填土鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)計算及關(guān)鍵施工技術(shù)

周芷嫻，盧新宇，韋苡松

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530000; 2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著國家在交通基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的大力投入,公路建設(shè)過程中出現(xiàn)了許多跨江跨海的大跨徑橋梁。大跨徑橋梁建設(shè)往往伴隨著許多工程技術(shù)難題,水中承臺施工就是其中一道難題,由于承臺受河水或潮汐影響,故需先進(jìn)行圍堰施工,給承臺施工提供干施工條件[1]。常用的水中圍堰施工工藝有鋼板樁圍堰、鋼吊箱圍堰、沉井等,鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)因具有強(qiáng)度高、防水性能好、可重復(fù)利用等優(yōu)點廣泛應(yīng)用在建筑工程中[2]。鋼板樁圍堰施工一般在完成樁基灌注,并拆除樁基鋼平臺后進(jìn)行。對于半島半海的施工環(huán)境,如何優(yōu)化傳統(tǒng)鋼板樁圍堰施工流程,減少鋼平臺使用,提高施工效率,是項目建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

1 工程概況

廣西濱海公路龍門大橋是目前廣西規(guī)劃建設(shè)的最大跨徑橋梁,大橋主橋為主跨1 098 m懸索橋。龍門大橋東引橋上構(gòu)為等截面預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)箱梁及變截面預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)箱梁,橋墩采用花瓶式墩,墩臺采用樁基礎(chǔ)。東引橋承臺包括8.2 m×8.2 m×3.5 m,8.2 m×8.2 m×3.0 m類型,均采用一次澆筑工藝。承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。其中,68號—70號、78號、92號—93號墩柱承臺位于半海半島施工區(qū)域,受海水潮汐的影響,如圖2所示。

2 填土鋼板樁圍堰工藝概況

對于傳統(tǒng)鋼板樁圍堰,其結(jié)構(gòu)包含鋼板樁、內(nèi)圍檁兩部分,一般的施工流程為:在樁基施工階段進(jìn)行鋼平臺的安裝,隨后進(jìn)行樁基施工。在樁基施工完成后,進(jìn)行樁基施工階段的鋼平臺拆除。完成鋼平臺的拆除后方可進(jìn)行鋼板樁圍堰的插打,并進(jìn)行后續(xù)的圍堰內(nèi)土體開挖及內(nèi)圍檁安裝,在開挖至設(shè)計標(biāo)高后進(jìn)行封底混凝土澆筑,隨后進(jìn)行承臺鋼筋安裝及混凝土施工。

對于填土鋼板樁圍堰,其結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)鋼板樁圍堰相似,較傳統(tǒng)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu),填土鋼板樁圍堰新增外圍檁結(jié)構(gòu),以抵抗回填后圍堰內(nèi)的土體壓力。填土鋼板樁圍堰整體施工流程為:在樁基施工前完成鋼板樁插打與外圍檁的安裝,隨后向圍堰內(nèi)填土形成樁基施工平臺,進(jìn)行樁基施工。在樁基施工完成后,對填土鋼板樁圍堰內(nèi)的土體進(jìn)行開挖并安裝內(nèi)圍檁,便可轉(zhuǎn)入傳統(tǒng)鋼板樁圍堰的施工步驟,進(jìn)行封底及后續(xù)承臺施工。

填土鋼板樁圍堰的特點就是利用半海半島的現(xiàn)場施工條件,向圍堰內(nèi)進(jìn)行填土,為樁基施工提供陸上施工環(huán)境,無須另行搭設(shè)樁基施工的鋼平臺,施工成本效益顯著。完成樁基施工的填土鋼板樁圍堰僅需挖除填土及安裝內(nèi)圍檁兩步即可轉(zhuǎn)入傳統(tǒng)鋼板樁圍堰施工流程,無須進(jìn)行鋼平臺拆除,施工流程得到簡化,施工周期大幅縮減。

在施工工藝方面,與傳統(tǒng)搭設(shè)鋼平臺進(jìn)行樁基施工,再拆除鋼平臺施工鋼板樁圍堰的承臺施工工藝相比,填土鋼板樁圍堰省去搭設(shè)及拆除鋼平臺的過程,減少大量施工環(huán)節(jié),顯著提高施工效率。

在施工成本方面,填土鋼板樁圍堰完全取代樁基施工的鋼平臺。對于本項目,單處樁基鋼平臺設(shè)計重量約150 t,而填土鋼板樁圍堰的使用,能節(jié)省鋼平臺的用鋼量,提高了材料的利用效率,降低了施工中非必要的投入。

