京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)-東合南巖土_圖文

1、#橋 梁# 收稿日期:2009-11-02;修回日期:2010-01-22作者簡(jiǎn)介:景兆德(1978,男,工程師,2000年畢業(yè)于北京交通大學(xué)土木工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士。京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)景兆德1,2(11中鐵一局集團(tuán)有限公司,西安 710054;21北京交通大學(xué),北京 100044摘 要:在黃河中下游橋梁基礎(chǔ)施工中,針對(duì)黃河特殊的水文地質(zhì)條件,黃河主河道擋水支護(hù)圍堰和灘地承臺(tái)基坑開(kāi)挖的擋土支護(hù)是橋梁基礎(chǔ)施工最重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu),是基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵。結(jié)合京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋主橋基礎(chǔ)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工,對(duì)黃河下游水中和淺灘橋梁基礎(chǔ)鋼板樁圍堰如何結(jié)合水文、地質(zhì)條件合理進(jìn)行

2、方案比選,對(duì)鋼板樁圍堰的施工設(shè)計(jì)驗(yàn)算以及對(duì)鋼板樁圍堰施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)敘述,對(duì)施工中采取的一些簡(jiǎn)單有效的工藝措施做了說(shuō)明。關(guān)鍵詞:京滬高速鐵路;黃河大橋;鋼板樁圍堰;設(shè)計(jì)與施工中圖分類號(hào):U 238;U 443116+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004-2954(201004-0047-041 工程簡(jiǎn)介京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋總長(zhǎng)51143km,主橋?yàn)?112+3168+112m 下承式等高度連續(xù)鋼桁梁(圖1,在中跨設(shè)置加勁拱,桁高16m ,桁寬30m,節(jié)間1410m 。主橋墩為05號(hào),其中1、2、3、4號(hào)墩各采用28根215m 鉆孔灌注樁,承臺(tái)厚度610m,平面尺寸4215m 2313m

3、。0、5號(hào)墩各采用21根210m 鉆孔灌注樁,承臺(tái)厚度415m,平面尺寸3416m 1318m 。承臺(tái)混凝土為C45。主橋1、2號(hào)墩承臺(tái)位于主河道(常年有水,其他承臺(tái)位于南岸灘地淺灘區(qū)。0號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+33m (地面高程+33150m 、1號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27m 、2號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27m 、3號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27m (地面高程+30114m 、4號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+27m (地面高程+29191m 、5號(hào)墩承臺(tái)頂面高程+30m (地面高程+30192m 。圖1 濟(jì)南黃河大橋主橋布置(單位:c m 主橋橋址處河道河流平均流速2107m /s ,黃河枯水期僅主河槽有水,設(shè)計(jì)施工洪水位30

4、15m,河床高程枯水期為+24m 左右,汛期河床高程為+22+17m 。2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)211 設(shè)計(jì)思路根據(jù)地質(zhì)詳勘資料,黃河大橋主橋3、4、5號(hào)墩地處黃河南岸河漫灘,地表以下19m 范圍均為富含水的粉土和粉砂層,在其下厚約2m 范圍(高程約+9+11m 有一個(gè)硬塑狀黏土層,分布比較完整且均勻。主橋1、2號(hào)墩位于黃河主河道,河床高程+1724m ,表層覆蓋層主要是松散的粉砂,在+9+11m 有一個(gè)厚約2m 硬塑狀黏土層。厚約2m 的硬塑狀黏土層在鋼護(hù)筒施打和鉆孔樁施工過(guò)程均得到了確認(rèn),取出的土樣為黏性非常大的硬塑狀黏土塊。根據(jù)詳細(xì)的施工調(diào)查,確定了主橋1、2、3、4號(hào)墩承臺(tái)施工采用鋼板樁圍堰

