浅海钢板桩围堰免封底施工技术

2011-07-30李卓万

铁道建筑 2011年8期

李卓万

(唐港铁路有限责任公司，河北唐山 063611)

1 工程概况

曹妃甸特大桥是新建迁曹铁路上一座特大型桥梁，位于河北省唐山市南部70 km的渤海海滨地区。桥梁全长7 477.26 m，下部结构共243个墩台，采用直径1.00，1.25，1.50 m的钻孔桩，独立承台，圆端型桥墩，T型桥台。上部结构由1联(40+64+40)m连续箱梁、3联连续刚构和227孔预应力混凝土简支梁组成。

该桥桥址处于近海区域，一般水深3～5 m，跨纳潮河区段1.4 km水深8～20 m，水位受潮汐影响较大，每天涨落潮各2次，为不规则半日潮，平均高潮位2.75 m，最大潮差3.54 m;50年一遇高潮位为+4.34 m。该段施工范围内的地层为第四系全新统滨海相沉积层，岩性为粉砂、淤泥、粉砂、细砂、粉质黏土等，属于典型软土地基。

2 钢板桩围堰的设计

曹妃甸特大桥位于纳潮河段总共26个桥墩，其中水深＜10 m的桥墩承台共14个，采用钢板桩围堰支护施工。

2.1 钢板桩结构形式设计

施工水位取百年一遇最高水位+1.31 m。钢板桩顶高程为+2.31 m。选用长度为18 m和15 m的拉森Ⅳ型钢板桩，围堰内侧距承台边沿1.15 m。根据承台尺寸钢板桩围堰结构尺寸有15.2 m×10.4 m，16.0 m×10.4 m，20.8 m×12.8 m三种，钢板桩紧密咬合，同时采取止水措施。围堰内侧四周采用双层I45b工字钢分上、中、下三层(主墩围堰采用四层)围囹支护，桁架间部分杆件采用I25a工字钢。钢板桩围堰形式见图1。

图1 主墩钢板桩围堰形式示意(单位:mm)

2.2 钢板桩围堰结构验算(以200#为例)

2.2.1 已知条件

施工水位取百年一遇最高水位高程+1.31 m。钢板桩顶高程为+2.31 m，承台设计底高程为－5.11 m，顶高程为－2.81 m。承台尺寸为13.7 m×8.1 m×3.3 m，围堰尺寸为16.0 m×10.4 m。拉森Ⅳ钢板桩的技术参数见表 1。根据地质报告土体密度(容重)γ=20 kN/m3，土的内摩擦角φ=20°，土的黏聚力c=20 kPa;主动土压力系数 Ka=tg2(45－φ/2)=0.731;被动土压力系数 Kp=tg2(45+φ/2)=1.367。200#钢板桩围堰竖向截面情况见图2。

表1 拉森Ⅳ钢板桩的技术参数表

图2 200#钢板桩围堰竖向截面示意

2.2.2 计算内容

1)入土深度计算

①计算反弯点位置，即利用钢板桩墙上土压力等于零的点作为反弯点位置，计算其离基坑底面的距离y，在y处板桩墙前主动土压力强度和被动土压力强度相等，有

式中 Pb——基坑地面处钢板桩墙后的主动土压力强

度值;

K——主动土压力修正系数，土的内摩擦角 φ为 20°时，K 取 1.7;

γ——土体重度;

h——基坑开挖深度;

hw——基坑外侧水位深度。

②钢板桩零点以下入土深度x的确定

由力矩分配法计算的受力图见图3。P0=47.36 kN，P1=5.8 kN，P2=37.8 kN，P3=131.4 kN，Mmax=71.136 kN·m。

图3 力矩分配法计算受力图

采用等值梁法计算原理，土压力零点处的支撑反力与该点以下钢板桩土压力对桩底的力矩平衡，假设钢板桩土压力零点以下埋深为x，有

③钢板桩入土深度t0计算

则钢板桩入土深度 t0=1.1×5.94=6.534 m，实际入土深度7.08 m，满足要求。

2)抗管涌检算

根据不发生管涌条件γ'≥Kj

其中 j=iγw=h'/(2t)γw，K 为抗管涌安全系数，取K=2.0，γ'为土的浮重度，γ'=γ － γw=10 kN/m3(γ 为土的重度、γw为水的重度)，j为最大渗流力(动水压力)，i为水头梯度，t为钢板桩入土深度为7.08 m，h'为地下水到坑底的距离为6.92 m，计算得j=6.92/(2×7.08)×10=4.9，10＞2×4.9=9.8满足要求，此种情况下不会发生管涌事故。

3)基坑底部隆起验算

根据底部地质资料，基坑底部粉砂力学性质取重度 γ=20 kN/m3，粘聚力 c=20 kPa，土的浮重度 γ'=10 kN/m3，坑顶荷载 q取水压力，q=γw×6.92=69.2 kPa，抗隆起安全系数 K=2πc/(h1×γw+γ'×h2)=2×3.14×20/(6.21×10+10×0.71)=1.82＞1.20，围堰的深度为6.92 m不会发生基坑隆起事故。

