钢板桩围堰在典型深水高桩承台中的应用

2022-05-19朱胜军孟金强

国防交通工程与技术 2022年3期

朱胜军，孟金强，刘静，张鹏

(铁道战备舟桥处，山东齐河 251100)

1 工程概况

1.1 工程简介

济莱高铁大冶水库特大桥，全长1 482.8 m，孔跨布置为45×32 m。桥梁位于直线上，跨越大冶水库处采用32 m的预制简支T梁，大桥的8～26号墩位于水中，共19个(实体墩7个，墩高18～25 m；空心墩12个，墩高25.5～29.5 m)。

水库正中的15～17号承台平面尺寸为11.8 m×8.5 m，基础为10根直径1.5 m的钻孔灌注桩，墩位处水深为15.8～16.3 m，实际覆盖层厚度5.5 m左右，覆盖层为淤泥质土、粉质粘土、中砂、粗砂等，下伏为白云岩。15～17号墩具有的工程条件如表1所示。

表1 15～17号墩工程条件 m

1.2 水文条件

本桥跨越的大冶水库，始建于 1958 年，位于济南市莱芜区大冶村北，大汶河支流方下河上，是一座防洪、灌溉、供水、养殖等综合利用的中型水库。水库面积 3.32 km2，控制流域为 163 km2，运行蓄水位 236.96 m，死水位 221.69 m，近 5 年平均最高水位为 233.03 m，施工图设计水位 233.00 m，实测水位 225.7 m。

1.3 工程地质条件

桥梁位于鲁中隆起带地区，桥区不良地质为地震液化、岩溶，特殊岩土为人工填土、软土、松软土、季节性冻土。

库区水底上覆盖层主要有淤泥质土(软塑，承载力f0=80 kPa)、松软土(软塑，f0=80 kPa)、粉质黏土(硬塑，夹层，f0=150 kPa)、粉细砂(稍密，f0=120 kPa)、中砂(稍密，f0=180 kPa)、粗砂(中密，f0=200 kPa)、细圆砾土(密实，f0=250 kPa)、粗圆砾土(密实，f0=250 kPa)等，覆盖层厚薄不均，最厚处有12 m左右，最薄处只有1～2 m。下伏层主要有灰岩(弱风化W2，f0=800 kPa，抗压强度Rc=30 MPa)、泥质灰岩(W2，f0=500 kPa，Rc=10 MPa)、含燧白云岩(W2，f0=800 kPa，Rc=32 MPa)、白云岩(W2，f0=800 kPa，Rc=20 MPa)。库底地形呈“V”字形，水底高程最低处在 15～17号墩处。

1.4 现场情况

施工现场沿平行主桥的位置已施工完连通水库南北岸的钢栈桥，每个水中墩的位置都设置有支线栈桥和钻孔平台，现场情况如图1所示。

图1 现场施工环境

2 围堰类型比选

2.1 各类围堰适用条件

各类围堰的适用条件[1]如表2所示。

表2 各类钢围堰的适用条件

2.2 现场情况分析

水库的水中墩数量众多，水中墩在钻孔桩施工完成之后，后续的承台施工非常关键，而水库区的水文和地质条件很复杂，库底覆盖层的变化较频繁，结合前期的栈桥和平台施工过程中积累的经验，大多数水中墩都可采用钢板桩围堰来配合承台施工。

从现场掌握的水文地质条件来看，15～17号墩位处水深均超过15 m，承台底与河床间距离均大于5 m，属于典型的深水高桩承台，参考表2的描述，这3个水中墩采用钢吊箱作为承台施工的临时挡水围护结构最为适宜。

钢吊箱虽然非常适合高桩承台，但具有制作复杂、施工难度大、周期长、用钢量大等显著缺点。而钢板桩围堰作为最常见的临时围护结构，具有制作简单、施工难度小、施工周期短等优点；缺点是结构强度低、适用水深小且桩底需嵌入河床一定深度方能保证围堰结构的稳定性，对于承台与河床面距离不是很大的情况(不大于10 m)，通过在堰内外回填土、浇筑水下封底砼等一些特定的技术处理措施，也可应用于高桩承台。

2.3 围堰类型的选定

大冶水库特大桥作为济莱高铁全线的控制性工程，对工期要求非常紧，同时考虑成本因素，最终确定15～17号墩同样采用钢板桩围堰施工，但需解决如下技术难题：

(1)15～17号墩位处河床覆盖层为淤泥质土、中砂、粗砂等，且高度只有1.5 m左右，对钢板桩桩底的嵌固能力较弱，围堰的结构稳定性较差。

(2)高桩承台采用钢板桩围堰时，通常会先安装一道支撑，然后将支撑的围檩与钢板桩焊接起来成为整体，这样在堰内回填土时，土体对桩体施加的外张力就可通过焊缝传递给支撑。但该围堰水面与岩面的距离为21.7 m，当堰内回填土时，如将首道支撑和桩底(假定桩底在岩面处)各视为一铰支座，钢板桩作为梁体，梁长将是20 m左右，支撑处因外张力产生的支点反力会比较大，仅靠围檩与钢板桩的焊缝传递显得偏弱。

3 钢板桩围堰设计

3.1 结构设计

15～17号墩位处的水文地质条件相似，故仅以17号墩为例进行围堰的设计计算，15、16号墩围堰与其基本一致。

17号墩围堰设计施工水位233 m，围堰尺寸按承台外扩1.0～1.4 m进行考虑，平面设计尺寸14.4 m×10.4 m，设3道内支撑，支撑间距自桩顶朝下分别为2.6 m、3.7 m、2.8 m，第3道内支撑底口距承台顶标高的间距不小于50 cm。第1道内支撑围檩采用2-I45a工字钢，第2、3道内支撑围檩采用3-45a工字钢，水平撑及斜撑均采用Φ529 mm-8 mm的螺旋钢管。围堰结构详见图2和图3。