在工藝適應(yīng)性和環(huán)保方面,填土鋼板樁圍堰工藝地形地貌適應(yīng)性好,占地空間小。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)平臺工藝處理類似海島交界處地形地貌處,需搭設(shè)混凝土橋臺、開挖土體,方可適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸,此類條件下無法避免地破壞周遭地形、污染海域;而填土鋼板樁圍堰對圍堰以外地形地貌影響極小,于半島半海條件下能更好地保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境。

在施工質(zhì)量方面,填土鋼板樁圍堰內(nèi)回填土體經(jīng)樁基礎(chǔ)施工階段壓實后,細(xì)微的土顆粒填充至圍堰底的地層間隙中,避免圍堰內(nèi)滲水,底層1 m～2 m的帶片石的壓實土體可代替部分圍堰封底混凝土,降低施工中的安全及質(zhì)量風(fēng)險。不同鋼板樁圍堰施工工藝對比見表1。

表1 不同鋼板樁圍堰施工工藝對比

3 填土鋼板樁結(jié)構(gòu)計算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

針對依托項目68號—70號、78號、92號—93號墩柱承臺的半海半島施工環(huán)境,承臺施工采用填土鋼板樁圍堰施工。填土鋼板樁圍堰的尺寸為:11.8 m×11.8 m(長×寬),根據(jù)地質(zhì)水文以及承臺標(biāo)高等情況設(shè)置一層或兩層圍檁,采用分層設(shè)計圍檁,第一層內(nèi)外圍檁采用雙拼HN500×200×10/16型鋼,其余內(nèi)外圍檁采用三拼HN500×200×10/16型鋼,鋼板樁采用拉森鋼板樁SP-IVw,鋼材材質(zhì)為Q290[3]。填土鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 有限元模型建立

通過Midas Civil有限元軟件對龍門大橋填土鋼板樁圍堰進(jìn)行建模分析計算,鋼板樁采用板單元建模,內(nèi)圍檁、外圍檁等采用梁單元進(jìn)行模擬,拉桿采用桁架連接;拉桿采用SPB830型號的φ32精軋螺紋鋼,鋼板樁采用Q295鋼材,圍檁采用Q235鋼材。各材料應(yīng)力及變形容許值見表2。

表2 主要材料容許應(yīng)力值及變形容許值

采用容許應(yīng)力法進(jìn)行計算,各工況下各項荷載組合系數(shù)均為1.0,驗算在各個工況荷載組合下的各項材料承載力及變形是否滿足要求。

鋼板樁圍堰主要荷載為結(jié)構(gòu)自重荷載、鉆機(jī)荷載、水流荷載、土壓力荷載、罐車荷載。荷載加載如圖4所示,有限元計算模型如圖5所示。

3.3 荷載工況

填土鋼板樁圍堰施工主要分為以下七個階段:鋼板樁插打、圍堰內(nèi)填土及外圍檁安裝、樁基施工、外圍檁拆除、安裝第二道內(nèi)圍檁前、安裝第二道內(nèi)圍檁、封底混凝土施工。在模型建立時,將各個結(jié)構(gòu)、邊界、荷載劃分為組,按施工荷載工況相應(yīng)進(jìn)行激活。

3.4 計算結(jié)果

對填土鋼板樁圍堰施工各個施工階段進(jìn)行受力分析,驗算其強(qiáng)度及剛度是否滿足要求,其驗算結(jié)果如表3所示。從驗算結(jié)果可看出,填土鋼板樁圍堰在施工的各個階段,鋼板樁及內(nèi)外圍檁的應(yīng)力均小于容許應(yīng)力,強(qiáng)度滿足要求,鋼板樁的變形滿足使用要求,填土鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的。

4 填土鋼板樁圍堰關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 總體工藝流程

填土鋼板樁圍堰總體施工流程為[4]:鋼板樁插打→安裝外圍檁及拉桿→圍堰內(nèi)填土→樁基施工→下挖土體及外圍檁拆除→安拆第二道內(nèi)外圍檁→封底混凝土施工→承臺鋼筋混凝土施工→鋼圍堰拆除。

