吳淞江特大橋深水圍堰設(shè)計(jì)與施工

1、吳淞江特大橋 深 水 圍 堰 設(shè) 計(jì) 與 施 2003.7 吳淞江特大橋深水圍堰設(shè)計(jì)與施工 一、吳淞江特大橋主墩簡(jiǎn)價(jià) 二、幾種方案的可行性比較 三、圍堰的組成結(jié)構(gòu) 四、圍堰受力計(jì)算 五、圍堰施工 吳淞江特大橋深水圍堰設(shè)計(jì)與施工 一、吳淞江特大橋主墩簡(jiǎn)介 吳淞江特大橋位于蘇州繞城高速公路東南段至上海段，全橋長(zhǎng)878.1米, 分上、下兩幅，主橋?yàn)?0+100+60連續(xù)變截面箱式結(jié)構(gòu)采用掛藍(lán)施工。引橋 為以30 m空心箱梁為主的先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。吳淞江航運(yùn)比較繁忙， 屬于超五級(jí)航道，規(guī)劃四級(jí)。為了使橋主跨與航道平行，保證通航寬度，該 橋與吳淞江成斜交形成角度為55。，其主橋上、下兩幅橋墩設(shè)置的

2、樁號(hào)不同， 相差近12m左右。四個(gè)主墩均位于吳淞江中，距岸邊分別30m和70m，主墩 樁基礎(chǔ)是由8根2.5m的群樁組成上接大體積砼承臺(tái)，承臺(tái)位于河床下4.0m, 水深近5.0m，屬于深水，長(zhǎng)樁施工。 吳淞江特大橋主墩編號(hào)為68號(hào)與69號(hào)，主墩都位于主河道內(nèi)，距岸邊 分別為70米和40米，上游側(cè)與便橋相臨，相距7.0米，目前水深4.0m,水 流較緩慢流速1.5m/s。江水漲落不大，在豐水期水深 5.0m,漲幅1.0m，據(jù) 統(tǒng)計(jì)沒(méi)有海水的頂拖現(xiàn)象。主墩承臺(tái)底標(biāo)高上下游不同，68號(hào)墩承臺(tái)底標(biāo)高 分別為-5.8m和-3.7m，下游幅較深。69號(hào)墩上下游承臺(tái)底標(biāo)高分別為-4.88m 與-3.97m。根據(jù)

3、設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)資料，河床地質(zhì)為粘土和亞粘土相間分層， 厚度不一，滲透力差。 二、幾種方案的可行性比較 1. 雙壁鋼圍堰 總結(jié)我國(guó)橋梁深水基礎(chǔ)施工中的各種圍堰類型，根據(jù)圍堰的特點(diǎn)可知： 雙壁鋼圍堰的剛度大，能承受向內(nèi)向外的壓力，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，也能為頂部 施工平臺(tái)提供支撐條件，但相對(duì)費(fèi)用比較昂貴，回收率不高。根據(jù)以上對(duì)主 墩地質(zhì)情況分析，10m范圍內(nèi)全部為淤泥質(zhì)粘土，標(biāo)高變更后降低，這就增 加了圍堰高度，一次投入資金比較大，根據(jù)吳淞江地理環(huán)境，航運(yùn)比較繁忙， 而且主墩臨近主航道，鋼圍堰的就位、安裝非常困難。 2. 鋼管樁鎖口圍堰 根據(jù)原我局深水基礎(chǔ)的施工總結(jié)，鋼管樁圍堰縱向剛度比較大，而且施 工中

