水中墩深基坑鋼板樁圍堰設(shè)計與施工

水中墩深基坑鋼板樁圍堰設(shè)計與施工劉進(jìn)敏齊雄（中國水利水電第四工程局有限公司）【摘要】文章通過對寧杭鐵路客運(yùn)專線徐舍特大橋跨鐘張運(yùn)河連續(xù)梁415#、416#主墩鋼板樁圍堰施工的論述，介紹了跨河橋梁水中墩深基坑鋼板樁圍堰設(shè)計、圍囹安裝、鋼板樁打設(shè)、封堵等關(guān)鍵施工技術(shù)，解決了水中墩承臺施工困難的問題?！娟P(guān)鍵詞】水中墩鋼板樁圍堰設(shè)計施工一、工程概況寧杭鐵路客運(yùn)專線是鐵道部、江蘇省、浙江省為滿足長江三角洲城際軌道交通網(wǎng)的快速形成，而修建的一條高速鐵路，線路采用無砟軌道，設(shè)計時速350km/h，是國家戰(zhàn)略性重大交通工程，線路起訖里程為DK1+852.41~DK250+097.266，全長248.963km。徐舍特大橋工程起訖里程為DK98+501.560~DK117+313.375，全長18.811km，是全線的重點(diǎn)控制性工程之一。其中跨鐘張運(yùn)河（60+100+60）m連續(xù)梁，正線里程為DK111+911.320~DK112+133.020（414#~417#），與鐘張運(yùn)河斜交60°，v級航道，主要流量、流速等要素為：Q1/100=655m/s,H1/100=3.0m，V1/100=0.89m/s。主墩415#位于岸邊，416#墩位于水中，水深約3m，河床地質(zhì)從上向下依次為粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)圓礫石、泥質(zhì)砂巖（全風(fēng)化）、泥質(zhì)砂巖（強(qiáng)風(fēng)化）、泥質(zhì)砂巖（弱風(fēng)化）。415#、416#主墩基礎(chǔ)均采用11φ2.0m鉆孔灌注樁，樁長62.5m（57.5m），一級承臺尺寸為12.4m×18.8m×4m，二級承臺尺寸為6.0m×12.0m×1.5m，承臺底設(shè)計標(biāo)高為-2.965m（-6.305m），墩身為4m×10m×6.85m（10.85m）的矩形實(shí)體墩，測時水位為1.18m，設(shè)計最高通航水位3.162m，河堤標(biāo)高為+4.44m，河床底標(biāo)高為-5.82m，均為低樁承臺，埋于河床以下。二、鋼板樁圍堰設(shè)計2.1方案選擇415#墩為一邊靠岸，一邊靠河，周圍壓力不平衡，土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，呈流塑狀，且固結(jié)時間長，抗剪力低，針對以上特點(diǎn)，考慮采用鋼板樁圍堰施工，此方案具有施工成本低、工藝簡單、安全等優(yōu)點(diǎn)。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)水文資料確定圍堰標(biāo)高為+3.162m，預(yù)留出2.0m工作空間，圍堰平面尺寸為20.8m×14.4m矩形，如圖1所示：圖1鋼板樁圍堰平面圖以415#墩承臺鋼板樁圍堰為例,水中鉆孔樁成孔后，選用拉森Ⅳ型鋼板樁，單根長度15m，套型鎖口，防滲性能較好。拆除鉆機(jī)平臺后，在鋼護(hù)筒上搭設(shè)施工平臺，進(jìn)行定位測量。安裝三道圍囹，第一道設(shè)在標(biāo)高+1.235m處，第二道設(shè)在標(biāo)高-1.965m處，圖2鋼板樁圍堰立面圖第三道設(shè)在標(biāo)高-5.165m處。四周支撐采用H型鋼（400*400*16*21），內(nèi)部支撐采用鋼管，外徑D=600mm，厚度δ=16mm。為了在基坑開挖時圍囹與樁頭錯開，以及有效抵抗鋼板樁的整體變形，所以內(nèi)部支撐設(shè)計為“井”字型，鋼管交叉處用傳力架連接。基坑進(jìn)行有水開挖，灌注1.0m厚封底混凝土，鋼板樁圍堰受力按靜水壓力和主、被動土壓力計算。2.3鋼板樁圍堰的計算主要施工程序?yàn)椋孩俅钤O(shè)鋼板樁，②有水開挖，邊開挖邊下放第二道圍囹，抽水至第一道圍囹下50cm，安裝第一道圍囹，③有水開挖至第二道圍囹設(shè)計標(biāo)高之下50cm，按照設(shè)計標(biāo)高安裝第二道圍囹，重復(fù)以上工序一次，④有水開挖至基坑底，澆注1.0m的封底混凝土，⑤拆除第三道圍囹，承臺施工，施工完畢后，基坑回填至承臺頂面，拆除第一、第二道圍囹。以上工序中④較危險，經(jīng)過計算此工序能安全通過。2.3.1土壓力計算q5=γsat×tan2(450-)h2+γ土×tan2(450-)h3+γ土h’×tan2(450-)=21×9.31×0.406+20×1.16×0.406+20×0.406=97916N/m2q4=γsat×tan2(450-)h2+γ土×tan2(450-)h3+γ土h’×tan2(450-)=21×8.01×0.406+20×1.16×0.406+20×0.406=85832N/m2q3=γsat×tan2(450-)h2+γ土×tan2(450-)h3+γ土h’×tan2(450-)=21×4×0.406+20×0.406×1.16+20×0.406=51643N/m2q2=γsat×tan2(450-)h2+γ土×tan2(450-)h3+γ土h’×tan2(450-)=21×0.406×1+20×0.406×1.16+20×0.406=26065KN/m