超长钢板桩围堰施工深水低桩承台技术

2010-06-12周敏

山西建筑 2010年8期

周敏

1 工程概况

广州—珠海城际轨道交通工程顺德水道特大桥全长为4027.53 m,跨越国家Ⅴ级航道——顺德水道,该水道宽 450 m,规划为Ⅲ级航道,最高水位3.684 m,施工常水位1.5 m,流速1.53 m/s,通航净宽2×60 m,通航净高10 m。主跨为44.85 m+2×75 m+44.85 m预应力混凝土连续梁,主墩 63号,64号,65号墩高22 m,承台长18.95 m,宽16.2 m,高 6.5 m,C30混凝土1632 m3,由 12根直径2 m的钻孔灌注桩组成,桩长59 m;边墩62号,66号墩高 30 m,25 m,承台长13.7 m,宽 13.7 m,高6 m,C30混凝土967 m3,由9根直径2 m的钻孔灌注桩组成,桩长44 m,62 m。根据现场实测,主跨处水深在14 m～20.5 m之间,承台底(除63号外)位于河床面以下 0 m～4 m。河床覆盖层为软塑状淤泥质亚黏土或淤泥质粉砂层,下卧淤泥层,层厚在16 m～27 m 之间,容许承载力[σ]=55 kPa～100 kPa。

2 施工方案的选择

主跨处水深在14 m～20.5 m之间,由于主桥左侧为太澳高速公路大桥(在建),右侧为碧桂路西海大桥(既有),相邻大桥桩基距本桥中心仅14 m～16 m,施工区域狭窄,大型船机不能近位作业,采用双壁钢围堰施工安装拆除实施困难。钢板桩围堰的挡水高度一般不宜超过11 m,若采用钢板桩围堰施工,必须强化钢板桩围堰的内支撑系统。通过检算采取钢围檩、水平井字撑、竖撑和封底混凝土与钢板桩相结合的形式,可满足深水长桩软基状况下钢板桩围堰的受力、变形、稳定性等方面的要求。

3 钢板桩围堰设计

3.1 钢板桩围堰结构形式

考虑到钢板桩围堰内支撑系统宽度以及工人的施工空间等因素,围堰平面布置与承台边线的距离为1.5 m,主墩 63号,64号,65号钢板桩围堰横桥向 22 m,顺桥向19.2 m;边墩 62号,66号钢板桩围堰横桥向16.7 m,顺桥向16.7 m。钢板桩选用拉森Ⅳ型,桩长30 m,顶面标高 4.0 m,桩底标高-26.0 m,入土深11 m～15.5 m。以64号墩为例,钢板桩围堰内支撑系统由钢围檩、水平井字撑、竖撑、斜撑和剪刀撑组成,共设5层。钢围檩、水平井字撑采用 2Ⅰ56a,水平斜撑采用φ 325×6 mm螺旋钢管,上下层围檩之间竖撑采用Ⅰ56a共20道,在第4层与第5层围檩的竖撑间设Ⅰ40a剪刀撑,其他各层竖撑间设Ⅰ40a斜撑。各层围檩的高程分别为+2.5 m,-0.5 m,-3.5 m,-6.0 m,-9.2 m。

3.2 钢板桩围堰结构体系强度计算分析

计算时取钢板桩围堰的顶面标高为+4.0 m,支护的最不利工况为浇筑封底混凝土后并把围堰内的水抽完,取此工况对结构进行验算。结构所受的侧面压力在河床以上的范围内为静水压力,在河床以下至封底混凝土底面以上的范围内为静水压力以及主动土压力之和。主动土压力根据朗肯土压力理论来进行计算,主动土压力系数Ka=tan2(45°-φ/2),围堰开挖范围内的土质为淤泥质亚黏土或淤泥质粉砂层,内摩擦角取10°,则:Ka=tan2(45°-10°/2)=0.704,土的饱和容重 r=9.0 kN/m3。计算采用Midas civil 6.1.1,其中钢板桩围堰采用板单元模拟,支撑与围檩采用梁单元模拟。钢板桩围堰结构体系计算结果见表1。