4、也容易使鋼管下打到地層中，但鎖口封水比較難，安全系數(shù)不大。但是 由設(shè)計(jì)圖可知，承臺(tái)底標(biāo)高在淤泥下3.5m左右，鎖口在淤泥層中，不易圭寸水。 3. 鋼板樁圍堰 鋼板樁圍堰是深水基礎(chǔ)、基坑支護(hù)的很有效的，施工比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)受 力明確的一種圍堰形式。根據(jù)以上地質(zhì)情況，淤泥層較厚，水深為4.0m,采 用鋼板樁圍堰，施工中下打方便，靠鎖口于淤泥中封水比較容易，成功率大， 較以上兩種費(fèi)用低。而且吳淞江水位變化不明顯，也沒(méi)有海水的頂推，因此 向外壓力不用考慮。這也是鋼板樁圍堰與鋼套箱圍堰的差別。只是鋼板樁圍 堰同以上兩種方案比，鋼板樁剛度小，需加強(qiáng)密內(nèi)支撐。 三、圍堰的組成結(jié)構(gòu) 鋼板樁圍堰是由封底砼、內(nèi)支撐

5、、圍囹堰體、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)圖紙 提供的資料，承臺(tái)底標(biāo)高在淤泥層下 3.5m，而且淤泥質(zhì)亞粘土層深為10.3m 水深4.0m。因此設(shè)鋼板樁穿過(guò)淤泥，進(jìn)入亞砂土 4.2m進(jìn)行驗(yàn)算，內(nèi)支撐按 堰體等彎矩并結(jié)合承臺(tái)施工的實(shí)際情況分布。水流及行船浪擊堰體按動(dòng)水壓 力考慮。封底砼用1.2m厚C2Q 四、圍堰受力計(jì)算 淤泥 1.根據(jù)地理、地質(zhì)情況，對(duì)圍堰的受力情況進(jìn)行分析： （1）動(dòng)水壓力，取安全系數(shù)2。 A、圍堰受力分析 （1）圍堰施工時(shí)，捶打鋼板樁，內(nèi)外壓力相等。當(dāng)圍堰合攏 后，圍堰將水體分成內(nèi)外兩部分，外側(cè)水為流動(dòng)水，內(nèi) 側(cè)為靜水，圍堰受外側(cè)動(dòng)水壓力和浪擊壓。 （2）當(dāng)圍堰施工完成后，進(jìn)行清淤到封

6、底砼底標(biāo)高，這時(shí)圍 堰除受外側(cè)動(dòng)水浪擊壓力外，還我內(nèi)外淤泥壓力差。而 且堰體存在由內(nèi)外壓力形成的傾翻力矩作用，為施工安 全起見(jiàn)考慮圍堰合攏后第一道支撐。 （3）當(dāng)水位到第二道支撐標(biāo)高時(shí)，圍堰反支撐受力穩(wěn)定情況 （4）清淤、抽水到第三道支撐標(biāo)高時(shí)，圍堰及支撐受力穩(wěn)定 情況驗(yàn)證。 (5) 封底砼施工完成后， 等強(qiáng)度達(dá)到要求后， 進(jìn)行堰內(nèi)抽水時(shí)，堰 體的受力情況與支 撐結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算。 (6) 封底穩(wěn)定包括：水的 浮力、動(dòng)水壓力與護(hù) 筒圍堰內(nèi)側(cè)的粘結(jié)情況，砼形成板的穩(wěn)定 B、動(dòng)水壓力計(jì)算： 根據(jù)吳淞江設(shè)計(jì)資料提供的水流速度 V=1.5m/s驗(yàn)算每米鋼板村承受的力: P=K H V/2g x BX D K

7、為安全系數(shù)取2.0 H為水深 V=1.5m/s g為重力加速度9.8m/s2 B樁板寬1.0m D水的密度 2 P=2X 4X 1.5 /(9.8 x 2) x 1 x 1= 0.918t 根據(jù)圍堰設(shè)計(jì)資料及橋涵2-2-60資料，確定動(dòng)水作用集中點(diǎn)為水面下水 深1/3計(jì)算。Hc=1/3X 4.0=1.33m，即：P作用于堰體標(biāo)高為-0.1m位置處, 根據(jù)結(jié)構(gòu)在P作用下，圍堰平衡只能由打入樁一定深度的被動(dòng)土壓力完成 h2=4.0m 動(dòng)水壓力P2 h1=2.0m 亞砂土士 5m 為了施工安全起見(jiàn)，施工時(shí)采用先由平臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁加一層橫梁作 為臨時(shí)內(nèi)支撐。 C、圍堰板樁插打完成后，及時(shí)支頂最上一層內(nèi)支