4)围堰抗浮稳定性检算

如G/F≥1，则围堰是稳定的，G为围堰自重 +内支撑重量 +侧摩阻力的合力 =156.177+46.356+832.000+1 186.129=1 388.662(t)，F为浮力取1 234.688 t，有G/F=1.12＞1。实际状况下G还包括基坑底部泥土与护筒的摩阻力，故围堰抗浮稳定性经检算是安全的。

5)围堰底混凝土垫层厚度设计

由以上计算可以看出，在围堰深度为6.92 m，钢板桩埋深在7.08 m时，此种地质条件下不需要混凝土封底施工。经反复验算可得水深小于8 m，钢板桩埋深8 m以上时，此种地质条件下仍可以不用混凝土封底施工。在施工中，围堰内清泥至承台底以下50 cm，再浇注混凝土垫层至承台底高程，可保证工作面的形成和后续施工的正常进行。

3 钢板桩围堰施工

3.1 施工准备

施工之前，全面测量各墩位具体水深，合理安排施工顺序，及时组织施工人员、设备和材料进场。编制施工组织计划及作业指导书，进行作业要求交底。

3.2 测量放线、安装导向框

在水位较低的情况下，将第一层围囹作为打桩导向框，首先在施工现场定出钢板桩围堰第一层围囹中心高程，在桩基钢护筒上作出标记。然后在护筒上以［20槽钢为材料焊接牛腿，牛腿顶高程与围囹底高程一致，同时精确测量定位各个围囹的具体位置，在牛腿顶部作出标记。以2I45b工字钢为材料预制围囹，两片工字钢间以锻焊形式焊接牢固，按照腹板保持水平向由吊车配合安装定位。

3.3 插打钢板桩

1)钢板桩插打前必须进行检查，严禁使用影响结构安全的钢板桩。检查内容包括:桩身是否完整，两端是否破裂或卷曲，钢板桩是否变形或者弯曲。锁口是否有破裂、扭曲、缺损、局部弯曲及电焊瘤渣。型号、宽度是否一致。

2)用运输船将钢板桩运至围堰位置，然后由50 t履带吊和90型振动锤配合将钢板桩沿导向框插打入预设位置。打桩时沿围囹周边从围堰的一角开始，先打入角桩。角桩的位置要准确、垂直，倾斜度要小于1%。然后在角桩两侧插入钢板桩，打桩过程中要随时以导向梁为准检查所打钢板桩的位置是否准确，垂直度是否合格，及时纠偏。钢板桩施打到河床以下稳定高度，进一步复核桩的垂直度、位置准确后方可振动打入。钢板桩的合龙龙口相邻的10～15片钢板桩采取先插至桩的稳定高度，以利于钢板桩的调整，并且合龙口两侧钢板桩之间具有一定高差，便于插桩，待合龙后再将桩打至设计高程。

3.4 内支撑安装

钢板桩围堰受潮汐力作用，潮差达2.5～3.0 m，导致围堰所受内外张力始终处于变化平衡状态，为确保围堰安全，采取在内侧加装支撑体系并安装上下牛腿。施工中按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，共分三层和四层支撑。围堰内支撑的安装顺序如下(按四层介绍):将下面三层围囹全部放入围堰内并由钢丝绳悬吊在围堰壁上→固定第一层围囹→进行第一层支撑安装→抽水至第二层支撑处→固定第二层围囹→进行第二层支撑安装→抽水至第三层支撑处→安装第三层围囹→进行第三层支撑安装→抽水至第四层支撑处→固定第四层围囹→进行第四层支撑安装→抽水至基坑底。

内支撑安装质量是确保围堰安全的关键，在内支撑安装过程中应注意以下事项:①内支撑及围囹下料尺寸必须准确，由于抽水过程中围堰受到海水挤压，围堰有一定的变形，围囹实际需要长度下面几层比第一层要短至少10～15 cm，下料时下层围囹长度可适当调整。②内支撑焊接质量是关键，现场焊工必须持证上岗，保证内支撑焊接质量。③内支撑安装前围囹要提前放下去，并且由下而上的顺序放置，悬吊至围囹本身大致设计位置，将钢丝绳固定在围堰钢板桩上，防止上层内支撑安装完成后，由于空间较小下层围囹无法放下。④导向框作为第一层围囹时，固定围囹后及时割除焊接在护筒上的牛腿。⑤内支撑安装过程中及时采取有效措施对围堰进行堵漏防水，常用的堵漏方法有锯末和细砂混合在围堰外侧漏水严重的位置撒入水中，并向钢板桩锁口内填充;防水材料布包裹围堰，此种方法必须在河底用沙袋将防水布底端压入泥土中;棉纱填充钢板桩锁口缝隙，在围堰内部用钢钎和铁锤将棉纱条强行砸入漏水缝隙。⑥内支撑安装过程与钢护筒割除、吸泥、破桩头等工序交替、交叉进行，必须安排专人协调、管理，保证各项施工紧凑有序。