2q1=γsat×tan2(450-)h2+γ土×tan2(450-)h3+γ土h’×tan2(450-)=0+0+0+20×0.406=8120N/m22.3.2支撐結(jié)構(gòu)線荷載計算支撐結(jié)構(gòu)計算采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器，計算模型如下：圖3支撐結(jié)構(gòu)計算模型計算結(jié)果如下：圖4四周圍囹每延米受力圖（單位：N）計算結(jié)果匯總：桿端1桿端2單元碼軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩10.00000000113614.880-56062.86980.00000000-97695.3199-43082.405720.00000000116634.187-43082.40570.00000000-103325.812-50963.617630.0000000078033.7244-50963.61760.00000000-46299.0755-22014.739340.0000000030202.4475-22014.73930.000000000.000000000.000000005-76501.52300.000000000.00000000-76501.52300.000000000.0000000060.000000000.000000000.000000000.00000000-30202.4475-22014.739370.0000000046299.0755-22014.73930.00000000-78033.7244-50963.617680.00000000103325.812-50963.61760.00000000-116634.187-43082.405790.0000000097695.3199-43082.40570.00000000-113614.880-56062.869810-181359.5360.000000000.00000000-181359.5360.000000000.0000000011-214329.5070.000000000.00000000-214329.5070.000000000.00000000由計算結(jié)果知，支撐結(jié)構(gòu)最大線荷載為214329N。2.3.3支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算：計算模型如下：圖5支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算模型計算結(jié)果如下：圖6圍囹、支撐軸力圖圖7圍囹剪力圖圖8圍囹彎矩圖現(xiàn)將計算結(jié)果匯總?cè)缦拢簵U端1桿端2單元碼軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩1-489419.548624811.5030.00000000-489419.548-414684.146509558.8422-489419.548-3944.38002509558.842-489419.548-861260.380-1220850.673-1543168.79324207.528-1220850.67-1543168.79-297346.571-1181902.294-484332.764837120.609-1181902.29-484332.764-63061.1908443622.4875-484332.764428279.270443622.487-484332.764-611216.3790.000000006-611216.379484332.7640.00000000-611216.379-480147.7359416.314767-611216.379578688.3009416.31476-611216.379-578688.3009416.314768-611216.379480147.7359416.31476-611216.379-484332.7640.000000009-484332.764611216.3790.00000000-484332.764-428279.270443622.48710-484332.76463061.1908443622.487-484332.764-837120.609-1181902.2911-1543168.80297346.571-1181902.29-1543168.80-324207.528-1220850.6712-489419.548861260.380-1220850.67-489419.5483944.38002509558.84213-489419.548414684.146509558.842-489419.548-624811.5030.0000000014-624811.503489419.5480.00000000-624811.503-475060.95132306.842315-624811.503578688.30032306.8423-624811.503-578688.30032306.842316-624811.503475060.95132306.8423-624811.503-489419.5480.0000000017-1053749.250.000000000.00000