8、撐，內(nèi)支撐的 材料采用80的鋼管成425X 425方格形式布置，然后再進(jìn) 行清淤，清淤結(jié)束后，驗(yàn)算由內(nèi)外形成的壓差及動(dòng)水壓力作 用時(shí)圍堰的受力情況。 計(jì)算外側(cè)主動(dòng)土村力及其作用點(diǎn)亞粘土的粘聚力5Kpa 容重=17KN/m 主動(dòng)土壓力 -5.44P2 -10.55 r 二m L2 L1 被動(dòng)土壓力支撐 內(nèi)摩擦角：粘土、亞砂土 =20 淤泥質(zhì)亞粘土： =5 容重： 3 丫 1=17KN/m 淤泥質(zhì)亞粘土 ：C=2Kpa 將外側(cè)淤泥層上的水視為當(dāng)量厚度的淤泥質(zhì)亞粘土厚 hi =hw- y 2/ 丫水=4X 10/17=2.35m 承臺(tái)的底標(biāo)高按-5.8米計(jì)，清淤底標(biāo)高按-7.3米計(jì)。內(nèi)外土層高 差4

9、.5米。 淤泥的強(qiáng)度壓力 Pp=Y i h tg 2(45- /2)-2 C tg(45- /2) 2 =丫 i h tg (45-5/2)- 2 C tg(45-5/2) = 17X (2.35+4.5)X 0.84-2 X 2X 0.916 2 =94.15KN/m Pa二丫 1 h1 Ka-2X 2X Ka1/2 =29.894KN/m2 全部主動(dòng)土壓力 Ea=1/2(29.894+94.15) X 4.5=279.1KN/m 水壓力 Ea=1/2X 10X8.5=361.2KN/m 主動(dòng)土壓力點(diǎn)離P點(diǎn)距離 yc=h/3 (a+2b)/(a+b) =4.5/3 X (94.15+2 X

10、29.89)/(94.15+29.89) =1.86m 若將以上土壓力計(jì)算時(shí)按粘土、亞砂土透水成飽 和狀態(tài)考慮，主動(dòng)土壓力應(yīng)計(jì)算其 二丫 - 丫 w浮容重: Pa=Y i h i Ka-2X cx Ka1/2 =(17-10) x 2.35 x 0.84-2 x 2x 0.916 =10.15KN/m2 2 Pb=Y i (h i+hi) tg (45-5/2)- 2 2 tg(45-5/2) =(17-10) x 6.85 x0.84-2 x 2x 0.916 =36.614KN/m 作用點(diǎn)距底： yc=h/3 (a+2b)/(a+b) =4.5/3 x (36.614+2 x 10.15)

11、/(36.314+10.15) =1.827m 計(jì)算內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力及其作用點(diǎn)： 將么層的淤泥層視為亞砂土上的均布荷載，計(jì)算亞砂土的被動(dòng)土壓力 q=(9.1-7.3)x 17=30.6KN/m 將其換算為當(dāng)量亞砂土層厚： h =q/=30.6/25=1.224m丫：亞砂土取 17KN/ni 被動(dòng)土村力強(qiáng)度： Pa =2x c x Kp1/2=2x 5x tg(45+20 /2) =10 x 1.428 = 14.428KN/m Pb=Y h Kp1/2 =17X (h1+h1) Kp+2cKp1/2 2 = 17X (4.2+1.224)X tg (45+20/2)+2 X 5X tg(45+2

