广州新光大桥深水承台钢板桩围堰施工.pdf

9 4 中 外公路 第2 6 卷 第 4 期 2 0 0 6年 8月 文章缩 号 ： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 6 ) o 4 0 0 9 4 一o 5 广州新光大桥深水承台钢板桩 围堰施工 任 亮 ( 贵州省桥梁工程总公司， 贵州 贵阳 5 5 0 0 0 1 ) 摘要： 广州新光快速路工程第三合同段新光大桥主墩位于南珠江沥涪水道中， 承台施 工受珠 江水 位、 潮汐和地质条件的影响较大 ， 施 工难度 高。通过 采取不 封底 的单 壁 钢板桩 围 堰施工 ， 速度快 、 质量 优、 节约 了成本 。 关键词 ： 深水 ； 单 壁钢 板桩 围堰施 工 ； 水头差 ； 监控 1 工程 概 况 广州新光大桥 主桥 为 1 7 7 +4 2 8 +1 7 7 m 三跨连 续刚架飞雁式钢桁系杆拱桥 ， 其结构新颖， 造型宏伟壮 观， 技术含量高 ， 体现了当今拱桥建设的高水平。 新光大桥 5 、 6 桥墩位于南珠江沥溶水道 中， 每 个桥墩由 3 6根 巾 2 6 m 桩及承台构成 。承台尺寸为 3 4 7 mx 4 8 3 m6 0 m( 顺桥 向横桥 向高) ， 承 台底面高程 一2 0 4 m， 下铺一层 0 5 m 厚混凝 土垫 层， 垫层底标高一2 5 4 m。 珠江河桥墩处最高潮水位为 7 5 3 m， 高潮平均潮 位 5 7 8 m， 低潮平均水位 4 4 m， 流速 1 o 1 2 m s ， 水位平均标高为 4 4 6 m。近期观测到的高潮水 位为 6 9 0 m 。 5 、 6 桥墩地层主要是海陆交互相沉积层 、 亚粘 土、 河流相冲积砂层、 粉砂质泥岩残积土层 、 下伏基岩 。 按照渗透特性， 5 墩地层呈显著弱强分 布； 6 墩则缺 失上覆弱透水层 ， 砂层直接露头 。地层组成 自上而下 主要为： 淤泥( 6 墩无) 一细砂一中砂一粗砂一亚粘土 一粉砂质泥岩( 全风化) 一粉砂质泥岩( 强风化) 。 2 施工方案选择和施工难点分析 2 i 施工方案选择 由于工期紧、 任务重 ， 承台施工如果按常规的钢套 收稿 日期 ： 2 0 0 6 一o 8 一o 2 作者简介 ： 任亮 ， 男， 大学本科， 助理工程师 箱进行则很难保证施工进度 。因此 ， 决定采用钢板桩 围堰施工， 并且不做混凝 土封底 。具体理由如下 ： ( 1 )根据地质情况、 现场环境及工期要求 ， 为完成 承台施工任务 ， 必须修筑围堰 。根据搜集、 类 比相关钢 板桩围堰施工工程实例 ， 采 用钢板桩 围堰施工能够有 效地围封堵水， 保证承台正常施工 。 ( 2 )不进行混凝土封底可起到节约成本和工期 的 作用 。若采用封底混凝土备选方案， 用 2 7 m厚的封 底混凝土代替 0 5 m厚 的垫层混凝土， 每个承台需增 加约 4 3 0 0 m3 混凝土用量 ， 并且承 台基底还要再 向下 多挖 2 2 m， 又将增加 1 个月 以上的工期 和数百万元 的费用。 ( 3 )不进行混凝 土封 底 ， 主墩承 台的施工 由水中 的隐蔽变为相当于陆地施工 ， 方便施工工序衔接和质 量控制， 可 以加快施工进度 。 ( 4 )由于围堰处 于具 有潮汐的珠 江主航道 中， 同 时受珠江主航道来往船只产生的波浪力作用。对于 自 身刚度较小的钢板桩围堰结构， 若采取水下混凝土封 底方案， 受波浪力及方 向周期性变化的潮 汐水 冲击力 的影响 ， 钢板桩围堰结构将随之“ 摆动” ， 钢板桩与封底 混凝土之间无疑会产生缝 隙， 导致漏水 ， 封底混凝土并 没有为承台施工提供 良好 的施工环境 。 