5、方案,0、5號(hào)墩承臺(tái)由于開(kāi)挖深度較淺,采用明挖法開(kāi)挖基坑、過(guò)程防護(hù)。212 方案比選21211 方案一(長(zhǎng)鋼板樁方案主橋基礎(chǔ)鋼板樁圍堰平面為矩形,其內(nèi)口尺寸為4615m 2813m ,鋼板樁單根長(zhǎng)24m 。水中1、2號(hào)墩鋼板樁圍堰底口高程為+710m,頂面高程為+31m (承臺(tái)頂面高程+27m,洪水位高程+3015m ,灘地3、4號(hào)墩鋼板樁圍堰底口高程為+615m ,頂面高程為+3015m 。鋼板樁圍堰采用德國(guó)拉森型鋼板樁,由單層鋼板樁和3層由鋼管和型鋼組成的內(nèi)撐梁組成,鋼板樁內(nèi)支撐圈#橋 梁#景兆德京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)梁為I56組合結(jié)構(gòu),內(nèi)支撐為630mm 鋼管。

6、岸上鋼板樁圍堰采用50t 履帶吊配合液壓振動(dòng)錘施工、水中鋼板樁圍堰采用水中平臺(tái)40t 龍門(mén)吊機(jī)、20t 浮吊配合液壓振動(dòng)錘施工。岸上圍堰內(nèi)開(kāi)挖清淤采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)開(kāi)挖和高壓射水吸泥法配合進(jìn)行,水中圍堰內(nèi)清淤采用高壓射水吸泥法?？紤]到鋼板樁下口深入到+9+11m 硬塑狀黏土層以下,鋼板樁圍堰內(nèi)在清淤完成后可以不進(jìn)行水下封底,而是直接抽干圍堰內(nèi)的水,再澆筑20c m 厚混凝土墊層,然后割除鋼護(hù)筒、鑿除樁頭,進(jìn)行承臺(tái)施工。方案優(yōu)點(diǎn):鋼板樁圍堰不封底,降低了大面積封底混凝土施工的風(fēng)險(xiǎn)和施工投入,減少了圍堰清淤深度,節(jié)約了大量的封底混凝土。同時(shí)圍堰內(nèi)開(kāi)挖、清淤、混凝土墊層施工均在干處進(jìn)行,提高了施工效率,

7、加快了施工進(jìn)度。方案缺點(diǎn):鋼板樁長(zhǎng)度增加了6m ,增加了鋼板樁的投入。21212 方案二(短鋼板樁方案 采用長(zhǎng)18m 的鋼板樁,其他同方案一?？紤]到鋼板樁圍堰位于較為松散的粉砂層內(nèi),鋼板樁圍堰內(nèi)在清淤完成后要進(jìn)行水下封底,封底混凝土強(qiáng)度滿足后抽干圍堰內(nèi)的水,割除鋼護(hù)筒、鑿除樁頭,進(jìn)行承臺(tái)施工。方案優(yōu)點(diǎn):鋼板樁減少了6m ,降低了鋼板樁的投入。方案缺點(diǎn):要進(jìn)行水下混凝土封底,增加了圍堰內(nèi)水中開(kāi)挖和清淤的施工難度,降低了施工效率。大面積、大方量封底混凝土施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)很高,大量的封底混凝土增加施工的不確定性和施工成本。21213 方案選用經(jīng)過(guò)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和方案比選,確定采用方案一。從施工技術(shù)和

8、安全可靠性方面考慮,如果按照方案一施工不能抽干圍堰內(nèi)的水,還可以按照方案二施工,不存在太大的風(fēng)險(xiǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,方案一施工成本較方案二要低很多,成功實(shí)施就意味著大量的成本節(jié)約。213 水中鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)驗(yàn)算水中1、2號(hào)墩鋼板樁圍堰平面為矩形,其內(nèi)口尺寸為4615m 2813m,鋼板樁單根長(zhǎng)24m 。鋼板樁圍堰底口高程為+710m,頂面高程為+31m 。如圖2、圖3所示。鋼板樁施打完成后,安裝第1層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu),然后抽水吸泥至第2層內(nèi)支撐以下50c m 后安裝第2層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu),繼續(xù)抽水吸泥至第3層內(nèi)支撐以下50c m 后安裝第3層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu),內(nèi)支撐體系安裝完成后抽水吸泥至承臺(tái)底面以下20c m

