順德水道特大橋深水鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工

蔡忠澤

(中鐵六局集團(tuán)石家莊鐵路建設(shè)有限公司，石家莊 050010)

1 概述

順德水道特大橋地處廣東佛山地區(qū)，位于順德桃村和三洲間的西海河道上，在廣珠西線公路老橋和太澳高速新橋之間，橋梁區(qū)范圍內(nèi)的水面狹窄，施工條件較差。順德水道特大橋在水中共有12個(gè)橋墩(59號(hào)墩～70號(hào)墩)，水深在7～21 m。

由于鋼板樁整體剛度大，打拔樁容易，施工速度快，且回收率高，節(jié)省成本，防水性能好，打入時(shí)穿透能力強(qiáng)。同時(shí)還特別適用于場(chǎng)地狹小、無(wú)條件做止水帷幕的工程施工[1]。鑒于順德水道特大橋處水面狹窄，且圍堰有效深度內(nèi)地層結(jié)構(gòu)為第四系全新統(tǒng)海陸交互相沖積層，土質(zhì)淤泥質(zhì)亞黏土和粉砂土，適合鋼板樁的插打。經(jīng)過(guò)綜合分析，對(duì)于順德水道特大橋水中的11個(gè)承臺(tái)和墩身施工均采用鋼板樁圍堰進(jìn)行支護(hù)，但是根據(jù)橋梁基礎(chǔ)施工的實(shí)踐來(lái)看，鋼板樁圍堰一般適用于水深20 m以下的河道，而該特大橋橋墩處的最大水深達(dá)到了20.5 m，在鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)和施工方面存在著一定的難度。

2 鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)主航道的深水處各個(gè)橋墩所在河道水深、地質(zhì)條件的分析，綜合考慮了各種類型的鋼結(jié)構(gòu)圍堰并進(jìn)行了全面比較，最后決定采用拉森型鋼板樁圍堰[2，3]。由于水深較大，在對(duì)鋼板樁圍堰受力、變形、穩(wěn)定和反涌上浮等進(jìn)行初步的分析和計(jì)算后，針對(duì)鋼板樁受力的一些薄弱環(huán)節(jié)，最終決定采用改造強(qiáng)化內(nèi)支撐體系長(zhǎng)鋼板樁圍堰，即對(duì)鋼板樁圍堰采用了框構(gòu)式內(nèi)圍囹、網(wǎng)式支撐與30 m長(zhǎng)鋼板樁相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，從而可以滿足深水20.5 m，長(zhǎng)樁(最長(zhǎng)樁長(zhǎng)度為30 m)，軟基(最深層為19 m)狀況下鋼板樁圍堰的受力、變形、穩(wěn)定性和基底反涌上浮的穩(wěn)定等方面的要求。

根據(jù)水中橋墩的布置情況，30 m深的圍堰共有9個(gè)，其中63號(hào)墩所在河道水深最大，為20.5 m，且承臺(tái)最大，篇幅所限，這里僅介紹63號(hào)橋墩圍堰的設(shè)計(jì)。圍堰采用了寬度為40 cm的拉森Ⅳ型鋼板樁，鋼板樁總長(zhǎng)度為30 m。設(shè)計(jì)時(shí)按照施工期間圍堰最高水位+3.5 m計(jì)，圍堰頂?shù)母叱倘?4.0 m。由于63號(hào)承臺(tái)的尺寸為19.2 m×16.2 m的矩形，考慮支立模板的作業(yè)空間，圍堰的平面尺寸采用了23.2 m×20.2 m的矩形結(jié)構(gòu)，封底混凝土厚度為5 m，如圖1所示。在圍堰內(nèi)自上而下共設(shè)置了4道圍囹以及內(nèi)支撐，并且在第2、3、4圍囹之間設(shè)置了12道豎向支撐和相應(yīng)的剪刀撐，從而使2、3、4層圍囹連成整體。4層圍囹的高程和截面參數(shù)如表1所示。

