李家沙特大橋主墩圍堰設計與施工

唐春陽

1 工程概況

1.1 工程概述

李家沙大橋位于廣州番禺區和佛山順德區交界的李家沙水道處，橋跨布置為(110+220+110)m三跨雙塔四索面預應力混凝土斜拉橋，全長440 m，采用平行的上下行兩幅橋，兩主梁橫向完全分離，斜拉索布置在主梁兩側成空間四索面。

主墩Z3，Z4在靠近大堤內側。Z3號、Z4號主墩共4個承臺，每個承臺設置9根φ 2.5 m樁基，樁長約45 m～50 m。承臺結構尺寸為14.2 m(長)×15.7 m(寬)×5.5 m(高)，封底混凝土厚為1 m。Z3號、Z4號主墩承臺底標高改為一致，皆為-6.00 m。

1.2 工程水文地質條件

李家沙水道規劃為國家1級航道。根據目前水位情況，最高水位2.2 m左右。水流速較緩，一般在1 m/s以內。

圍堰范圍內涉及的地質情況簡述如下:①淤泥:該層主要分布在表部，厚度3 m～7 m。呈深灰、灰黑色，呈流塑狀，飽和，該層屬高壓縮性土，力學強度低。②粉砂:Z4墩處有此層，Z3墩位處無。厚度變化大，為4 m～10 m左右，呈松散飽和狀。含淤泥質約10%～30%，部分地層含貝殼約20%～30%。容許承載力[σ0]=80 kPa，樁極限摩阻力[τi]=30 kPa。 ③全風化花崗巖:橋位處厚度3.3 m～20.5 m。黃色，紅褐色。原巖礦物已基本風化變異，巖芯呈砂土狀，稍濕，硬塑～堅硬狀，手捻易碎。該層天然狀態下力學強度較高，工程性能較好，但該層具有泡水易軟化、崩解，使強度降低的不良特性。容許承載力[σ0]=250 kPa，樁極限摩阻力[τi]=70 kPa。④強風化花崗巖，層厚不均勻，為 2 m～20.2 m。黃色、黃綠色，花斑狀，以土狀為主，手捏易散，局部夾弱風化碎塊，呈薄餅及碎塊狀，巖質稍硬。容許承載力[σ0]=500 kPa，樁極限摩阻力[τi]=120 kPa。

2 Z3號、Z4號承臺方案比選

2.1 方形鋼板樁圍堰

采用方形鋼板樁圍堰，從技術上講，比較成熟。但其內支撐較多，給承臺開挖及承臺結構施工帶來比較大的影響，特別是內支撐與模板鋼筋相互妨礙，給模板的吊裝、鋼筋的吊裝帶來很多不便，施工效率較低。

2.2 無支撐圓形拱圈支護鋼板樁圍堰

除了常規的直線形支護結構，當基坑的平面形狀較方正時，在平面上還可將支護結構布置成圓形或近似圓形，由于土體對拱圈的彈性約束，使圓拱具有更好的受力性能。另一方面，從理論上及工程實踐數據來看，作用在圓形支護結構上的主動土壓力較常規的直線形支護結構上的土壓力小，且支護結構半徑越小這種現象越顯著，即可以降低支護結構的內力和變形。從而可減少圍堰內支撐的復雜程度，為施工提供充足的工作面，提高施工效率。

李家沙大橋主墩承臺平面尺寸為14.2 m×15.7 m，比較方正，采用圓形圍堰進行承臺施工是一種理想的選擇。

3 承臺總體施工方案

主墩承臺采用φ 21.2 m圓形鋼板樁圍堰，共設4道拱圈進行支護，拱圈采用C40混凝土。第一層拱圈標高為2.0m，第二層拱圈標高為-1.0 m，第三層拱圈標高為-3.0 m，第四層拱圈標高為-5.0 m，基坑底標高-6.3 m。Z3，Z4主墩地質存在差異，其中Z3主墩覆蓋層較淺，鋼板樁底打入基坑底不小于3 m，打入全風化層不小于2 m。Z4主墩覆蓋層較厚，板樁打入基坑底不小于5 m，打入全風化層不小于1 m。

其施工步驟為:鋼板樁打設→圍堰內開挖至標高2.0 m→澆筑第一層拱圈→開挖至標高-1.0 m→澆筑第二層拱圈→開挖至標高-3.0 m→澆筑第三層拱圈→開挖至標高-5.0 m→澆筑第四層拱圈→開挖至基坑底→澆筑封底混凝土→承臺結構施工。

4 承臺分步施工

4.1 鋼板樁打設

4.1.1 鋼板樁圍堰施工要點

1)鋼板樁插打方法。采用逐片插打，逐漸糾偏，直至合龍，以及先合龍，后插打進入巖層的方法。

2)鋼板樁插打過程控制。為了確保插打位置準確，第一片鋼板樁插打是關鍵。具體方法為:在定位樁上安裝兩層導向架，在導向架上設置限位裝置，大小比鋼板樁每邊大10 mm，插打時鋼板樁背緊靠導向架，邊插打邊緩慢下放。嚴格控制好鋼板樁插打的垂直度，尤其是第一片樁要從兩個相互垂直的方向同時控制，確保其垂直度，然后以第一片鋼板樁為基準，再向兩邊對稱插打。在插打過程中，鋼板樁下端受土擠壓，鋼板樁鎖口之間縫隙較大，上端總會產生遠離第一片鋼板樁方向的傾斜。因此，每打五片鋼板樁就要用垂球吊線檢查其垂直度，確保鋼板樁垂直度控制在0.5%以內，超過此限度值時應采取措施予以糾偏。一次糾偏不能太多，以免鎖口卡住，影響下一片鋼板樁插打。當鋼板樁偏移太多時，只能采取制作異形鋼板樁的方法一次糾偏到位。每次插打完五片鋼板樁并經糾偏后，將鋼板樁點焊固定于內導向架上，減少累計偏移位移，利于圍堰合龍。在插打過程中應做到:插樁正直，分散偏差，有偏即糾，調整合龍。