9、,澆筑混凝土墊層后進(jìn)行承臺(tái)施工。圖2 鋼板樁圍堰立面(單位:cm 圖3 鋼板樁圍堰平面(單位:cm景兆德京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)#橋 梁#21311 設(shè)計(jì)參數(shù)(1主河道內(nèi)主要為軟塑的粉質(zhì)黏土、黏土,土體力學(xué)性能如下。土體容重r =1815kN /m 3,土粒容重r 1=16197k N /m 3,土體內(nèi)摩擦角U =20b ,土體總應(yīng)力黏結(jié)力C u =12116kPa 。(2鋼板樁力學(xué)性能鋼板樁采用型拉森樁,質(zhì)量75kg /m,每1m 寬截面模量W =2037c m 3,允許應(yīng)力為R =210M Pa 。(3型鋼力學(xué)性能R =145M Pa ,S =85M Pa 。213

10、12 圍堰基底設(shè)計(jì)驗(yàn)算(1抗基底翻起計(jì)算基底開(kāi)挖較深時(shí),當(dāng)鋼板樁背后的土柱重力超過(guò)基底底面以下地基土的承載力時(shí),地基的平衡狀態(tài)受到破壞,在軟基條件可能發(fā)生基底翻起。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工鋼管樁、鋼護(hù)筒施打以及鉆孔過(guò)程中取樣驗(yàn)證,在鋼板樁下口深入到+9+11m 硬塑狀黏土層,非常堅(jiān)硬且不透水,考慮其作用,基底土體是穩(wěn)定的。(2基底土體管涌(穩(wěn)定性檢算如圖4所示,鋼板樁圍堰內(nèi)抽水后水頭差為h,由此引起的水滲流,其最短流程為緊靠板樁的(h 1+t+t,故在此流程中,水對(duì)土粒滲透的力,其方向應(yīng)是垂直向上。現(xiàn)近似地以此流程的滲流來(lái)檢算坑底的涌沙問(wèn)題,要求垂直向上的滲透力不超過(guò)土在水中的密度,故安全條件如公式所示K

11、 s i Q w Q b式中 K s 安全系數(shù),取114;i 流梯度,i =堰外水位-堰內(nèi)水位最短水流流程;Q w 水的容重;Q b 水的浮容重。圖4 鋼板樁圍堰抗?jié)B流示意由K s i Q w =1143015-2018(312+t+t101697,推出鋼板樁不發(fā)生管涌的最小入土深度t 812m 。圍堰鋼板樁實(shí)際入土深度為1318m 。計(jì)算得安全系數(shù)K s =2121,所以不會(huì)發(fā)生涌沙。21313 鋼板樁、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算通過(guò)計(jì)算確定鋼板樁圍堰內(nèi)支撐采用3層并確定間距,對(duì)鋼板樁及圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)按照計(jì)算模型分工況分別計(jì)算后滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求,計(jì)算略。在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系中增加了豎向和水平聯(lián)結(jié),增加了

12、整體穩(wěn)定性。214 灘地鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)驗(yàn)算灘地鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)和水中鋼板樁圍堰類似,按照水中鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算均能滿足要求,驗(yàn)算略。3 鋼板樁圍堰施工311 水中鋼板樁圍堰施工主橋水中墩鉆孔樁施工完成后,拆除鋼板樁頂部范圍內(nèi)的鋼平臺(tái),給鋼板樁打設(shè)留出作業(yè)空間,平臺(tái)剩余部分可作為鋼板樁臨時(shí)存放場(chǎng)地。鋼板樁施打采用履帶吊或平臺(tái)上的龍門(mén)吊配合液壓振動(dòng)錘進(jìn)行。一邊打設(shè)一邊拆除平臺(tái)。鋼板樁圍堰施工工藝流程如下:鉆孔樁施工完畢,拆除圍堰范圍內(nèi)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)y 鋼板樁進(jìn)場(chǎng)、校正、檢驗(yàn)、施工準(zhǔn)備、機(jī)械進(jìn)場(chǎng)y 鋼板樁定位y 插打鋼板樁y 圍堰合龍、相鄰鋼板樁之間進(jìn)行點(diǎn)焊連接y 圍堰內(nèi)清淤y 安裝第1層內(nèi)支撐y 安