圖1 63號(hào)墩圍堰布置(單位:m)

表1 63號(hào)墩圍堰各圍囹的高程

2.2 鋼板樁封底厚度計(jì)算[4]

2.2.1 根據(jù)浮力計(jì)算封底厚度

作用在封底層的浮力是由封底混凝土和圍堰的自重以及圍堰在土中的摩擦阻力平衡的，當(dāng)板樁打入基坑底以下的深度不大時(shí)，從安全角度考慮，浮力主要靠封底混凝土自重平衡，即采用下式[5]

解得

式中x——封底混凝土的厚度，m;

γc——封底混凝土容重，取23 kN/m3;

γw——水容重，取 9.8 kN/m3;

h——清淤后的水深，取21.02 m;

μ——考慮未計(jì)算樁土之間摩阻力和圍堰自重的修正系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)及施工經(jīng)驗(yàn)取為0.3。

將以上參數(shù)代入公式(1)得到封底混凝土的厚度為4.8 m，由于灌注的封底混凝土肯定會(huì)具有頂層浮漿，抽水后將頂層浮漿需要鑿除，為了保證封底混凝土的質(zhì)量，這里考慮了0.2 m的儲(chǔ)備厚度，因此封底混凝土厚度取為4.8+0.2=5.0 m。

2.2.2 根據(jù)封底混凝土應(yīng)力計(jì)算封底厚度

根據(jù)建筑施工計(jì)算手冊(cè)[6]，封底混凝土的厚度宜按下式計(jì)算

式中ht——封底混凝土的厚度，m;

Mtm——在最大均布反力作用下的最大設(shè)計(jì)彎矩(kN·m)，按支承條件考慮的荷載系數(shù)可由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)查取，查表得到其值為1 568.696 kN·m;

——混凝土彎曲抗拉極限強(qiáng)度，取1.3 MPa;

封底混凝土灌注時(shí)厚度宜比計(jì)算值超過(guò)0.2～0.5 m，以便在抽水后將頂層浮漿和軟弱層鑿除，以保證質(zhì)量。所以封底混凝土厚度x取為4.28+0.2=4.48 m。

綜上所述，封底混凝土的厚度取為5.0 m滿足要求。

2.3 基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算

穩(wěn)定性計(jì)算考慮了2個(gè)方面，一是為了防止在坑底內(nèi)抽水可能引起流沙的危險(xiǎn)，二是坑底軟土的隆起計(jì)算。

對(duì)于流砂采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)算[7～9]。其原則是板樁有足夠的入土深度以增大滲流長(zhǎng)度，減小向上動(dòng)水力。由于基坑內(nèi)抽水后引起的水頭差為h＇造成的滲流，其最短滲流途徑為h1+t。h1為樁長(zhǎng)，t為封底混凝土底面到鋼板樁底部的距離，在流程t中水對(duì)土粒動(dòng)水力應(yīng)是垂直向上的，故可要求此動(dòng)水力不超過(guò)土的浮重γb，則不產(chǎn)生流沙的安全條件為

γsi——荷載安全系數(shù)，取 1.1;

γm——材料安全系數(shù)，取2.31;

b——計(jì)算寬度，取 1 m。

故封底混凝土的厚度為

式中，K為安全系數(shù)，根據(jù)建筑施工計(jì)算手冊(cè)，取1.5～2.0，這里的K取1.5;i為水力梯度，即為水的容重，取10 kN/m3，γb為土的浮容重，取 9 kN/m3。

代入公式得:K·i·γW=1.5×0.514×10=7.71＜γb=9，樁長(zhǎng)定為30 m滿足穩(wěn)定性要求，不會(huì)出現(xiàn)流沙的危險(xiǎn)。

對(duì)于較深的軟土基坑在水壓力作用下，圍堰坑底的軟土可能受擠在坑底發(fā)生隆起現(xiàn)象，根據(jù)建筑施工計(jì)算手冊(cè)，這里采用滑動(dòng)面簡(jiǎn)單方法進(jìn)行驗(yàn)算。

