比值>015,考虑到本桥开挖深度最大约为8m ,经过计算比选,最终选用18m 钢板桩。根据大桥河床的地质情况,进行了结构设计,其要点如下:

(1)围堰采用钢板桩围堰,由单层钢板桩和三层型钢围檩分配梁及大直径钢管内支撑组成;各墩围堰支护平面尺寸均为17160m (纵桥向)×16180m (横桥向)(钢板桩内侧净距离),采用18m 长W RU25型(650mm ×270mm ×10mm )钢板桩支护开挖,被打入后,其底端标高为-1310m ,顶面标高为+510m 。

(2)本钢板桩上带有套型锁口,两桩锁口联结转角为10°～15°,锁口内涂上黄油和锯末后,摩阻力小,防渗性较好;4个转角位置采用加工焊接的特制异型桩;钢板桩采用70t 履带吊配合液压震动锤进行打入,施工完成后拔除;钢板桩围堰内泥土的开挖采用机械、人工配合吸泥机采取吹沙射水吸泥的方式进行。

(3)考虑到围堰所受的三角形土压力和水压力在承台上方高度范围内比较大,各墩基坑内分别在标高+315m 、+110m 、-110m 处设置一道围檩分配梁和内支撑,钢板桩围檩分配梁采用两根163贴焊而成,焊接固定在钢板桩的牛腿上,内支撑采用<609mm ,δ=8mm 的钢管,其两端与围檩相撑住,以加大围堰抵抗土侧压力及水压力的能力。

(4)在第三道支撑安装完后,继续开挖,直到承台设计底标高-2m 以下015m 处。在此开挖过程中,应严格监控钢板桩和坑内坑周土体的变形,若没

有出现较大变形,则直接采用陆地泵送方式浇筑50cm

混凝土;若存在异常情况,则马上停止开挖,并采取江水回灌作业至+210标高来保持内外稳定,之后采用灌注水下混凝土方式进行210m 厚的C20混凝土封底,混凝土浇筑时要做到尽量均匀平整。待封底混凝土强度达到设计标号的80%后进行基坑内积水的抽除,直至基坑内积水被完全抽出,露出封底混凝土表面后再进行承台施工。

钢板桩围堰设计如图2所示

。

图2　钢板桩设计示意图

3　钢板桩围堰结构验算

311　受力工况的确定

按照围堰设计方案,根据对水中墩钢板桩基

坑的施工过程进行分析,分3种情况对基坑的稳

定及钢板桩的受力进行验算[4,5]

,即:

工况1:第三道支撑安装前,此时钢板桩受基坑外水压力、主动土压力及坑内水压和坑底土体被动土压力的共同作用。此工况主要验算钢板桩在内外压力作用下的抗倾覆稳定性以及基坑底抗隆起、抗砂涌安全性。

工况2:所有支撑安装完毕,进行封底作业前,此时钢板桩受基坑外水压力、主动土压力及坑内水压和坑底土体被动土压力的共同作用。此工况主要验算钢板桩在内外压力作用下的抗倾覆稳定性以及基坑底抗隆起、抗砂涌安全性。

工况3:基坑完成封底混凝土浇注,并且坑内积水抽干。此时钢板桩受基坑外水压力、主动土压力及坑底土体被动土压力的共同作用,因此此工况主要验算钢板桩、内支撑和封底混凝土的受力安全性。

根据大桥设计文件和地质勘查资料,各土层物

理参数见表1。在计算过程中,第1层和第2层土采取水土分算的方式计算,考虑到第3层土为不透水层,采取水土合算的方式进行计算。

表1　钢板桩进入的土层物理参数表

土层序号土层地质编号

土层名称土体容重

γ(k N /m 3)内摩擦角<(°

)内聚力c (kPa )土层底标

高(m )11-2亚砂土1817341515+018122-3

亚砂土

1817261413-51193

3-1淤泥质亚粘土

1718

613

16

-111

29

图3　工况1、工况2和工况3受力示意图

通过对3个工况进行受力计算,基坑满足抗倾覆性、抗隆起和抗涌砂要求,基坑稳定,同时钢板桩受力最大为80184MPa <140MPa,整个钢板桩围堰结构受力满足要求。

312　封底混凝土结构验算

在综合考虑了上述因素后,运用有限元分析软件AN SYS 对封底混凝土进行受力分析。用实体单元模拟封底混凝土,并考虑混凝土自重、钢板桩对混凝土侧面压力的作用;封底混凝土可视为一个四周受水平方向作用力,底部受浮力作用,并且与9根桩基钢护筒连接固定的受力结构。考虑到封底混凝土位于不透水层,因此不考虑浮力影响。