000-1053749.250.000000000.0000000018-1586102.650.000000000.00000000-1586102.650.000000000.0000000019-1551821.360.000000000.00000000-1551821.360.000000000.0000000020-1058836.030.000000000.00000000-1058836.030.000000000.0000000021-1058836.030.000000000.00000000-1058836.030.000000000.0000000022-1551821.360.000000000.00000000-1551821.360.000000000.0000000023-1586102.650.000000000.00000000-1586102.650.000000000.0000000024-1053749.250.000000000.00000000-1053749.250.000000000.0000000025-491340.4610.000000000.00000000-491340.4610.000000000.0000000026-1625807.640.000000000.00000000-1625807.640.000000000.0000000027-491340.4610.000000000.00000000-491340.4610.000000000.0000000028-410739.7660.000000000.00000000-410739.7660.000000000.0000000029-1596207.670.000000000.00000000-1596207.670.000000000.0000000030-410739.7660.000000000.00000000-410739.7660.000000000.00000000支撐桿件內(nèi)力驗(yàn)算：A、截面正應(yīng)力驗(yàn)算：σ=M/W=1220850/2/3325.43=180Mpa符合要求B、截面剪應(yīng)力驗(yàn)算：τ=符合要求C、支撐桿件截面驗(yàn)算：σ=N/A=1586102/293.55=54Mpa符合要求2.4封底混凝土厚度、強(qiáng)度計算2.4.1封底混凝土厚度計算以415#為例，最高水位取+3.0m,鋼板樁圍堰頂標(biāo)高+3.162m，底標(biāo)高-11.838m,承臺底標(biāo)高為-6.465m。封底混凝土厚度為h，則封底混凝土底標(biāo)高為（-6.465-h）,水深為（3+6.465+h）。11個φ200cm樁基鋼護(hù)筒部分按不受力計算。鋼板樁與土之間的摩擦阻力取12Kpa，鋼護(hù)筒與封底混凝土之間的摩阻力取100Kpa。（1）圍堰整體浮力：（2）鋼板樁圍堰自重：3962KN（3）封底混凝土重量：(20.8×14.4-3.14×12×11)×h×26=(6889h)KN（4）樁基鋼護(hù)筒抗拔力：11×3.14×2×h×100=(6908h)KN（5）鋼板樁抗拔力：(20.8+14.4)×2×(4.55+11.7)×12=13728KN（6）封底混凝土厚度計算：建立方程：1.05F浮=G1+G2+F1+F2解得：h=0.78m(取h=1.0m)。2.4.2封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算1m厚C20封底混凝土被樁基分切成若干塊，可以按照簡支雙向板計算，最大跨徑為3.9（取相鄰樁間距）米，取1m寬一條作為研究對象，來驗(yàn)算封底混凝土的彎曲應(yīng)力。式中—封底混凝土最大計算長度（m）；q—封底底面靜壓力（kPa）；W—封底混凝土每1m寬截面的抗彎模量（m3）；h—封底層頂面處至水位面高度（m）；d—假定的封底混凝土最小厚度（m）；—水的重度（kN/m3）；—混凝土的重度（kN/m3）；[f]—封底混凝土容許抗彎曲強(qiáng)度，采用C20混凝土，考慮荷載作用時間較短，可取1540kPa。=6m，=10kN/m3，=26kN/m3，h=8.3m，d=1m，將以上數(shù)據(jù)代入公式得f=753KPa＜[f]，滿足要求。三、鋼板樁圍堰施工工藝和方法在打設(shè)鋼板樁后，安裝圍囹。在圍堰內(nèi)設(shè)置三道圍囹，圍囹與鋼板樁之間焊接，上下圍囹之間用型鋼將三道圍囹焊接成整體，這樣鋼板樁圍堰就形成一個整體，抵抗整體傾覆的能力大大增加，如下圖所示。圖9工字鋼焊接上下支撐鋼管圖10槽鋼焊接上下圍囹（1）將鋼板樁運(yùn)到工地后，認(rèn)真做好檢查、丈量、分類、編號工作，同時對兩側(cè)鎖口用一塊同型號長2-3m的短樁做試驗(yàn)，以2-3人拉動通過為宜。鎖口通不過或樁身有彎曲、扭曲、死彎等缺陷，采用冷彎、焊補(bǔ)、鉚補(bǔ)、割除等方法加以整修；同時接頭強(qiáng)度與其它斷面相等，接長焊接時，用堅(jiān)固夾具夾平，以免變形。在焊接時，先對焊，再焊接加固板，對新樁或接長樁，在樁端制作吊裝孔。組樁及單樁的鎖口內(nèi)，涂以黃油混合物油膏（重量配合比為：黃油：瀝青：干鋸末：干粘土：=2:2:2:1）以減少插打時的摩阻力，并加強(qiáng)防滲性能。（2）導(dǎo)框安裝在進(jìn)行安裝導(dǎo)框時，先進(jìn)行定位測量。導(dǎo)框采用現(xiàn)場分