式中:γW為水的容重，取10 kN/m3;H為封底混凝土底部水深，即 17.715+3.5=21.215 m;α=arctan(b/h)=arctan(11.6/3)≈1.32(rad)，h為最底層內(nèi)支撐相對(duì)封底混凝土的頂高度，b為坑底長(zhǎng)度(23.2 m)一半，即為11.6 m;Su為滑動(dòng)面上不排水抗剪強(qiáng)度，取50 kPa。

2.4 鋼板樁及內(nèi)支撐的計(jì)算

根據(jù)分析，鋼板樁圍堰的最不利工況為澆筑封底混凝土后并把圍堰內(nèi)的水抽光，取此工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。圍堰結(jié)構(gòu)所受的側(cè)壓力包括以下幾個(gè)方面[7，8]:一是在河床以上范圍內(nèi)三角形荷載的靜水壓力，即Pa=ρgH1(H1為封底混凝土底面距離水面的高度);二是河床以下至封底混凝土底面以上范圍內(nèi)所受靜水壓力以及主動(dòng)土壓力之和。主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力均根據(jù)朗金土壓力理論來(lái)進(jìn)行計(jì)算[10]，主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tan2(45°－φ/2)，由于圍堰開(kāi)挖范圍內(nèi)的土質(zhì)為粉砂或淤泥質(zhì)土，偏于安全，內(nèi)摩擦角取為10°，則Ka=0.704，土的飽和容重 ρ2=9.0 kN/m3，因此主動(dòng)土壓力計(jì)算公式為:Pa=ρ2KaH2(H2為封底混凝土底面距河床底的高度)。同樣，被動(dòng)土壓力Pb=ρ2KbH2，Kb=tan2(45°+φ/2)。

計(jì)算采用有限元軟件midas civil 6.71。在建立圍堰模型的時(shí)候，鋼板樁采用板單元，根據(jù)等剛度的原則，將鋼板樁截面換算為等效的矩形板截面。其中鋼板樁采用板單元模擬，內(nèi)支撐體系與圍囹均采用梁?jiǎn)卧M，63號(hào)墩圍堰的midas計(jì)算模型如圖2所示，圍囹和支撐的構(gòu)造如圖3所示。各層圍囹的內(nèi)支撐采用了與圍囹同型號(hào)的單根工字鋼;第2、3、4層圍囹間設(shè)置的12道豎向支撐和相應(yīng)的剪刀撐、豎向支撐則都采用了單根I40a的型鋼。

圖2 63號(hào)墩計(jì)算模型

圖3 63號(hào)墩圍囹和支撐構(gòu)造

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在側(cè)向壓力的作用下，圍堰結(jié)構(gòu)的最大位移為13.8 mm，如圖4所示，滿足要求。同時(shí)計(jì)算得到鋼板樁圍堰每延米的繞水平軸最大彎矩為298.9 kN·m/m。取1片鋼板樁來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算:鋼板樁的寬度為0.4 m，查得鋼板樁邊緣斷面的模量為:W=814.8 cm3，則可以得到鋼板樁外緣的應(yīng)力為142.9 MPa，小于Q235鋼的容許應(yīng)力145 MPa。

支撐、圍囹的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示，最下面一道支撐圍囹的最大應(yīng)力達(dá)到118.6 MPa，根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，亦在Q235鋼的容許應(yīng)力范圍內(nèi)，能夠滿足要求。