本基坑封底混凝土厚度为2m ,通过模拟分析,混凝土的计算弯拉应力为406kPa,最大变形为014mm ,而C20标号混凝土设计抗压强度为912MPa,设计抗拉强度为1106MPa,即封底混凝

土受力安全。

图4　封底混凝土应力及变形计算结果图

313　内支撑受力和布置

围檩和内支撑的间距采用等弯矩法和多跨连续梁计算模型进行计算确定

[5]

,内支撑的设置,除

了考虑受力外,还应考虑不妨碍堰内施工。内支撑

自上而下设置,采用三道,分别在标高+315m 、+110m 、-110m 处设置一道围檩分配梁和内支

撑。在内支撑的每个节点位置用Ⅰ20工字钢焊接牛腿在钢板桩上,作为围檩的支点,围檩为2Ⅰ63a 工

字钢组合梁,两根工字钢的间距为40cm ,沿工字钢长度方向每隔2m 在型钢内外侧和翼缘板外侧加焊1cm 厚的钢板作为加劲板,在内支撑支点位置增设多块外侧加劲板进行局部加强。

根据桩身的计算可知,内支撑分配梁每延米荷载为20111k N 。内支撑分配梁与各支撑钢管连接以及纵横向分配梁间的连接均按铰接考虑,其计算结果如图5

所示。

5　内支撑受力变形和组合应力计算结果图

最大变形为6125mm 大正应力为9612MPa <140MPa,最大剪应力为1810MPa <85MPa,变形及应力均小于材料允许值。因此内支撑受力安全。

4　钢板桩围堰的施工

411　施工准备

钢板桩运到工地后,应进行检查、分类、编号及

登记。对钢板桩进行的主要外观检验,包括表面缺陷、长度、宽度、厚度、高度、端头矩形比、平直度和

412　导向架安装

本钢板桩围堰采用方形导向架,按照施工方法,一般先打定位桩,在定位桩上安置导梁,组成框架式的围笼作为插桩时的导向设备,因此在施打前必须制作导向架。在插打钢板桩前需设定位桩及定位横梁。本桥施工中,钢板桩外侧定位桩是利用水上施工平台四周的<609钢管;在围堰的内侧,用钻孔平台8根护筒作为内侧导向定位桩。在钻孔桩完成后,进行测量放线,在承台最外侧的钢护筒处焊接牛腿,拼装围堰内支撑;然后在承台最外侧的钢护筒顶口焊接导向支架,安装内外导环。在导向架上用粉笔标注出各片桩的界线,以便在打桩过程中边打边纠,防止出现大的偏差。

413　钢板桩插打施工

由于场地条件,施工作业区空间有限,需要按照一定的顺序进行各个片区的插打作业,以保证有足够的作业空间。其中岸上墩是以向相邻两侧面扩展的插打顺序进行插打,最后在近桥中线的侧面合拢;在施工作业时可以对左右两承台进行交替作业。18#、19#墩的施工顺序是由各个承台右侧开始,按逆时针的顺序连续插打至合拢。

插打分两阶段进行,先进行预打,形成闭合结构后,再复打到位。由于围堰大,钢板桩数量多,锁口间隔累计增大,施打围堰时,钢板桩容易倾斜,因此,每次打插完5片,用短钢筋头将钢板桩点焊固定于内导向框架上,以减少累积偏斜位移,利于围堰合拢。

钢板桩采用单根插打。将钢板桩运至指定位置,然后用70t履带吊起振动锤,使钢板桩成垂直状态,用液压钳夹住钢板桩移向安插位置,并插入到已就位的钢板桩锁口中。开始打设的第一、二块钢板桩的位置和方向应确保精确,以便起到样板导向作用,所以在插打第一、二块钢板桩时,应增设导向轨、导向卡等新型导向结构。导向轨按一定距离垂直焊在导环及导向支架上。导向卡则由切肢角钢和钢板组焊而成,先预制成凹形卡块,然后焊在与导向轨相应的钢板桩凹槽内,如图6所示。导向轨安装长度≮3m,其安装垂直度偏差控制在1/1000以内。第一、二片钢板桩每打入1m应测量一次,插打至设计标高后应立即用钢筋或钢板与导环焊接固定。其余各钢板桩,则以已插好的钢板桩为准,起吊后由人工扶持插入前一片钢板桩锁口,然后用振动锤振动下沉。整个施工过程中,要用锤球始终控制每片桩的垂直度,及时调整。调整工具有千斤顶、木楔、导链等。插打过程中,须遵守“插桩正直,分散即纠,调整合拢”

