陡河2号特大桥陡河水库段钢板桩围堰设计

冯乐平

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福建福州 350014)

1 概况

1.1 概述

新建津秦铁路客运专线陡河2号特大桥起点里程DK153+ 902.6，终点里程DK163+917.24，中心里程DK158+909.92，线路主要在唐山市滦县境内，线路全长10 015 m。其中DK156+140～DK156+477段线路经过唐山市陡河水库，DK158+610～DK158+ 690段经过唐山市陡河水库支管湾河，均为水源二级保护区。

水中墩为69号～79号、143号～144号计12个，均为低桩承台钻孔桩基础，承台最大厚度为3.5 m。

1.2 工程条件

水库蓄水变化-2 m～+4.5 m，其中每月中期为高水位，最高水位为+4.5 m。水中段上覆砂砾层、卵石土层，下伏花岗闪长岩，地质较稳定但渗流较大。

1.3 方案选择

目前，围堰主要有以下几种:土石围堰、木质围堰、钢板桩围堰、混凝土围堰、钢套箱围堰以及钢—混凝土组合结构围堰。针对桥墩处承台埋深低、水位高的特点，土石围堰、木质围堰不适合使用。混凝土围堰自重大、不便于吊装或浮运且较不经济，混凝土围堰方案难以实施。钢套箱围堰以及钢—混凝土组合结构围堰施工工艺复杂，组拼、下沉工期长且不经济，也不适合使用。由于河床覆盖层厚、基岩面低，承台底距基岩面均在20 m以上。根据现场的地质情况和技术经济比较，采取施工简单、快捷、成本较低的钢板桩围堰。

2 钢板桩围堰设计

2.1 主要设计原则

1)根据施工水位、承台底标高和水压力、土压力大小情况，确定钢板桩类型与桩长;2)围堰顶面应高出施工期间最高水位0.5 m～0.7 m;3)围堰内面积应满足基础施工空间(主要由基础尺寸决定)的要求。

2.2 设计思路

常规思路是钢板桩打设完成，边开挖、降水边安装内支撑。考虑到桥墩处地质为透水层、渗流较大，未水下封底进行降水施工难以实现。同时根据蓄水特点，可先封底后趁低水位安装最下层内支撑，从而实现承台一次浇筑施工。因此设计思路为:钢板桩打设合龙→低水位安装第一、二道内支撑→钢板桩设置连通孔→不排水开挖至封底混凝土底面标高→水下封底混凝土施工→最低水位安装第三道内支撑。

2.3 设计结构分析

以陡河2号特大桥陡河水库河段69号墩为例，其他墩台类似。采取结构力学求解器检算钢板桩及内支撑强度，Midas6.7.1有限元检算封底混凝土强度。

2.3.1 设计资料

1)施工水位:高水位+4.5 m，一般低水位-0.5 m，最低水位-2.0 m;2)承台底标高为:-7.5 m;3)地质情况:砾砂:-2.0 m～-13.0 m，深11 m，γ=1.95 t/m3，φ=30°;4)承台尺寸:16.7 m× 12.2 m×4 m;5)钢板桩围堰平面尺寸:18.8 m×14.0 m，钢板桩长18 m，钢板桩顶标高+5.0 m，底标高-13.0 m;6)钻孔桩: 12φ2.0 m;7)钢板桩:德国拉森Ⅳ，宽40 cm，W=2 370 cm3/m;8)型钢:A3，［σ］=170 MPa，［σw］=180 MPa;9)封底混凝土:强度C20，厚2.0 m，弯曲压应力［σw］=7 MPa，弯曲拉应力［σwl］= 0.4 MPa，粘结力［c］=0.67 MPa。

2.3.2 设计图

平面图见图1，立面图见图2。

图1 钢板桩平面图（单位：cm）

2.3.3 强度及稳定性检算

1)物理力学指标。

根据《陡河2号特大桥工程地质勘察报告》砂砾层物理力学指标:

图2 钢板桩立面图（单位：cm）

2)检算工况。

a.工况一:利用钢护筒设置导向架打设钢板桩。

因为内外覆盖层及水位相平，钢板桩荷载相等，不需检算。

b.工况二:钢板桩施打合龙，在低水位安装第一、二道内支撑后，钢板桩在标高0 m处设置连通孔保持内外水位相平开挖或抽沙至封底混凝土底标高处，即-9.5 m。立面图见图3。

图3 工况二立面图（单位：m）

钢板桩外荷载:

钢板桩内荷载:

求得D1=3.2 m(L=0.5+0.8+3.5+9.7+3.2=17.7 m＜18 m)。

钢板桩强度:

c.工况三:封底施工完成后，待封底混凝土强度达到设计强度后，待退到低水位时，放置8台抽水泵同时抽水至-3.6 m标高处，即第三道内支撑以下0.8 m处。立面图见图4。

图4 工况三立面图（单位：m）

已经封底，稳定性免计算。

钢板桩强度:

σ=31.2×105/2 037=1 532 kg/cm2＜2 600 kg/cm2(安全)。

d.工况四:第三道内支撑安装完成，封堵连通孔和钢板桩堵水，抽水至封底混凝土顶面，进行承台施工。立面图见图5。

已经封底，稳定性免计算。

钢板桩强度:

图5 工况四立面图（单位：m）

2.3.4 基底抗隆起检算

封底前，钢板桩内外水位始终相平，h1=0。

得j=0。

K=γ浮/j→无穷大，基底不会隆起。

2.3.5 抗浮检算

作用于封底混凝土底面的上浮力:

封底混凝土与钢护筒间的粘结力，［c］=6.7 kg/cm2。

2.3.6 内支撑选用

1)内支撑反力。第一道内支撑:q1=9.9 t/m;第二道内支撑: q2=53.48 t/m;第三道内支撑:q3=48.82 t/m。

2)计算模型见图6。

图6 计算模型

3)计算内力表格见表1。

表1 计算内力表

4)内支撑选用。a.第一道内支撑:支撑梁采用工字钢2Ⅰ36a，支撑杆采用φ530×9 mm螺旋焊管。b.第二、三道内支撑:支撑梁采用焊接工字钢2Ⅰ450(400×16/400×25)，支撑杆采用φ630×10 mm螺旋焊管。c.计算应力表格见表2。

表2 计算应力表 MPa

2.3.7 封底混凝土检算

1)边界条件。钢板桩位置为砂砾层，较干净，见图7。而且进行封底混凝土施工前封底混凝土段钢板桩与钢护筒潜水员用钢丝刷清理干净。封底混凝土与钢护筒、钢板桩内侧连接可似为固结。

图7 边界条件立面图

2)封底混凝土底面水压。

3)计算结果。封底混凝土最大弯拉应力σWL=20.2 t/m2= 0.202 MPa＜［σwL］=0.4 MPa(安全)。

3 结语

陡河2号特大桥陡河水库河段钢板桩设计方案是结合蓄水水位标高、河床标高、河床地质等多种因素决定的。经实践证明合理可行、极大的发挥了钢板桩围堰的优势，希望能为今后同类型桥梁基础施工提供有益借鉴。

［1］ 中铁三院工程集团有限责任公司.陡河2号特大桥设计图(B段)［Z］.2008.

［2］ 中铁三院工程集团有限责任公司.陡河2号特大桥工程地质勘察报告［R］.2007.

［3］ 孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［4］ GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.