吳淞江特大橋圍堰設計與施工(拉森鋼板樁)

深深水圍堰設計與施工一、吳淞江特大橋主墩簡價二、幾種方案的可行性比較三、圍堰的組成結構五、圍堰施工吳淞江特大橋深水圍堰設計與施工一、吳淞江特大橋主墩簡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878.1米，分上、下兩幅，主橋為60+100+60連續(xù)變截面箱式結構采用掛藍施工。引橋為以30m空心箱梁為主的先簡支后連續(xù)的結構形式。吳淞江航運比較繁忙，屬于超五級航道，規(guī)劃四級。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、下兩幅橋墩設置的樁號不同，相差近12m左右。四個主墩均位于吳淞江中，距岸邊分別30m和70m，主墩樁基礎是由8根Φ2.5m的群樁組成上接大體積砼承臺，承臺位于河床下4.0m，水深近5.0m，屬于深水，長樁施工。吳淞江特大橋主墩編號為68號與69號，主墩都位于主河道內(nèi)，距岸邊分別為70米和40米，上游側與便橋相臨，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)計沒有海水的頂拖現(xiàn)象。主墩承臺底標高上下游不同，68號墩承臺底標高分別為-5.8m和-3.7m，下游幅較深。69號墩上下游承臺底標高分別為-4.88m與-3.97m。根據(jù)設計提供的地質(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．雙壁鋼圍堰總結我國橋梁深水基礎施工中的各種圍堰類型，根據(jù)圍堰的特點可知：雙壁鋼圍堰的剛度大，能承受向內(nèi)向外的壓力，結構相對穩(wěn)定，也能為頂部施工平臺提供支撐條件，但相對費用比較昂貴，回收率不高。根據(jù)以上對主墩地質(zhì)情況分析，10m范圍內(nèi)全部為淤泥質(zhì)粘土，標高變更后降低，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)原我局深水基礎的施工總結，鋼管樁圍堰縱向剛度比較大，而且施工中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3．鋼板樁圍堰鋼板樁圍堰是深水基礎、基坑支護的很有效的，施工比較簡單，結構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，較以上兩種費用低。而且吳淞江水位變化不明顯，也沒有海水的頂推，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，需加強密內(nèi)支撐。三、圍堰的組成結構鋼板樁圍堰是由封底砼、內(nèi)支撐、圍囹堰體、導向結構組成。根據(jù)圖紙?zhí)峁┑馁Y料，承臺底標高在淤泥層下3.5m，而且淤泥質(zhì)亞粘土層深為10.3m水深4.0m。因此設鋼板樁穿過淤泥，進入亞砂土4.2m進行驗算，內(nèi)支撐按堰體等彎矩并結合承臺施工的實際情況分布。水流及行船浪擊堰體按動水壓力考慮。封底砼用1.2m厚C20。 1．根據(jù)地理、地質(zhì)情況，對圍堰的受力情況進行分析：(1)動水壓力，取安全系數(shù)2。A、圍堰受力分析（1）圍堰施工時，捶打鋼板樁，內(nèi)外壓力相等。當圍堰合攏后，圍堰將水體分成內(nèi)外兩部分，外側水為流動水，內(nèi)側為靜水，圍堰受外側動水壓力和浪擊壓。（2）當圍堰施工完成后，進行清淤到封底砼底標高，這時圍堰除受外側動水浪擊壓力外，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，為施工安全起見考慮圍堰合攏后第一道支撐。（3）當水位到第二道支撐標高時，圍堰反支撐受力穩(wěn)定情況。（4）清淤、抽水到第三道支撐標高時，圍堰及支撐受力穩(wěn)定（5）封底砼施工完成后，等強度達到要求后，體的受力情況與支撐結構的驗算。（6）封底穩(wěn)定包括：水的筒圍堰內(nèi)側的粘結情況，砼形成板的穩(wěn)定。根據(jù)吳淞江設計資料提供的水流速度V=1.5m/s驗算每米鋼板村承受的力：2/2g×B×DK為安全系數(shù)取2.0H為水深V=1.5m/sg為重力加速度9.8m/s2B樁板寬1.0mD水的密度P=2×4×1.52/(9.8×2)×1×1=0.918t水根據(jù)圍堰設計資料及橋涵2-2-60資料，確定動水作用集中點為水面下水深1/3計算。Hc=1/3×4.0=1.33m，即：P作用于堰體標高為-0.1m位置處,根據(jù)結構在P作用下，圍堰平衡只能由打入樁一定深度的被動土壓力完成。 為了施工安全起見，施工時采用先由平臺基礎鋼管樁加一層橫梁作為臨時內(nèi)支撐。