表 1为两种施工方案 的比较结果 。 2 2 施工难点分析 新 光 大桥 主 墩 承 台钢 板桩 围堰施 工 主要 难点 如下 ： 维普资讯 4期 广 州新光 大桥 深 水承 台钢板 桩 围堰施 工 9 5 表 1 新光大桥水中承台施工方案比较 评比项 目 钢板桩围堰 钢套箱 技术控制难易程度 施工作业难易程度 封底混凝 土 承 台施工难易程度 钢材用量 材料 回收利用率 施工周期 安全性 施工费用经济 比较 困难 较 困难 困难 较 困难 只要做垫层 ， 不用封底 需 封底 变为陆地相对 容易 水 中施工 困难 基本相 同 5o o 适中 长 比较安全 安全性 因素不定 一 般 费用大 ( 1 )如此 巨大的水 中承台钢板桩围堰结构( 3 7 9 4 mx5 1 5 4 m) ( 图 1 ) ， 其钢板桩 围堰入岩深度较浅 ， 围 堰内外最大水头差达到 1 o 0 7 m( 历史最高水位 7 5 3 m， 承台垫层底标高一2 5 4 m) ， 且不进行混凝土封底， 这在 中国桥梁界当属首例。其结构受力 的稳定性、 各 施工工况的安全性是本方案的重 中之重 。 ( 2 )地质、 水文条件如此复杂 ， 又不进行混凝土封 底 ， 出现管涌、 绕渗怎么办? ( 3 )钢板桩 围堰本是支挡土体的， 而现在是在江 中 ， 渗漏是不可避免的 ， 渗漏和绕渗量多大? 水能抽到 1 l 1 1 型 围槔2 1 5 6 e + 2 5 8 0 x 1 6 雇 l 暖 l ， 、 ) 、 耄 i 、 1 o 厂 、 厂、 u， o x y i 型 o o 。 1 o 水平纵向支撑 2 1 4 0 a 7 1 8 0 厂 、 l 一 、 、 7 1 5 0 l7 1 2 、 善 r u 1 1 、 、 一 ， 导 j i n j 5 b 8 i l l i | j ll l l i i j 卫 、 i i ill 呈 _ r l l 1 r j 1 卜、 o o q 厂 一 、 o o _ 壁 墨 墨 o 撑 2角撑 、 o 4 7 厂、 。 一 、 斜 撑 = ) u v 2 i 5 6 0 6 i ， i 寸 i 、 ， 、 “ ， 1 51 2 0 o 图 1 主墩承 台圈堰支撑 结构 平面 布置图( 单位 ： ram) 底吗?怎样进行封堵? 针对 以上问题 ， 新光大桥设计 一施工联合体先后 咨询了有关高校、 科研机构、 设计院， 并邀请从事过类 似工程施工的工程技术专家进行探讨 。得出如下解决 措 施 ： ( 1 )采用 2 1 5 6 c 或 2 1 3 2 a工字钢作 为 f s pi v型钢 板桩围堰的内支撑 ， 共设 4层。按照本方案布置内支 撑的平面形 式、 高程及层数 ， 既可 以满足 钢板桩 的内 力 、 变形及工字钢内支撑的内力 、 稳定性要求 ； 又可 以 通过采用角撑、 减少对撑数量 的方式提供较大的土方 维普资讯 9 6 中 外公路 2 6卷 开挖工作面 ， 方便施 工； 并通过合理 布置支撑 的高程 、 层数 ， 消除对承台混凝土分层浇筑的影响 ， 且减少支撑 的层数； 同时， 以上措施 又可以大大减少工字钢支 撑 量， 在降低造价的同时缩短工期。该内支撑方案通过 了有限元结构计算软件的验算 ， 确保了围堰的安全。 ( 2 )通过对 围堰 内填石粉 ， 外抛填袋装石 粉的方 法来制造反滤层 ， 防止出现管涌、 绕渗现象 。 ( 3 )通过布置大型抽水泵和堵塞钢板桩间缝 隙的 方法保证抽水的正常进行。 