表1 钢板桩围堰结构体系计算结果

4 承台钢板桩围堰施工

4.1 内支撑系统拼装牛腿及下放吊架

内支撑系统的拼装在拼装牛腿进行,牛腿采用承台4个角部1号,3号,10号,12号孔桩钢护筒作支撑,在水面1.0 m以上钢护筒的纵横方向割除宽200 mm,高500 mm的4个孔洞,用于抽插Ⅰ45a,纵向、横向孔洞高低布置,以方便纵向、横向Ⅰ45a的抽插互不影响,钢围檩、水平井字撑、竖撑的安装在Ⅰ45a牛腿上进行。内支撑系统的下放采用φ 32精轧螺纹钢筋作吊杆,共设吊点12个,下放时采用150 t穿心千斤顶进行,共需千斤顶6套。千斤顶安置在钢护筒顶部2根纵向和1根横向2Ⅰ45a的两侧。

4.2 内支撑系统拼装及下放

1)钢围檩及支撑杆件的加工采用厂制和现场相结合。2)在钢护筒牛腿上安装第5层钢围檩、水平井字撑、斜撑及第4层竖撑(当河床面不影响时,第 5层竖撑也要安装,潜水工水下割除影响水平斜撑拼装的4号,6号,7号,9号钢护筒),安装φ 32精轧螺纹钢和穿心千斤顶。3)同步顶起内支撑系统10 cm,抽出钢护筒侧面的Ⅰ45a牛腿,同步下放第5层钢围檩及井字撑至设计位置。4)插入钢护筒侧面的Ⅰ45a牛腿,拼装第 4层钢围檩、井字撑、斜撑及第3层间竖撑。按照步骤3)同步下放第4层钢围檩及井字撑至设计位置。5)依次同步下放其他各层钢围檩及井字撑至设计位置,固定钢围檩于钢护筒上。6)围檩下放必须设置牢靠的导向和限位装置,确保围檩平面位置和标高的精度满足要求。竖撑、斜撑的规格、数量严格按设计要求安设,底层围檩的竖撑埋入封底混凝土的深度不小于30 cm。

4.3 钢板桩插打

1)利用钢围檩作为插打钢板桩的导向控制,先采用浮吊配合液压压桩机压桩,使30 m钢板桩平稳、均匀下沉至河床,然后采用浮吊配合振动锤打设。按照“逐片插打、垂直控制、逐渐纠偏、调整合龙”的方法进行插打施工。2)钢板桩插打次序采取从上游面短边分别向两侧开始插打,合龙口的位置选择在下游面短边处合龙。3)对钢板桩插打全过程进行记录,掌握钢板桩的垂直度、入土深度,使其符合设计要求。

4.4 水下挖基

挖基前先安排潜水工摸清基底情况,清理基底下阻碍吸泥的石块、草袋、麻绳、工具等杂物。吸泥管口距离吸泥面10 cm～50 cm,过低容易堵塞,过高吸泥效果不好,为此应经常上下左右移动吸泥机的位置。挖至最底层竖撑以下20 cm～30 cm时安排潜水工下水安装底层竖撑(螺栓连接),继续挖基至设计位置。

4.5 水下封底

采用分仓分层浇筑封底混凝土,整个围堰共分12个仓。由潜水员将分仓隔板下放至设计位置,用钢管将其固定在孔桩钢护筒上。先浇筑两侧六个仓至混凝土面上升1.0 m～1.2 m时停止灌注,将料斗拆下安装至剩下的中间六个仓,浇筑混凝土上升2.0 m～2.2 m时停止灌注,再将料斗拆下安装至前六个仓,如此循环直至所有仓内混凝土灌至设计标高。水下混凝土浇筑时预留30 cm,待围堰基坑抽水后,清理封底混凝土表面泥砂、剔除混凝土面松散部分,按设计标高用混凝土进行二次找平,并向四周顺坡,在四个角预留集水坑。