图2 17#墩围堰立面(单位：mm)

图3 17#墩围堰内支撑平面(单位：mm)

3.2 专项设计

(1)桩底嵌入岩层1 m以上[2]。打桩时采用DZJ180型重锤，将钢板桩打入白云岩至少1 m以上，桩底嵌入岩层，在理论上可视为一个固定支座，围堰的桩底嵌固问题迎刃而解，稳定性得到保证。经现场试桩，实际入岩深度均在1～2 m之间。

(2)在河床覆盖层顶面增加一层1.5 m厚封底砼。围堰合拢后，先安装第1道支撑，再清除堰内的淤泥层，然后水下浇筑1.5 m厚的C30封底砼，在后续工况中，此层封底砼可视为一固定支座。当堰内回填土时，检算力学模型的桩长可降低至14.55 m，计算结果显示，结构各部位均满足受力要求。

通过以上的专项设计，15～17号墩承台采用钢板桩围堰施工在理论上具备了可行性。

3.3 主要工况受力分析

(1)工况一：钢板桩插打合拢，水下清淤后浇筑首次封底，堰内抽水至第1道内支撑中心以下0.55 m(河面以下0.85 m)，安装第1道内支撑，然后堰内回水至河面下0.3 m，再在围堰内回填至设计高度。此时，堰内支座为第1道内支撑和首次封底。

(2)工况二：堰内浇筑1.5 m厚度的二次封底砼，强度满足后，堰内抽水至第2道内支撑中心以下0.7 m(河面以下4.7 m)，安装第2道内支撑。此时，堰内支座为第1道内支撑和二次封底。

二次封底、首次封底、桩底两侧的岩体均可视为钢板桩的刚性支座，此部分的钢板桩两侧没有水土压力差，而钢板桩上部的水土压力差对它的影响又微乎其微，故二次封底一旦浇筑完成，这部分钢板桩即沦为冗余结构，故工况二～工况四的计算模型中不予考虑。

(3)工况三：第2道内支撑安装完成后，继续抽水至第3道内支撑中心以下0.7 m(河面以下7.5 m)，安装第3道内支撑。此时，堰内支座为第1、2道内支撑和二次封底。

(4)工况四：第3道内支撑安装完成后，围堰内水抽干，准备施工承台。此时，堰内支座为第1、2、3道内支撑和二次封底。

各工况的受力分析如图4所示。

3.4 钢板桩抗弯计算

钢板桩采用拉森Ⅳ型，材质 16Mn，按照每米宽考虑：截面惯性矩I=38 600 cm4，截面模量W=2 270 cm3，弯曲应力[σw]=250 MPa，每米宽度钢板桩能承受最大弯矩：[M]=[σw]W=567.5 kN·m。

用迈达斯建模计算后，钢板桩在工况二下产生的弯矩最大，为535.1 kN·m<[M]，满足要求。

3.5 钢板桩挠度计算

经计算工况一～工况四，钢板桩的挠度及梁长统计如表3所示，工况二时挠度最大，为71.3 mm，挠跨比1/141，钢板桩围堰为临时设施，强度为主控因素，挠度按小于1/100控制即可，故满足要求。

表3 钢围堰挠度计算结果

3.6 内支撑受力计算

按照工况一～四的受力分析，采用迈达斯建模计算，将各工况下内支撑因水土压力产生的支点反力统计如表4所示，在计算时钢板桩视为梁，内支撑视为仅受压的铰支座(支撑与钢板桩仅为贴合状态，只会传递压力)，故最小支撑反力为0。

图4 工况一～工况四受力分析(单位：mm)

表4 内支撑受力计算结果 kN

型钢工字钢、钢管等容许拉压应力按[σ]=150 kPa 计算。内支撑所受应力计算结果如图5、图6所示。

图5 第1道～第3道钢管支撑应力汇总(外力单位:kN；应力单位：kN/m2)

图6 第1道～第3道围檩应力汇总(外力单位:kN；应力单位：kN/m2)

第1道内支撑钢管的最大应力是62.2 MPa，第2、3道内支撑钢管的最大应力是112.8 MPa，均<[σ]=150 kPa，均满足要求。

第1道围檩2-I45a的最大应力是106.7 MPa，

第2道围檩3-I45a的最大应力是128.1 MPa，第3道围檩3-I45a的最大应力是120.1 MPa，均<[σ]=150 MPa，均满足受力要求。

4 施工工艺

4.1 插打钢板桩

钻孔桩施工完成后，拆除钻孔平台，保留支栈桥。

根据施工平面大小确定钢板桩围堰的平面位置，然后在钢板桩围堰的四角及其它设计位置插打定位桩，在定位桩上放置内、外导框(内导框采用第1道围檩，并安装在第1道围檩的设计位置，即水面下30 cm，外导框采用2-I36a组焊而成)用以引导和固定钢板桩围堰的平面位置。

履带吊在支栈桥上沿下游侧面的角桩处依次对称打入钢板桩直至合拢，钢板桩根部打入灰岩层的深度不少于1 m。

4.2 首次封底砼浇筑

开始进行围堰内抽水，保持水面下降0.85 m后安装第1道支撑；回灌水后将堰内的河床淤泥和覆盖层清理至标高+216.65 m，将第1道支撑围囹和钢板桩焊接；保持水面下降0.3 m后浇筑首次封底的C30混凝土，采用速凝混凝土，减小混凝土的流动对钢板桩形成侧压力，要缓慢浇筑，且不可在一个地方长时间浇筑，要分区、逐级浇筑。