C、圍堰板樁插打完成后，及時支頂最上一層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐的材料采用Φ80的鋼管成425×425方格形式布置，然后再進行清淤，清淤結束后，驗算由內(nèi)外形成的壓差及動水壓力作用時圍堰的受力情況。計算外側主動土村力及其作用點亞粘土的粘聚力5Kpa容重=17KN/m3275m△△內(nèi)摩擦角：粘土、亞砂土φ=20°淤泥質(zhì)亞粘土：φ=5°8淤泥質(zhì)亞粘土:C=2Kpa將外側淤泥層上的水視為當量厚度的淤泥質(zhì)亞粘土厚2/γ水=4×10/17=2.35m承臺的底標高按-5.8米計，清淤底標高按-7.3米計。內(nèi)外土層高淤泥的強度壓力Pp=γ1=17×(2.35+4.5)×0.84-2×2×0.916=94.15KN/m2Pa=γ1全部主動土壓力Ea=1/2(29.894+94.15)×4.5=279.1KN/m水壓力Ea=1/2×10×8.5=361.2KN/m主動土壓力點離P點距離=4.5/3×(94.15+2×29.89)/(94.15+29.89)=1.86m若將以上土壓力計算時按粘土、亞砂土透水成飽和狀態(tài)考慮，主動土壓力應計算其ab-ab-=（17-10）×2.35×0.84-2×2×0.916=10.15KN/m2Pb=γ′1+h1)=(17-10)×6.85×0.84-2×2×0.916=36.614KN/m作用點距底:=4.5/3×(36.614+2×10.15)/(36.314+10.15)=1.827m計算內(nèi)側被動土壓力及其作用點:將么層的淤泥層視為亞砂土上的均布荷載,計算亞砂土的被動土壓力:q=(9.1-7.3)×17=30.6KN/m2將其換算為當量亞砂土層厚:h′=q/=30.6/25=1.224mγ:亞砂土取17KN/m3被動土村力強度:Pa′=2×c×Kp1/2=2×5×tg(45°+20°/2)=10×1.428=14.428KN/m=17×(h1+h11′)·Kp+2cKp1/2=17×(4.2+1.224)×tg2(45+20/2)+2×5×tg(45+20/2)=202.4KN/m被動土壓力為:=1/2×17×5.424×2.04+2×5×5.424×1.428=171.5KN被動土壓力作用點位置:△△A=-11.4=5.4/3×｛202+2×14.428｝/(202+14)=1.92m根據(jù)主動土壓力及位置，被動土壓力及位置、動主動水壓力及位置，驗算鋼板樁的入土深度，選擇鋼動主=0.918×1.33+105.219×6.7-215.7×10.8要求BL=11.4+1.2=12.6mL1=1.33mL2=5.34mL3=4.1m求支反力RA、RB根據(jù)計算的主動土壓力與被動土壓力，主動土壓力及其作用位置，簡化受力模式如下:F水l1△△33.18t RA=（l1+l2）/（l1+l2+l3）×Ea+（l3+l2）/（l1+l2+l3）×E水=55.6KN/mRB=63KN/m\\鋼板樁型號的選定:w=22.79t·m/140Mpa=1627.8cm3/查鋼板樁規(guī)格、型號，可選用德國位森II型，t=15mmb=40mmD、計算封底砼施工時，圍堰的受力計算根據(jù)變更后的地質(zhì)情況和變更后的圖紙，確定如右圖標的情況。D、封底砼結束后，抽水深3.2m時，即加焊第二道支撐時，圍圍堰內(nèi)側抽水深為3.2米時到標高-2.0m，存在內(nèi)外水壓力差，與外側主動土壓力和封底混凝土承受的壓力。水壓力：與以上的動水壓力相等。土壓力：外側土對圍堰產(chǎn)生的主動土壓力： =7×Z×0.84-2×2×0.916當Z=0時，Pa=-3.664t/m2當Z=4.5時，Pb=22.796t/m2=4/17×0.916=2.155m內(nèi)側封底砼所受的壓力：根據(jù)上述水壓力與主動土壓力：取1/2封底混凝土厚度做為支E水1作用高度：標高為-0.93mE水2作用高度：標高為-3.52mEa作用用高度：標高為-5.03mR混凝土=(2.13+2.59+1.51)/7.75×E水2+2.13/7.75×E水1=0.8038×1/2×22.796×2.155+0.609×1/2×3.2×0.2748×1/2×3.2×3.2=24.85t/m驗算嵌入土層深度對頂支撐處取矩，水產(chǎn)生的力矩與主動土壓力產(chǎn)生的力矩×(1.51+2.59+2.13)6.23=10.91+28.7+0.05=39.66t/m封底混凝土產(chǎn)生的力矩：M砼=5.117×7.75=39.656t·m由于封底混凝土產(chǎn)生的力矩完全是由主動土壓力與外側水壓力作用而產(chǎn)生，當封底砼結束后，第一道支撐完成時，抽水到-2.0m時，鋼板樁的受力驗算：由以上水壓力、主動土壓力計算可知，鋼板樁受力如下情況：鋼板樁型號、規(guī)格選擇：按對B點取矩求支反力RaRa=[E動水×1.33+E水1×3.46+E水2×6.05+Ea×7.57]/9.08=25.57tRb=9.86tMmax=25.57×1.51+2.262×1.52=42.05tmW=42.05tm/160Mpa=2628cm3＜2962cm3德國拉森V型滿足要求。