3 承 台钢 板 桩 围堰 施 工 工艺 3 1 主要施工思路和步骤 围堰的主要施工思路是先插打钢板桩并合龙后 ， 围堰 内再进行抽水作业 。随着水位的下 降， 从上到下 安装 1 4层内支撑 ， 同时进行钢板桩堵漏和 回填石粉 反滤层 ， 最后完成清基 工作 。围堰 主要施工过程步骤 如 下 ： 第 1 步 ： 插打钢板桩、 合龙 ； 插打竖 向支撑 ， 在低潮位安装第 1层 内支撑 ( +5 5 m) ； 并将堰 内河 床标高清理至一4 0 4 m； 试抽水至+5 0 m， 在钢板 桩外面进行潜水塞缝堵漏 ； 内填 1 5 m 厚石粉 至 一 2 5 4 1t i ， 外抛填袋装石粉。 第 2步： 抽水至+2 9 m， 安装第 2 道支撑( +3 4 o m) 。 第 3步： 抽水至+1 1 m， 安装第 3 道支撑( +1 6 o m) 。 第 4步 ： 抽水至一0 7 m， 安装第 4 道支撑( 一o 2 m) 。 第 5步 ： 抽水 至一2 5 4 m， 边抽水边将石粉降 至 一 3 0 4 m， 设导渗盲沟、 排水 沟、 集水井 ， 干浇 5 0 c m 厚混凝土垫层 ， 割除钢护筒 、 破桩头， 基底检验 。 3 2 钢 板桩 插打 施工 工艺 ( 1 )钢板桩插打方法 采用 日本产 f s p型钢板桩 ， 两条 1 2 m 接驳为一 条( 2 4 m) 。精确测 量安 装钢板 桩插 打导 向架 ， 按 照 “ 插桩正直 、 分散偏差 、 有偏 即纠、 调整合龙” 的原则逐 条分阶段插打的方法进行插打施工 。具体操作如下 ： 钢板桩在 3条非合龙边先用 6 0 k w 振动锤插 打至无 明显下沉位置， 在合龙 边( 包括两条角桩) 先将钢板桩 逐块插打入土， 其插打深度保证其受潮水作用能保持 自身稳定， 直至合龙 ， 再用 9 0 k w 振动锤复振到位 。 ( 2 )钢板桩插打次序 在有潮水 的珠江 中插打钢板桩 ， 受两个流向影响。 为了减少水流阻力， 采取从顺流侧面开始， 根据水流方 向由中心点 向上下游方向插打。然后插打上游和下游 侧转角 ， 再在涨潮 时依次插打下游方向钢板桩 。退潮 时依次插打上游方向钢板桩 ， 使钢板桩 紧贴导 向架下 插 。在平潮水位时合龙 ， 以保证其垂直准确 。 ( 3 )合龙 对钢板桩插打全过程进行记 录， 掌握钢板桩的垂 直度、 入岩深度 ， 使其符合设计要求。主墩承台钢板桩 围堰的插打未采用异型桩合龙 ， 说明在插打过程 中各 方面的控制措施是有效的。 3 3 围堰 支撑 安装 施 工工 艺 ( 1 )支撑材料 围堰共有 4层支撑 、 围檩第 1 4层为 2 1 5 6 c 上下 加 1 6 mm5 8 0 mm 钢板形成 箱形 结构 ， 纵桥 向水 平 撑首层为 2 1 3 2 a 加缀板组合结构 ， 第 2 - - - 4层 为 2 1 5 6 c 加缀板组合结构； 横桥向水平撑为 2根 4 0 a的槽钢加 缀板组合结构 ； 角撑为 2 1 5 6 c 加缀板组合结构 ， 竖 向支 撑为 + 3 7 0 6 mm钢管 ， 围堰各层支撑结构高程分别 为 ： +5 5 、 +3 4 、 + 1 6和 一0 2 m( 图 2 ) 。 8 31 7 ll 8 7 1 1 8 8 31 槽钢 围檩 2 1 5 6 c + + 8 【 2 0 a 3 0 o j s r n 2 x 5 8 0 x 1 6 钢箱 i 卫一 十 5 一 c ， 1 i _ li 1 卫-+3 ：牛 腿2 【2 o r ： _ ， j _l1 l l 。