圖4 結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

圖5 支撐、圍囹的應(yīng)力

3 施工難點(diǎn)及處理方法

由于鋼板樁樁長(zhǎng)高達(dá)30 m，水深也超過(guò)了20 m，因此在進(jìn)行鋼板樁圍堰施工時(shí)，存在著以下難點(diǎn):(1)超長(zhǎng)鋼板樁細(xì)軟導(dǎo)致吊裝不便，施打易彎、易扭、易變形，且由于樁底周圍土層軟弱，樁底位置不易控制;(2)深水漂浮使得鋼板樁不易定位，且難以控制垂直度，并且圍堰周邊長(zhǎng)，邊線易產(chǎn)生彎曲;(3)圍堰臨水面大，因此側(cè)壓力大使得板壁易變形，滲漏水較難控制;(4)封底難度大。一方面，混凝土體積大，澆筑難度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，厚度高達(dá)5 m，體積在1 250～2 323 m3，在布管、移管等施工方法上須采取相應(yīng)措施;另一方面由于最大水深20.5 m，水壓大，須適當(dāng)控制提管和混凝土澆筑速度;此外，基底軟弱，易產(chǎn)生底層混凝土擠淤。

針對(duì)以上問(wèn)題，在鋼板樁施工時(shí)采取了以下措施確保施工順利、安全。(1)先下圍囹后打樁，圍囹自下而上分層下放、分層安裝，這需要潛水員水下作業(yè)，安裝圍囹的同時(shí)還要在圍囹上增加導(dǎo)向點(diǎn)，這樣即可控制鋼板樁的扭曲變形和打入的垂直度以及邊線的走向，同時(shí)施工需要嚴(yán)格控制，保證鋼板樁緊貼圍囹邊插打;(2)采用超長(zhǎng)平板駁船運(yùn)輸，長(zhǎng)臂浮吊4吊點(diǎn)起吊鋼板樁，確保吊樁穩(wěn)、豎直、安全;(3)采用液壓壓樁并且采用吊壓配合，確保壓樁平穩(wěn)、下沉均勻;(4)根據(jù)本橋圍堰水下封底混凝土所具有的特點(diǎn)和難度，采取了如下施工方案:①將圍堰分為12個(gè)倉(cāng)，分倉(cāng)隔板可用廢舊模板進(jìn)行加工成片后，運(yùn)至水上施工平臺(tái)進(jìn)行拼裝，待水下挖基完成后，由潛水員下放至設(shè)計(jì)高程，并用鋼管將其與鋼護(hù)筒雙向支撐，隔板與護(hù)筒間采用[10槽鋼進(jìn)行焊接，作為隔板支撐，如圖6所示;②封底混凝土澆筑順序:先澆筑 A、E、I、D、H、L 6 個(gè)倉(cāng)的混凝土至混凝土面上升1.0～1.2 m時(shí)停止灌注，然后將料斗拆下安裝至剩下的 B、C、F、G、J、K 6 個(gè)倉(cāng)，待這6個(gè)倉(cāng)內(nèi)混凝土上升2.0～2.2 m時(shí)停止灌注，再將料斗拆下安裝至前6個(gè)隔倉(cāng)，澆筑至3.0～3.2 m高，如此循環(huán)直至所有艙內(nèi)混凝土澆筑至設(shè)計(jì)高程。

圖6 封底混凝土隔倉(cāng)平面布置

此外，當(dāng)封底混凝土完成以后對(duì)基坑抽水時(shí)，對(duì)于鎖口不密而產(chǎn)生漏水現(xiàn)象時(shí)，采用濕棉絮塞縫。對(duì)樁縫較寬的可采取麻絲根摻黃油塞縫止水，還可以采用粉煤灰、鋸木沫、膨脹水泥于圍堰外沿樁角順?biāo)鞣较蛉龇诺木C合處理辦法，以達(dá)到止水的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

順德水道特大橋30 m長(zhǎng)的鋼板樁圍堰，在國(guó)內(nèi)鋼板樁圍堰用于軟基施工中較為罕見(jiàn)，目前順德水道特大橋已經(jīng)順利完工，施工中63號(hào)墩圍堰的實(shí)測(cè)最大變形僅為12.5 mm。采用鋼板樁圍堰，降低了施工成本，且保證了施工工期，取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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