12、0/2)=202.4KN/m 被動(dòng)土壓力為： Ep=1/2 丫 h2 Kp+2c- h Kp1/2 = 1/2 X 17X 5.424 X 2.04+2 X 5X 5.424 X 1.428 = 171.5KN 被動(dòng)土壓力作用點(diǎn)位置： 主動(dòng)土壓力 L3 1 P2 1 L2| P1 -5.47 -0.13 P3 A=-11.4B=+2 yc=h/3 (a+2b)/(a+b) =5.4/3 X 202+2X 14.428 /(202+14)=1.92m 根據(jù)主動(dòng)土壓力及位置，被動(dòng)土壓力及位置、 選擇鋼 動(dòng)- _ i 1.33m 主 f 5.37m / f -7.3m 動(dòng)水壓力及位置，驗(yàn)算鋼板樁的入

13、土深度， 板樁截面。 刀 Mo=E& X 1.33+E 主 X 6.7-E 被 X 10.8 =0.918 X 1.33+105.219 X 6.7-215.7 X 10.8 4.1m 11.4m -13.3m +1.2m -2.0m -2.8m -5.8m =-1612.38KN m 要求B支點(diǎn)為頂撐: L=11.4+1.2=12.6m L1=1.33m L2=5.34m L3=4.1m 求支反力2、FB 根據(jù)計(jì)算的主動(dòng)土壓力與被 動(dòng)土壓力，主動(dòng)土壓力及其作用位 置，簡(jiǎn)化受力模式如下： FA= (l i+l 2) / (l i+l 2+13)x Ea+ (l 3+12) / (l i+l 2

14、+13)x E水 =55.6KN/m FB=63KN/m M=R 3=22.79t m 鋼板樁型號(hào)的選定: 砼封底h=1.5m 當(dāng)Z=0時(shí), Pa=-3.664t/m +1.2m -2.0m 3.2t/m2 -5.8m -3.664t/m2 8 二Mmax/w 3 w=22.79t m/140Mpa=1627.8cm 查鋼板樁規(guī)格、型號(hào)，可選用德國(guó)位森II型，t =15mm b=40mrt型結(jié)構(gòu) D計(jì)算封底砼施工時(shí)，圍堰的受力計(jì)算 根據(jù)變更后的地質(zhì)情況和變更后的圖紙，確定如右圖標(biāo)的情況 D 封底砼結(jié)束后，抽水深 3.2m時(shí)，即加焊第二道支撐時(shí)，圍 堰的受力分析： 圍堰內(nèi)側(cè)抽水深為3.2米時(shí)到標(biāo)

15、高-2.0m，存在內(nèi)外水壓力差，與 外側(cè)主動(dòng)土壓力和封底混凝土承受的壓力。 水壓力：與以上的動(dòng)水壓力相等。 土壓力：外側(cè)土對(duì)圍堰產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力： 2 Pa=( 丫 Z+q) tg (45- /2)- 2c tg(45- /2) 2 =(7 X Z+0) tg (45- /2)- 2c tg(45- /2) =7X ZX 0.84-2 X2X 0.916 當(dāng) Z=4.5 時(shí)，Pb=22.796t/m 求粘著力高度： hc=(2c/ 丫 ) tg(45- /2) =4/17 X 0.916 =2.155m 內(nèi)側(cè)封底砼所受的壓力：根據(jù)上述水壓力與主動(dòng)土壓力：取1/2封底 混凝土厚度做為支點(diǎn)。 E水

16、i作用高度：標(biāo)高為-0.93m E水2作用高度：標(biāo)高為-3.52m Ea作用用高度：標(biāo)高為-5.03m R混凝土 =(2.13+2.59+1.51)/7.75 X E水2+2.13 =0.8038 X 1/2 X 22.796 X 2.155+0.609 3.2=24.85t/m 2 8 =R/A=24.85t/1m v C20 滿足要求。 驗(yàn)算嵌入土層深度 對(duì)頂支撐處取矩，水產(chǎn)生的力矩與主動(dòng)土 壓力產(chǎn)生的力矩 Mw+M=E* 1X 2.13+E 水2 X (2.59+2.13 )+Ea X (1.51+2.59+2.13) =1/2 X 3.2 X 3.2 X 2.13+1/2 X 3.2