+l ： lj ： i 卫-o 回填( 或换填) 石 粉 撑立 3 7 -： ： - 0 皤 图 2围堰 支 撑 立 面布 置 图 ( 单位 ： 除标高为 it i 外 ， 其余均为 mm) ( 2 )支撑施 工 插打钢板桩的同时， 在陆地上进行 围堰支撑结构 单元的加工， 以保证钢板桩插打完成后 ， 围堰支撑结构 能得到尽快安装 。为方便施 工， 在第 1道支撑安装前 ， 先将第 2 、 3 、 4层所有的围檩及横撑结构单元预先下发 入水 ， 用钢丝绳将其分别悬挂在钢板桩和钢护筒上， 悬 挂高度大致与对应 的安装 高度 等高， 然后再安装第 1 道支撑 。当达到安装某层支撑时， 只需用链 条滑车将 其结构单元拼装组合就位 ， 再安装剩下的联系梁 ， 形成 整体 。这种方法加快了围堰支撑结构的施工进度。 维普资讯 4期 广 州新光 大桥 深水 承 台钢 板桩 围堰施 工 9 7 ( 3 )安 装注 意事项 每道支撑的安装合龙尽量在低潮位时进行。 每道横撑均应与围檩焊牢， 围檩必须与钢板桩 贴紧电焊连接， 有间隙的地方用薄钢板塞垫后再电焊 ， 同时用短角钢将靠围檩外侧的钢板桩电焊固定支撑在 围檩上， 使钢板桩围堰形成整体 ， 特别是第 1 道围檩属 拉压支撑 ， 更应该在施工过程中经常检查 ， 发现有脱焊 的地方及时补焊。 钢结构的连接严格按照图纸施工 ， 焊接质量等 级要 求 满 足 钢 结 构 工 程 质 量 检 验 评 定 标 准 ( gb 5 0 2 2 1 9 5 ) 中二级焊缝要求 。 3 4 钢板桩围堰监测监控 ( 1 )监测内容 钢板桩桩身的变形 ： 桩身的变形形态说明了钢 板桩 自身的刚度和稳定性是否满足设计要求 ， 同时也 有助于了解土层的稳定状态 。 支撑轴力 ： 支撑对控制围堰的变形和安全起着 至关重要的作用 ， 如果支撑破坏或失稳 ， 将会对围堰带 来严重后果。支撑轴力监测可了解支撑的实际轴力， 进而评估 围堰 的安全性 。 ( 2 )监测方案 桩身的变形监测 ： 为了真实反映支护结构的挠 曲状况 ， 采用在钢板桩上安装测斜 管， 用测斜仪监测。 将测斜仪探头伸入测斜 管内上下滑移， 即可在测读仪 显示屏上读得相应数据 ， 经过计算分析后可得钢板桩 的变形 量 ( 图 3 ) 。 一 广州( 北) 1 ； _ - ， i fl a i h l l l l ll l i 、 f 0 浏斜管 一 钢支撑 应变计 s a1 8 0 ( 2 1 0 ) s b 1 8 0 ( 2 0 0 ) s c1 8 o 09 5 ) 番禺( 南) 图 3 主墩测斜管及支撑轴 力测点布置图 在围堰横桥 向方 向每边布置 3个观测点 ， 顺桥 向 方向每边的中点布置 1个观测点， 每个围堰布置 8个 观测点， 共计 1 6个观测点。 横撑轴力监测 ： 在每层钢支撑中选取两个支撑 布置轴力观测点， 每个支撑在 同一 断面内沿支撑 的 4 个角布置 4个观测点， 每个围堰布置 3 2个观测点 ， 共 计 6 4个观测点 。 监测频度 ： 围堰内抽水前测读初始数据， 之后 在围堰拆除之前每天监 测 1次， 并根据施工进度在高 潮水位时和不利工况下增加检测频率 ， 特别是在 围堰 内抽水至最低水位 阶段每天都要进行严密的监测。在 每道支撑拆除之后 ， 以及高潮水位时也要进行 围堰结 构检 测 。 ( 3 )围堰监测结果分析 新光大桥主墩分别于 2 0 0 4年 9月 1日、 9月 2日 进行 了第 1 层支撑轴力及钢板桩变形 的初值测定， 到 2 0 0 4年 1 o月 7日， 主墩均安装好 了第 4 层支撑 ， 并分 别顺利抽水至一2 5 o 、 一1 7 0 m。 