13、裝第2層內(nèi)支撐y 安裝第3層內(nèi)支撐y 清淤至設(shè)計(jì)高程封底混凝土施工y 準(zhǔn)備承臺(tái)施工。31111 施工準(zhǔn)備鋼板樁運(yùn)到工地后,需進(jìn)行整理。清除鎖口內(nèi)雜物,對(duì)于檢查出來(lái)的缺陷部位須校正后再用標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁進(jìn)行檢查直到合格。對(duì)于樁身殘缺、不整齊等都要做全面的檢查,并采取相應(yīng)措施,以確保正常使用。施工前鋼板樁應(yīng)進(jìn)行鎖口潤(rùn)滑及并進(jìn)行防滲處理。31112 鋼板樁的插打插打工作從上游開(kāi)始,在下游合龍,減小了黃河水流沖刷的影響。首先在原有鉆孔鋼護(hù)筒上焊接牛腿,借助牛腿制作導(dǎo)向架,這樣既保證了鋼板樁在水中定位準(zhǔn)確,打設(shè)順直,同時(shí)節(jié)省了制作導(dǎo)向架的成本,節(jié)約了工期。平臺(tái)外圍不利于起吊設(shè)備作業(yè),所以鋼板樁打設(shè)在平臺(tái)上進(jìn)行

14、。打設(shè)時(shí)平臺(tái)少部分拆除,利用平臺(tái)龍門(mén)吊機(jī)與履帶吊機(jī)相互配合進(jìn)行。3111211 鋼板樁傾斜預(yù)防措施插打鋼板樁前,除在鎖口內(nèi)涂以潤(rùn)滑油以減少鎖口的摩阻力外,同時(shí)在未插套的鎖口下端打入鐵楔或硬木楔,防止沉入時(shí)泥沙堵塞鎖口。設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)糾正鋼板樁的傾斜。3111212 鋼板樁鎖口漏水預(yù)防措施鋼板樁由于插打不當(dāng)致使鎖口發(fā)生變形,出現(xiàn)滲透。其補(bǔ)救措施是在漏水鎖口處的圍堰外側(cè)采用細(xì)砂#橋梁#景兆德京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)和鋸末的混合物堵塞漏水。由于水的側(cè)壓力,會(huì)促使鋸末堵住漏水。3111213導(dǎo)向圍囹的安裝措施為防止圍堰的變形,要求將導(dǎo)向工字鋼圍囹與鋼板樁之間的間隙全部用型鋼焊接支

15、撐連接,圍堰的4個(gè)角進(jìn)行加強(qiáng)。3111214反向牛腿安裝為防止鋼板樁受力過(guò)大后產(chǎn)生上拱,帶動(dòng)圍囹朝上滑移,在導(dǎo)向工字鋼圍囹上側(cè)設(shè)置反向牛腿加以固定。3111215鋼板樁的合龍鋼板樁圍堰在合龍時(shí),兩側(cè)鎖口往往不盡平行,可在鋼板樁頂端使用千斤頂互頂或采用倒鏈向外側(cè)張拉調(diào)整至所需間距,然后施打合龍鋼板樁。實(shí)際施工中由于水流影響或其他原因,采用上述措施鋼板樁仍無(wú)法合龍時(shí),可以制作異形鋼板樁進(jìn)行合龍。主橋1、2、3、4四個(gè)鋼板樁圍堰施工中采取了有效的措施,在合龍時(shí)都能利用倒鏈和千斤頂順利調(diào)整到位,沒(méi)有采用異性鋼板樁就成功進(jìn)行了合龍。主要措施:一是在鋼板樁施打前對(duì)每個(gè)鋼板樁進(jìn)行檢查和矯正,確保每個(gè)鋼板樁順