的施工要点。

图6　导向轨示意图

在合拢前剩最后5～7片钢板桩未插打时,开始测量并计算钢板桩底部的直线距离,再根据钢板桩的宽度,计算出所需钢板桩的片数。钢板桩围堰在合拢时,两侧锁口不一定平行,会出现上大下小或上小下大、左右偏移等情况,因此须备齐倒链进行拉伸和压缩作业,如果采取以上措施仍不能解决合拢问题,就采用特制异型桩合拢。

414　围檩和内支撑安装

在确保安全的前提下,基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水,分层支撑分层降水”的原则进行[7],在开挖并抽水至支撑设计位置以下50cm后,立即进行围檩和内支撑的安装,均采用吊车和手拉葫芦进行安装。单个基坑的全部钢板桩下沉到位后,首先在标高+315m位置安装第一道围檩和内支撑,安装完后继续开挖,在开挖的同时不断观测钢板桩及基坑底的变化,基坑内开挖至标高+015m后,在+110m处架设第二道支撑,之后继续开挖至标高-115m,此时在-110m 标高处架设第三道围檩支撑。

415　围堰清淤开挖和封底施工

围堰合拢后进行基底清淤,由于曹娥江河床岩土多为亚粘土和淤泥质粘土,所以采用长臂挖机和高压水配合泥浆泵进行水下清淤。在清淤过程中要对围堰钢板桩的锁口情况进行检查,看是否有脱口现象,如有应提早进行整修,以保证围堰后期抽水顺利。

在清淤与支撑安装工序交替完成,基底达设计标高后,进行水下混凝土封底,围堰水下封底应全断面一次连续浇注完成。原设计采用水下混凝土施工,后因实际地质较硬,能够承载一定的重量,经观测并未出现隆起、失稳等现象,故采用溜槽法直接进行混凝土浇筑,封底效果较好,未出现渗漏水现象,且封底较平整。

416　围堰施工过程中的监测

在钢板桩插打施工完成以后进行支撑的施工。在施工支撑及开挖过程中,应对支撑系统进行监测。在钢板桩施工中,打设的允许误差一般为:桩顶标高偏差为±100mm,钢板桩垂直度偏差为1%。在钢板桩打设过程中,应监测其偏差是否在允许误差范围内,超出时及时纠正。现场设专职技术员和安全员主要监测土体地质情况、内支撑和钢板桩的变形、基坑内流动水量及围堰的位移、抽水深度等,每日不得少于2次。同时填写专门的观测记录表,统计累计变形量和当日变形量,并送交技术负责人签认。当发现钢板桩和围檩有超过规定要求的变形时,应立即疏散基坑内的施工人员,并立即通知技术负责人,采取相应的加固处理措施。通过实际施工的监测发现,钢板桩及支撑变形均在允许范围内,说明设计合理。

417　钢板桩围堰的拔除

在承台及部分墩身施工完成后,对围堰与结构物的空隙进行回填,待回填物稳定后,内外水压平衡,钢板桩挤压力消失,可进行钢板桩的拔除工序。在下游选择一块较易拔除的钢板桩,用液压钳配合振拔桩锤先震动几分钟,再慢慢向上拔起,不可硬拔,如不好拔起,反复几次拔起插打即可拔除钢板桩。

5　结语

曹娥江袍江大桥4个主墩均采用钢板桩围堰施工,历时5个多月,从曹娥江袍江大桥所采用的方案选择及结构布置的效果来看,钢板桩围堰施工工艺具有操作简单、施工速度快、一次性投入费用较低及占用流动资金较少等特点,因设计与施工得当,止水效果良好,经受住了雨水的侵袭,且均一次施工到位,确保了施工安全和工期,降低了施工成本,为大桥节约成本约300万元,得到了大桥各参建单位、前来参观的同行、专家的一致好评。目前曹娥江沿线的杭甬高铁客运专线和绍嘉通道连接线工程均借鉴本项目的成功经验,采用钢板桩围堰进行基础施工。希望曹娥江袍江大桥主墩钢板桩围堰承台施工的经验可为类似工程的施工提供借鉴。

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收稿日期:2010210201