17、X 3.8 X 4.72+1/2 X 0.116 X 0.13 X 6.23=10.91+28.7+0.05=39.66t/m 封底混凝土產(chǎn)生的力矩： .75 X 1/2 X 3.2 X 0.2748 X 1/2 X 3.2 X E水1 -0.93m E水2 -3.52m Ea -5.03m +1.2m -6.55m M砼=5.117 X 7.75=39.656t m 由于封底混凝土產(chǎn)生的力矩完全是由主動(dòng)土壓力與外側(cè)水壓力作用而產(chǎn)生, 因此“ +” “-”力矩相同。 當(dāng)封底砼結(jié)束后，第一道支撐完成時(shí)，抽水到-2.0m時(shí)，鋼板樁的受力驗(yàn)算: 由以上水壓力、主動(dòng)土壓力計(jì)算可知，鋼板樁受力如下情況：

18、 鋼板樁型號(hào)、規(guī)格選擇： 按對(duì)B點(diǎn)取矩求支反力Ra Ra=E動(dòng)水 x 1.33+E 水i x 3.46+E 水2X 6.05+Eax 7.57/9.08=25.57t Rb=9.86t Mmax=25.57X 1.51+2.262 x 1.52=42.05tm Mmax=R W W=42.05tm/160Mpa =2628cm 1.05 安全 b、封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算 封底混凝土在水壓作用下，可以視為簡(jiǎn)支單向板計(jì)算，封底層頂因下底面水 壓向上作用，產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力。 取1.0m寬一條作為研究對(duì)象。根據(jù)液體壓強(qiáng)理論，一定深度壓強(qiáng)相同。 F=q I 6 =0.0368 x 入 0( y wx 8.5-

19、 丫 ex 1.5) x 3.1 x 10 =0.0368 x 丫 x 4.75 x 3.1 /8/w=I 2 丫 wx (1.2-(-7.3)-丫 c d)/(1 x d2/6/8) =182x (1t/m =1.6798t m 2 =M/W=1.6798t m/(1 x 1.5 /6)=0.4479Mpa v 1.2Mpa 滿足要求 五、圍堰施工的整體安排 根據(jù)吳淞江特大橋合同文件中工期的要求，于2004年12月為合同工期，根 x 8.5-2.5 x 1.5)/(2.25/6/8) 2 =513t/m =5.31Mpa 1.2Mpa 考慮由于樁的間距比較小，將封底砼分切成若干片，按簡(jiǎn)支的雙

20、向板計(jì)算： lx/ly=1.0,入 0=1 2 M=0.0368入 0 x qd x 據(jù)項(xiàng)目生產(chǎn)計(jì)劃安排，要求68號(hào)主墩于2003年12月份結(jié)束水下及主墩身施 工，工期十分緊張，按圍堰正常施工工序，搭水中平臺(tái) 下護(hù)筒 布鉆 機(jī)鉆孔-樁砼施工結(jié)束-拆平臺(tái)-圍堰-第一道支撐-清淤泥到 標(biāo)高-封底（等砼強(qiáng)度）-抽水-支撐-承臺(tái)墩身施工。 為了保證業(yè)主項(xiàng)目的工期，我們將圍堰施工與鉆孔施工工序并行，至U平臺(tái)拆 除前完成圍堰的下打與第一道頂撐，平臺(tái)拆除后，清淤。 2、圍堰施工 A鋼板樁施打前，測(cè)量組放樣定位，控制圍堰長(zhǎng)、短邊的鋼板樁位置， 定出圍堰的角點(diǎn)及長(zhǎng)、短邊的是間點(diǎn)。每點(diǎn)處打兩根鋼板樁，兩相 鄰點(diǎn)的鋼板樁用槽鋼焊接， A 做為打鋼板樁的導(dǎo)向。| B、施打時(shí)先將鋼板樁逐根施I 打到穩(wěn)定