16、直無(wú)變形;二是在施打過(guò)程中在導(dǎo)向架上安裝有縱橫向雙向固定和調(diào)節(jié)卡具,保證每個(gè)鋼板樁在施打完成后都保持豎直且位置基本準(zhǔn)確;三是在鋼板樁圍堰合龍口還剩余十多根鋼板樁時(shí),在每根鋼板樁施打前后都測(cè)量合龍口兩側(cè)鋼板樁的間距并和理論間距比較,適時(shí)進(jìn)行調(diào)整,直至最后一根鋼板樁,確保了合龍尺寸。31113圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)安裝1、2號(hào)主墩圍堰施工時(shí)水位較低,第1道內(nèi)支撐在鋼板樁施打時(shí)作為導(dǎo)向圍囹同步進(jìn)行了安裝,安裝完第1道圍囹后需要及時(shí)清淤吸泥,到達(dá)一定高程后安裝第2道內(nèi)支撐。待第2道內(nèi)支撐安裝完成后繼續(xù)清淤吸泥,然后安裝第3道內(nèi)圍囹及內(nèi)支撐,并同步安裝所有支撐間的豎向、橫向聯(lián)結(jié)系。水中鋼板樁圍堰內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)汽

17、車從加工場(chǎng)運(yùn)輸至平臺(tái)側(cè)的棧橋上,利用龍門(mén)吊機(jī)安裝到位。31114圍堰內(nèi)吸泥清淤根據(jù)鋼板樁圍堰內(nèi)土層的特點(diǎn),圍堰內(nèi)清淤工作采用高壓水槍配合吸泥機(jī)進(jìn)行。水中鋼板樁圍堰高壓射水吸泥均在干處進(jìn)行,隨著圍堰內(nèi)土體的不斷清理,鋼板樁圍堰四周接縫有局部滲水,通過(guò)在外側(cè)拋灑砂和鋸末的拌和物都能基本封堵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)吸泥過(guò)程的觀測(cè),從吸泥開(kāi)始到結(jié)束,隨著圍堰內(nèi)土體面不斷下降,從圍堰底面滲流的水不斷增多,但土體很穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)分析,確定+9+11m硬塑狀黏土層起到了關(guān)鍵作用,方案和預(yù)想的非常吻合,實(shí)施很成功。而圍堰底面滲流的水可以斷定是圍堰外2m硬塑狀黏土層以上透水粉砂層經(jīng)鋼板樁間縫隙滲入圍堰內(nèi)。每個(gè)圍堰內(nèi)約有4500

18、m3粉砂土體,按照一個(gè)圍堰內(nèi)34臺(tái)吸泥機(jī),6把高壓水槍,20個(gè)操作人員的配置,水中1號(hào)墩累計(jì)經(jīng)過(guò)11d全部吸泥清淤至設(shè)計(jì)位置,2號(hào)墩累計(jì)經(jīng)過(guò)9d全部吸泥清淤到設(shè)計(jì)位置,為承臺(tái)的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。31115圍堰基底墊層施工鋼板樁圍堰內(nèi)吸泥清淤至設(shè)計(jì)高程后,在圍堰4個(gè)角埋設(shè)4個(gè)鋼管積水井,利用汽車泵澆筑20c m厚混凝土墊層。312灘地鋼板樁圍堰施工灘地3、4號(hào)墩鋼板樁圍堰施工條件較水中好,采用50t履帶吊進(jìn)行鋼板樁施打,施工過(guò)程和水中1、2號(hào)墩類似。高壓射水吸泥還是在干處進(jìn)行,沒(méi)有進(jìn)行水下混凝土封底施工,整個(gè)施工過(guò)程比水中效果還好,按照方案順利實(shí)施。4結(jié)語(yǔ)黃河大橋主橋鋼板樁圍堰平面尺寸超大、圍堰很深,在國(guó)內(nèi)鋼板樁圍堰施工中罕見(jiàn),設(shè)計(jì)施工中采取了加長(zhǎng)鋼板樁入土深度,在每個(gè)內(nèi)支撐端部增加八字形撐架,豎向每層撐間增加空間桁架,每層內(nèi)支撐與鋼板樁間設(shè)上下限位牛腿等許多有力措施,整體穩(wěn)定性得到了保障。方案合理利用粉砂層中2m厚硬塑性黏土不透水夾層,將鋼板樁深入夾層以下,在工藝上取消了水下吸泥清淤和水下混凝土封底,消除了水下封底施工的難度和風(fēng)險(xiǎn),減小了施工中的不確定性,降低了施工成本,節(jié)約了施工工期。京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋主體工程已基本完成,工程實(shí)踐證明,在黃河下游和類似地質(zhì)地區(qū)水中