4.1.2 鋼板樁圍堰合龍

1)合龍前的準備。在即將合龍時，開始測量并計算出鋼板樁底部的直線距離，再根據鋼板樁的寬度，計算出所需鋼板樁的片數，按此確定鋼板樁的下一步如何插打。2)鋼板樁的合龍采取“先合龍，后插打到位”的方法，即根據在合龍側，先將鋼板樁逐塊插打進入河床一定深度，而不直接一次性插打到位，打入深度以保證其自身穩定為度。因鋼板樁進入河床較淺，可適當調整鋼板樁的位置，合龍較容易。鋼板樁合龍后，再將其逐塊復打到設計標高。3)合龍時鋼板樁的調整處理。鋼板樁圍堰在合龍時，兩側鎖口不盡平行，可實測板樁上下間距，制作異形樁進行合龍。

4.2 圍堰內開挖、拱圈澆筑及拱圈應力監測

1)挖方。圍堰內工作面比較開闊，采用機械開挖。一個圍堰內安設兩臺小挖機，圍堰外用長臂挖掘機提升棄土。在棄土時，根據圍堰周邊地勢，有意識填到低洼處，使土壓力荷載平衡。在圍堰周邊地形較平整時，應用載重車拖走。2)拱圈澆筑。當開挖至拱圈標高時，對拱圈處進行整平，并鋪設一層砂漿墊層，整個墊層的標高需嚴格控制，保證整個拱圈在同一個平面內。拱圈的鋼筋骨架分段在加工廠整體制作，在現場焊接成型。模板采用1 m長鋼組合模板。為方便以后拱圈的拆除，在拱圈與鋼板樁接觸面涂脫模劑，鋼板樁凹槽處需用硬紙板隔離，防止水泥漿進入鋼板樁連接縫中，導致拔樁困難。拱圈采用C40混凝土，并添加早強劑，縮短等待混凝土強度時間。在拱圈混凝土強度達到80%以上時，才能進行下一步開挖。3)拱圈應力及變形監測。在拱圈施工時，拱圈中預埋應力片，對拱圈應力進行監測。一層拱圈共8個斷面內外層設置應力片，8個斷面成45°角均勻布置。同時在這8個斷面處設置變形觀測點。在拱圈混凝土達到強度后，進行土方開挖施工。土方每開挖0.5 m～1 m對拱圈的內力和變形監測一次，了解拱圈內力情況。并對數據進行對比分析，了解與理論計算偏差情況，為下一步施工起到指導作用。由于拱圈受力從第一層到第四層是逐漸變大的，但拱圈截面是同等大小的，可以根據第一層、第二層監控結果與理論值進行比較，如果監控值偏大，對第三層、第四層拱圈受力進行同比例放大，檢算拱圈承載安全性，如果超出安全范圍，可通過加大拱圈截面來增大拱圈承載力。

5 設計與施工過程中的體會

1)施工方案設計與施工現場緊密聯系:應該根據實際的地質情況和地下滲水情況確定合理的施工方案，選擇排水或不排水開挖，計算灌注封底混凝土厚度。2)荷載計算是核心:鋼板樁計算的核心內容就是基坑周圍土壓力的計算，根據實際施工需要，基坑周圍的堆載、車輛荷載、水壓力等都要考慮到計算中去，此外根據地質情況還要考慮水對基坑周圍土體的浮力作用，以保證方案的安全系數。3)鋼板樁圍堰的施工過程計算:鋼板樁圍堰的計算工況要囊括整個施工過程，對于每一個施工工況都對應著不同的受力狀況。4)內支撐的設計計算:內支撐的設計考慮到基坑開挖的方便性，合理的布置內支撐的形式，既要保證受力簡單合理，又要使得基坑開挖有足夠的操作空間。5)主墩承臺現已經順利施工完畢，由于基坑滲水情況比較理想，采用了排水開挖的方案進行基坑開挖。從總的施工過程來看，鋼板樁圍堰及內支撐是安全可靠的。由于實際的巖層埋深較淺，和設計提供的地質資料有差別，鋼板樁入土深度未達到設計要求，再者兩道支撐間的距離較大，鋼板樁自身的剛度較弱，在基坑開挖未到第二道支撐標高時(差0.5 m)鋼板樁的變形已經大于了100 mm，而內支撐的安裝都采用的是被動撐的受力方式，這導致了第二道內支撐未達到設計標高，和設計狀態差別比較大。因此，建議在施工中采用主動支撐的方式，這樣可以消除開挖過程中鋼板樁的變形，從而與設計狀態相符。

[1] 母澤友.柳河雙線特大橋鋼板樁圍堰施工工藝探究[J].山西建筑，2008，34(17):338-339.