支撑轴力 ： 主墩在 围堰 内水位最不利工况时， 第 1 层 2 1 3 2 a 对撑 由受压转为受拉 ， 主墩最大拉力为 一 5 4 1 k n，主墩 2 1 5 6 c 的支撑受到的最大轴力为2 2 6 7 k n， 均小于其相应容许轴力， 所 以支撑是安全的。 钢板桩监测 ： 正常情况下钢板桩是允许塑性变 形的， 塑性变形的最不利结果仅仅是增多漏水。表 2 、 表 3为钢板桩最大位移监测结果。从表 2的测斜数据 可以看到， 主墩钢板桩最大位移发生在孔号为 5 s c 1 8 0 处 ， 位移为 3 0 8 mm， 曲率为 0 0 1 9 7 ， 其余部分均处在 比例限值附近， 处于 弹性工作状态。产生最大位移 的 原因 ： 由于两根钢板桩按等强度 连接 ， 其 刚度较差 ， 又 因卡口部位未能焊接而该处存在应力集 中， 导致焊缝 开裂， 刚度降低。按照设计 ， 安装 好第 4层支撑 ， 抽水 至承台设计基底以下能够进行承台垫层施工时是最危 险工况 ， 同时从 2 0 0 4年 1 o月 1 1日最新监测数据可 知 ， 钢板桩变形趋于稳定 ， 没有继续增大的趋势 。 3 5 基 底处 理 ( 1 )围堰的渗漏处理 直接用填缝堵漏 的方法解决 ； 保证钢板桩 的插打质量 ， 控制人 土深度 ， 以减 小钢板桩底部 的绕 渗； 防止管涌和流砂 回填石粉反滤层 。 采用 2台 3 0 0 m。 h和 2台 8 0 0 m。 h水泵抽水 ， 此时由于钢板桩接缝没有复力咬合， 漏水严重， 随着接 缝被堵 ， 水位将不断下降。通过观测， 主墩基坑最大渗 水量是 5 0 0 m。 h ， 备用 2台 3 0 0 5 0 0 m。 h的水泵 即可 。 ( 2 )垫层的抗浮托力处理 对于淤泥层抗浮稳定问题 ， 围堰中心开槽越大， 越 有利于淤泥层的抗浮稳定 。 但对 于垫层 的抗 浮， 则 相 维普资讯 9 8 中 外公路 2 6卷 表 2 钢板桩位移最大值汇 总表 表 3 单根钢板桩最大弯曲应力与曲率的关系 曲率 ( 1 m) 最大弯曲应力 mp a 0 0 0 8 o ol 3 3 o ol5 6 0 022 6 1 7 5 ( 设计容许应力) 2 9 5 3 4 5 ( 比例极限) 5 0 0 ( 比例极限) 反 。围堰 中心开槽越大 ， 渗水量越大， 也就意味着垫层 底承受的水压越大 。因此， 综合两者安全稳定要求 ， 开 槽 尺寸选 择 为 1 2 7 5 mx 9 2 5 m。 施工要求 ： 主墩清基吹砂整平至一4 0 4 m 高程 ， 内填 1 5 m厚的石粉反滤层至一2 5 4 m； 围堰外侧均 填砂袋与内侧基本平齐； 后在浇筑混凝土垫层前在反 滤层上 、 垫层底 围堰 中心处采用塑料排水 管或开 0 5 mx0 5 m 导渗 沟， 沟内 回填碎石。在实际开挖 中可 根据抽水情况调整槽孔大小 ， 保证围堰抗浮稳定安全。 抽干水后 ， 四周设排水沟、 集水井 ， 基底的渗水汇 入集水井后 全部抽出。利用吸泥机快速将石 粉清除 5 0 c m 后， 整平基底 ， 浇 0 5 m厚 c 2 0混凝土垫层 ， 作 为承台施工工作台。 4 要 点总结 ( 1 )必须考虑江水位涨落、 水流冲击 、 施工船只对 围堰体系的撞击等不利因素的影响。 ( 2 )必须考虑钢板桩不易 打入时 ， 水 由桩墙底绕 渗进入围堰内， 降水不利有可能 引发管涌或 流砂而发 生 浮托现 象 。 ( 3 )钢板桩存在接缝 ， 必然有水通过 ， 砂层下 的部 分为强风化粉砂质泥岩 ， 在高水头作用下 ， 会增大抽水