水中墩深基坑钢板桩围堰设计与施工.doc

水中墩深基坑钢板桩围堰设计与施工 刘进敏 齐雄 （中国水利水电第四工程局有限公司）【摘要】文章通过对宁杭铁路客运专线徐舍特大桥跨钟张运河连续梁415#、416#主墩钢板桩围堰施工的论述，介绍了跨河桥梁水中墩深基坑钢板桩围堰设计、围囹安装、钢板桩打设、封堵等关键施工技术，解决了水中墩承台施工困难的问题。【关键词】 水中墩 钢板桩围堰 设计 施工一、工程概况宁杭铁路客运专线是铁道部、江苏省、浙江省为满足长江三角洲城际轨道交通网的快速形成，而修建的一条高速铁路，线路采用无砟轨道，设计时速350km/h，是国家战略性重大交通工程，线路起讫里程为DK1+852.41DK250+097.266，全长248.963km。徐舍特大桥工程起讫里程为DK98+501.560DK117+313.375，全长18.811km，是全线的重点控制性工程之一。其中跨钟张运河（60+100+60）m连续梁，正线里程为DK111+911.320DK112+133.020（414#417#），与钟张运河斜交60，v级航道，主要流量、流速等要素为：Q1/100=655m/s, H1/100=3.0m， V1/100=0.89m/s。主墩415#位于岸边，416#墩位于水中，水深约3m，河床地质从上向下依次为粉土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉质粘土、粉砂、细圆砾石、泥质砂岩（全风化）、泥质砂岩（强风化）、泥质砂岩（弱风化）。415#、416#主墩基础均采用112.0m钻孔灌注桩，桩长62.5m（57.5m），一级承台尺寸为12.4m18.8m4m，二级承台尺寸为6.0m12.0m1.5m，承台底设计标高为-2.965m（-6.305m），墩身为4m10m6.85m（10.85m）的矩形实体墩，测时水位为1.18m，设计最高通航水位3.162m，河堤标高为+4.44m，河床底标高为-5.82m，均为低桩承台，埋于河床以下。二、钢板桩围堰设计2.1方案选择415#墩为一边靠岸，一边靠河，周围压力不平衡，土质为淤泥质粉质黏土，呈流塑状，且固结时间长，抗剪力低，针对以上特点，考虑采用钢板桩围堰施工，此方案具有施工成本低、工艺简单、安全等优点。2.2结构设计根据水文资料确定围堰标高为+3.162m，预留出2.0m工作空间，围堰平面尺寸为20.8m14.4m矩形 ，如图1所示： 图1 钢板桩围堰平面图以415#墩承台钢板桩围堰为例, 水中钻孔桩成孔后，选用拉森型钢板桩，单根长度15m，套型锁口，防渗性能较好。拆除钻机平台后，在钢护筒上搭设施工平台，进行定位测量。安装三道围囹，第一道设在标高+1.235m处，第二道设在标高-1.965m处， 图2 钢板桩围堰立面图第三道设在标高-5.165m处。四周支撑采用H型钢（400*400*16*21），内部支撑采用钢管，外径D=600mm，厚度=16mm。为了在基坑开挖时围囹与桩头错开，以及有效抵抗钢板桩的整体变形，所以内部支撑设计为“井”字型，钢管交叉处用传力架连接。基坑进行有水开挖，灌注1.0m厚封底混凝土，钢板桩围堰受力按静水压力和主、被动土压力计算。2.3钢板桩围堰的计算 主要施工程序为：搭设钢板桩，有水开挖，边开挖边下放第二道围囹，抽水至第一道围囹下50cm，安装第一道围囹，有水开挖至第二道围囹设计标高之下50cm，按照设计标高安装第二道围囹，重复以上工序一次，有水开挖至基坑底，浇注1.0m的封底混凝土 ，拆除第三道围囹，承台施工，施工完毕后，基坑回填至承台顶面，拆除第一、第二道围囹。以上工序中较危险，经过计算此工序能安全通过。2.3.1土压力计算q5=sattan2(450-)h2+土tan2(450-)h3+土h tan2(450-)= 219.310.406+201.160.406+200.406=97916N/m2q4=sattan2(450-)h2+土tan2(450-)h3+土h tan2(450-)=218.010.406+201.160.406+200.406=85832N/m2q3=sattan2(450-)h2+土tan2(450-)h3+土h tan2(450-)=2140.406+200.4061.16+200.406=51643N/m2 q2=sattan2(450-)h2+土tan2(450-)h3+土h tan2(450-) =210.4061+200.4061.16+200.406 =26065KN/m2 q1=sattan2(450-)h2+土tan2(450-)h3+土h tan2(450-) =0+0+0+200.406 =8120N/m22.3.2支撑结构线荷载计算支撑结构计算采用结构力学求解器，计算模型如下：图3 支撑结构计算模型计算结果如下：图4 四周围囹每延米受力图（单位：N）计算结果汇总： 杆端 1 杆端 2 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 1 0.00000000 113614.880 -56062.8698 0.00000000 -97695.3199 -43082.4057 2 0.00000000 116634.187 -43082.4057 0.00000000 -103325.812 -50963.6176 3 0.00000000 78033.7244 -50963.6176 0.00000000 -46299.0755 -22014.7393 4 0.00000000 30202.4475 -22014.7393 0.00000000 0.00000000 0.00000000 5 -76501.5230 0.00000000 0.00000000 -76501.5230 0.00000000 0.00000000 6 0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 -30202.4475 -22014.7393 7 0.00000000 46299.0755 -22014.7393 0.00000000 -78033.7244 -50963.6176 8 0.00000000 103325.812 -50963.6176 0.00000000 -116634.187 -43082.4057 9 0.00000000 97695.3199 -43082.4057 0.00000000 -113614.880 -56062.8698 10 -181359.536 0.00000000 0.00000000 -181359.536 0.00000000 0.00000000 11 -214329.507 0.00000000 0.00000000 -214329.507 0.00000000 0.00000000由计算结果知，支撑结构最大线荷载为214329N。2.3.3支撑结构内力计算：计算模型如下：图5支撑结构内力计算模型计算结果如下：图6 围囹、支撑轴力图图7 围囹剪力图图8 围囹弯矩图现将计算结果汇总如下： 杆端 1 杆端 2 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 1 -489419.548 624811.503 0.00000000 -489419.548 -414684.146 509558.842 2 -489419.548 -3944.38002 509558.842 -489419.548 -861260.380 -1220850.67 3 -1543168.79 324207.528 -1220850.67 -1543168.79 -297346.571 -1181902.29 4 -484332.764 837120.609 -1181902.29 -484332.764 -63061.1908 443622.487 5 -484332.764 428279.270 443622.487 -484332.764 -611216.379 0.00000000 6 -611216.379 484332.764 0.00000000 -611216.379 -480147.735 9416.31476 7 -611216.379 578688.300 9416.31476 -611216.379 -578688.300 9416.31476 8 -611216.379 480147.735 9416.31476 -611216.379 -484332.764 0.00000000 9 -484332.764 611216.379 0.00000000 -484332.764 -428279.270 443622.487 10 -484332.764 63061.1908 443622.487 -484332.764 -837120.609 -1181902.29 11 -1543168.80 297346.571 -1181902.29 -1543168.80 -324207.528 -1220850.67 12 -489419.548 861260.380 -1220850.67 -489419.548 3944.38002 509558.842 13 -489419.548 414684.146 509558.842 -489419.548 -624811.503 0.00000000 14 -624811.503 489419.548 0.00000000 -624811.503 -475060.951 32306.8423 15 -624811.503 578688.300 32306.8423 -624811.503 -578688.300 32306.8423 16 -624811.503 475060.951 32306.8423 -624811.503 -489419.548 0.00000000 17 -1053749.25 0.00000000 0.00000000 -1053749.25 0.00000000 0.00000000 18 -1586102.65 0.00000000 0.00000000 -1586102.65 0.00000000 0.00000000 19 -1551821.36 0.00000000 0.00000000 -1551821.36 0.00000000 0.00000000 20 -1058836.03 0.00000000 0.00000000 -1058836.03 0.00000000 0.00000000 21 -1058836.03 0.00000000 0.00000000 -1058836.03 0.00000000 0.00000000 22 -1551821.36 0.00000000 0.00000000 -1551821.36 0.00000000 0.00000000 23 -1586102.65 0.00000000 0.00000000 -1586102.65 0.00000000 0.00000000 24 -1053749.25 0.00000000 0.00000000 -1053749.25 0.00000000 0.00000000 25 -491340.461 0.00000000 0.00000000 -491340.461 0.00000000 0.00000000 26 -1625807.64 0.00000000 0.00000000 -1625807.64 0.00000000 0.00000000 27 -491340.461 0.00000000 0.00000000 -491340.461 0.00000000 0.00000000 28 -410739.766 0.00000000 0.00000000 -410739.766 0.00000000 0.00000000 29 -1596207.67 0.00000000 0.00000000 -1596207.67 0.00000000 0.00000000 30 -410739.766 0.00000000 0.00000000 -410739.766 0.00000000 0.00000000支撑杆件内力验算：A、截面正应力验算：=M/W=1220850/2/3325.43=180Mpa符合要求B、截面剪应力验算：=符合要求C、支撑杆件截面验算：=N/A=1586102/293.55=54Mpa符合要求2.4 封底混凝土厚度、强度计算2.4.1封底混凝土厚度计算以415#为例，最高水位取+3.0m,钢板桩围堰顶标高+3.162m，底标高-11.838m,承台底标高为-6.465m。封底混凝土厚度为h，则封底混凝土底标高为（-6.465-h）,水深为（3+6.465+h）。11个200cm桩基钢护筒部分按不受力计算。钢板桩与土之间的摩擦阻力取12Kpa，钢护筒与封底混凝土之间的摩阻力取100Kpa。（1）围堰整体浮力：（2）钢板桩围堰自重：3962KN（3）封底混凝土重量：(20.814.4-3.141211)h26=(6889h)KN（4）桩基钢护筒抗拔力：113.142h100=(6908h)KN（5）钢板桩抗拔力：(20.8+14.4)2(4.55+11.7)12=13728KN（6）封底混凝土厚度计算：建立方程：1.05F浮=G1+G2+F1+F2解得：h=0.78m(取h=1.0m)。2.4.2封底混凝土强度验算1m厚C20封底混凝土被桩基分切成若干块，可以按照简支双向板计算，最大跨径为3.9（取相邻桩间距）米，取1m宽一条作为研究对象，来验算封底混凝土的弯曲应力。式中 封底混凝土最大计算长度（m）； q封底底面静压力（kPa）； W封底混凝土每1m宽截面的抗弯模量（m3）； h封底层顶面处至水位面高度（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封底混凝土容许抗弯曲强度，采用C20混凝土，考虑荷载作用时间较短，可取1540kPa。=6m，=10 kN/m3，=26kN/m3，h=8.3m，d=1m，将以上数据代入公式得f=753KPaf，满足要求。三、 钢板桩围堰施工工艺和方法在打设钢板桩后，安装围囹。在围堰内设置三道围囹，围囹与钢板桩之间焊接，上下围囹之间用型钢将三道围囹焊接成整体，这样钢板桩围堰就形成一个整体，抵抗整体倾覆的能力大大增加，如下图所示。图9 工字钢焊接上下支撑钢管图10 槽钢焊接上下围囹（1）将钢板桩运到工地后，认真做好检查、丈量、分类、编号工作，同时对两侧锁口用一块同型号长2-3m 的短桩做试验，以2-3人拉动通过为宜。锁口通不过或桩身有弯曲、扭曲、死弯等缺陷，采用冷弯、焊补、铆补、割除等方法加以整修；同时接头强度与其它断面相等，接长焊接时，用坚固夹具夹平，以免变形。在焊接时，先对焊，再焊接加固板，对新桩或接长桩，在桩端制作吊装孔。组桩及单桩的锁口内，涂以黄油混合物油膏（重量配合比为：黄油：沥青：干锯末：干粘土：=2:2:2:1）以减少插打时的摩阻力，并加强防渗性能。（2）导框安装在进行安装导框时，先进行定位测量。导框采用现场分段制作，固定在定位桩上。（3）钢板桩的吊运、插打与合拢钢板桩检查合格后，允许堆放最多四层，每层用垫木隔开，高差不得大于10mm,上下层垫木中线在同一垂线上，允许误差不得大于20mm。将钢板桩运至指定位置，采用40T浮吊和D