4.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

1)鋼板樁插打。采用靜壓植樁機(jī)、打板機(jī)等設(shè)備,于承臺周邊按設(shè)計位置打設(shè)鋼板樁。先利用振動錘施工幾根鋼板樁提供靜壓植樁機(jī)作業(yè)平臺,然后將反力重塊放置于反作用力基座的兩側(cè),利用其總的重量作為反力壓入第1根樁。之后每次完成壓入作業(yè)之后,使螺旋鉆靜壓植樁機(jī)自走前移依次抓住植入的完成樁,當(dāng)機(jī)身完全移到初期反力樁上后,撤除反力重塊與反作用力基座完成初期壓入[5]。之后按將插打好的鋼板樁拔出阻力作為反力,利用靜載荷將下一根樁壓入地面的“壓入機(jī)理”進(jìn)行后續(xù)鋼板樁插打。

2)安裝外圍檁與拉桿。鋼板樁插打完畢后,為增加圍堰在樁基施工時的穩(wěn)定性,抵抗退潮后的側(cè)向土壓力,在上口設(shè)置一道對拉桿,鋼板樁外側(cè)使用雙拼28b工字鋼做外圍檁和使用φ32的螺紋鋼筋做拉桿,對拉桿設(shè)置時需注意預(yù)留出樁基位置與間距。外圍檁安裝完成后現(xiàn)場圖如圖6所示。

3)圍堰內(nèi)填土。使用長臂挖掘機(jī)對做好外支撐的圍堰進(jìn)行填土,內(nèi)填土主要有兩種用途:第一,內(nèi)填土用于對抗外部潮汐荷載;第二,內(nèi)填土承受沖擊鉆自身荷載與混凝土罐車荷載。向鋼板樁內(nèi)的填土,優(yōu)先采用強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化巖層破碎后的小粒徑片石與砂性土混合形成的混合土。

4)樁基施工。樁基施工前,測量人員進(jìn)行實地測量,確定樁基中心位置。利用平整后的內(nèi)填土體作為施工平臺,放置沖擊鉆開始鉆孔作業(yè)。樁基施工期間定時對填土沉降進(jìn)行觀測,以防內(nèi)填土受壓變形導(dǎo)致沖擊鉆側(cè)翻,成孔后按正常樁基施工進(jìn)行澆筑作業(yè)。

5)下挖土體及外圍檁拆除。樁基施工完成后,進(jìn)行圍堰內(nèi)土體開挖,利用長臂挖掘機(jī)進(jìn)行土體下挖。在土體開挖過程,鋼圍堰的內(nèi)支撐力會隨著土體標(biāo)高的降低而減弱,可能導(dǎo)致內(nèi)外支撐力不平衡。因此,在圍堰上部利用雙拼槽鋼與正反牛腿的組合安裝一道內(nèi)圍檁,并拆除第一道外圍檁。

6)安拆第二道內(nèi)外圍檁。繼續(xù)下挖土體到第二道外圍檁,此時,拆除外圍檁與拉桿。繼續(xù)開挖到第二道內(nèi)圍檁位置后建立內(nèi)圍檁。當(dāng)內(nèi)圍檁搭設(shè)完畢,此時的圍堰已達(dá)到承臺施工要求,繼續(xù)開挖到樁頂標(biāo)高即可。

7)封底混凝土施工。在開挖至樁頂標(biāo)高后,在圍堰內(nèi)澆筑封底混凝土墊層,抽除多余積水,轉(zhuǎn)換為普通承臺鋼板樁圍堰干法施工,從而繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)破樁頭與承臺施工。

5 結(jié)語

文章以廣西龍門大橋東引橋半海半島區(qū)域承臺施工為例,介紹了更適用于現(xiàn)場的填土鋼板樁圍堰施工工藝,對比分析了填土鋼板樁圍堰在施工工藝、施工質(zhì)量、施工成本、工藝適應(yīng)性及環(huán)保效益等方面相對傳統(tǒng)鋼板樁圍堰工藝的優(yōu)勢。通過不同施工階段荷載組合下的有限元模擬計算,驗證填土鋼板樁圍堰的強(qiáng)度及剛度等指標(biāo)均滿足要求。文章最后簡述了填土鋼板樁圍堰的總體工藝流程以及關(guān)鍵施工技術(shù)。

目前,該施工工藝在龍門大橋東引橋半海半島區(qū)域承臺施工中成功應(yīng)用,相關(guān)施工區(qū)域的承臺均已施工完畢,顯著提高施工效率,縮短工期,并大幅節(jié)約施工成本,環(huán)保效益明顯,施工效果良好。