E、抽水到封底砼時，即標高為-5.8m時，堰體在外側水及淤泥的作用下，計算堰體與支撐受力情況：水壓力強度：P水=γ·h=1t/m3×7.75m=7.75t/m2由上計算可知：Pa=-3.664t/m2Pb=22.796t/m2△△ 外側土主動土壓力：Ea=1/2×22.796×2.155=24.57t/m荷載近似等量簡化如圖：Pb=γ·h1=1×3.2=3.2t/m2Pc水=γ1+h2）=1×7.75=7.75t/m2Pc2=22.796t/m2q1=1/2Pb=1/2×3.2t/m2=1.6t/m2q2=(Pc水-Pb)×1/2+3.2+1/2×22.796×2.045/2.25abcA=5.475+10.35=15.83t/m2按兩不等跨連續(xù)梁計算：n=1.1875按1.2取值A=0.134×15.83×3.82 4×4.25mMb=-0.155×q2·l1=-0.155×15.83 4×4.25m鋼板樁型號、規(guī)格的確定：w=35.43/160=2214cm3用拉森V型可以滿足要求。綜合以上三種情況對鋼板樁型號的計算，采用德國拉森V型才能滿足VB左=K1=0.655×15.83×3.8=39.4tVB右=K22=0.729×1.6×3.2=3.73tV=VB左+VB右=43.13t/m因此第二層支撐每延米頂力要求Ra=43.13t/m長邊:20mRb正=20×43.13×=862.6t短邊：18mR′B正=18×43.13=776.34t支撐按4.25m間距布設。每根支撐力：N=4.25×43.13=183.3t圍堰四周用2H400b做為圈梁，中間用Φ80鋼管，壁厚8mm焊成網(wǎng)狀支撐結構，并將第一層與第二層通過20×20的方鋼焊成整體空間結構，計算支撐穩(wěn)受壓鋼管按4.5m自由長度計，且安全系數(shù)取2.0，受壓穩(wěn)定驗算：長度系數(shù)按兩端鉸接μ=1查表：=0.999δ=N/(Aφ)=183.3t/0.017584m2=103.7Mpa＜140Mpa根據(jù)上述計算結果，每根頂撐受壓力為183.3t說明每跨環(huán)梁受均布荷載作用力：q=N/1=43.13t/m2按簡支梁驗算:Mmax=ql2/8=43.13/16/8=86.26t·mτ=N/A=183.3t/(197.8×2cm2)=46.3Mpa總=(δ2+3τ2）1/2=169.56Mpa封底砼結束后，抽堰內(nèi)外的水、土壓力穩(wěn)定和強度。整體抗浮驗算由于圍堰內(nèi)抽干水后，內(nèi)外水壓力差形成的力將對其產(chǎn)生向上浮力，將由圍堰自重、支護自重、圍堰與土的摩阻力及混凝土自重來平衡。計算安全系數(shù)：K=PK總抗浮力/Pf浮力Pf上浮力=V混凝土+V空=18×20×1.5+7.0×18×20=3060tPK總抗浮力=G混凝土+P摩陰力+P錨力=1350+0.4×76×(4.3×10+35×4.2)+0.67×3.14×1.2×1.4×28=1350+5776+99=7225摩阻力按4KN/m2計代入上式K=PK/Pf=7225/3060=2.36＞1.05安全b、封底混凝土強度驗算封底混凝土在水壓作用下，可以視為簡支單向板計算，封底層頂因下底面水壓向上作用，產(chǎn)生彎曲拉應力。取1.0m寬一條作為研究對象。根據(jù)液體壓強理論，一定深度壓強相同。2/8/w=l2=182×(1t/m3×8.5-2.5×1.5)/(2.25/6/8)=513t/m2=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，按簡支的雙向板計算：lx/ly=1.0，λ0=1=0.0368×γ0×4.75×3.12δ=M/W=1.6798t·m/(1×1.52/6)=0.4479Mpa＜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，根據(jù)項目生產(chǎn)計劃安排，要求68號主墩于2003年12月份結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-----下護筒----布鉆機鉆孔----樁砼施工結束----拆平臺----圍堰----第一道支撐----清淤泥到標高---封底（等砼強度）---抽水----支撐---承臺墩身施工。為了保證業(yè)主項目的工期，我們將圍堰施工與鉆孔施工工序并行，到平臺拆除前完成圍堰的下打與第一道頂撐，平臺拆除后，清淤。2、圍堰施工A、鋼板樁施打前，測量組放樣定位，控制圍堰長、短邊的鋼板樁位置，定出圍堰的角點及長、短邊的是間點。每點處打兩根鋼板樁，兩相鄰點的鋼板樁用槽鋼焊接，做為打鋼板樁的導向。B、施打時先將鋼板樁逐根施打到穩(wěn)定深度，然后依次打到設計深度