钢板桩围堰设计与施工.doc

武汉鹦鹉洲长江大桥1#边塔钢板桩围堰设计与施工 周小毛 武汉鹦鹉洲长江大桥1#边塔钢板桩围堰设计与施工周小毛(中铁大桥局集团六公司鹦鹉洲桥项目部，湖北 武汉430100)摘要：武汉鹦鹉洲长江大桥1#塔位于长江汉阳岸边坡坡脚，墩位处长江水位季节性变化达14m，地层为砂土，夹有细砂板结层，水下取土难度大。结合现场计算设计，基础采用圆端哑铃型钢板桩围堰结构施工。围堰采用先平台后围檩再钢板桩工艺施工，成型后再进行堰内取土和封底。施工过程中，充分结合现场因素，将主体工程与临时结构结合，过程中加强监测监控，确保了工程顺利开展，并为类似基础结构工程施工积累了经验。关键词：钢板桩围堰；设计；哑铃型；钢平台；板结；监测 1 工程概况武汉鹦鹉洲长江大桥1#塔位于长江汉阳岸边坡坡脚，基础设计为长75m的钻孔摩擦桩，桩径2m，承台为哑铃形底桩承台，平面尺寸为67.0m28.0m，厚5.5m，顶面标高+12m，与河床基本持平，不外露水面。墩位处地表覆盖层厚70.878.4m，主要土层有粉砂、中砂、粉土、圆砾土和黏土，基岩为泥岩，岩石总体较完整，岩质较软。桥位处水位随长江季节性水位变化，枯水期约+12m，汛期约+26m，变化达14m。2、围堰结构在满足施工需要的前提下，结合地质情况及经济比较，1塔采取先钻孔后围堰的总体施工方案施工。围堰结构为拉森型钢板桩围堰。根据承台结构，为减少封底混凝土数量，围堰与承台在平面内同为哑铃形(见图1.1-1) ，在承台周圈留有1m宽施工操作空间，平面内净空尺寸为69.0m30.0m，共320根钢板桩。图1.1-1 围堰设计结构图3、围堰设计计算3.1围堰设防水位确定根据施工计划安排和长江水位资料，1#塔围堰内吸泥封底施工在6月底，正处于长江汛期时段。8月底份开始围堰内抽水并施工承台，此时长江水位已经开始并逐步进入枯水期。因此，围堰按长江9月份平均水位+22m标准设防，围堰顶标高+22.5m。3.2封底混凝土厚度计算根据围堰受力原理，在围堰内吸泥取土并抽水后，堰内外水头差引起的浮力由封底混凝土的自重和封底混凝土与钢护筒之间的摩擦力之和进行克服。混凝土与钢护筒之间的摩擦力按150KPa/m2计算，封底混凝土与钢板桩之间的摩擦力不作计算。同时按四边简支双向板计算封底混凝土顶部拉应力，不大于0.5MPa。按设防水位+22m计算确定封底混凝土厚度为3.8m。3.3钢板桩入土深度计算围堰设置两道围檩结构，标高分别为+11.4m和+17.4m，围檩设置位置需满足钢板桩受力需要，同时需尽可能规避对承台施工的影响。钢板桩入土深度的计算工况为：围堰的两道围檩安装到位，围堰内吸泥清淤完成，准备浇筑封底混凝土。采用等值梁法计算确定钢板桩入土深度，首先根据外侧主动土压力等于内侧被动土压力，计算确定钢板桩上土压力强度等于0的位置A。再把围檩支撑点和A点作为支点，按多跨连续梁计算出钢板桩的受力和各支点反力，最后根据钢板桩底弯矩等于0确定钢板桩的入土深度。通过计算确定钢板桩底距离围堰基底深度3.6m，总长28m。4 围堰制造与安装1号塔基础钢板桩围堰采用先围檩后围堰的方式施工，即先施工成型钢平台，在钢平台上拼装围檩内撑构件并整体下放安装到位，再设置插打导向装置沿钢围檩外侧插打钢板桩形成完整钢板桩围堰。上下两层围檩结构分段制作，利用浮吊在墩位处钢平台上分节段整体吊装组拼成型，然后焊装钢管将上下两层围檩连接成整体。围檩拼装完成后，整体下放到水面以下的安装标高位置进行定位，并通过钢平台的支撑钢管进行限位。3.1 钢平台利用枯水期筑岛施工成型钻孔桩基础，在灌注桩基础混凝土时，混凝土超灌1.5m厚，在超灌混凝土内插埋钢管桩作为钢平台支撑桩。丰水期通过法兰盘接高管桩施工成型钢平台结构(见图3.1-1)。图3.1-1 管桩基础图3.2 围檩施工围檩结构采用分块加工制作，利用胎膜架进行精确定位控制尺寸。分块之间接头设置成插接“子母扣”(见图3.2-1)，对插之后再焊接。各分块在场内预拼成型后，利用浮吊将各节段在钢平台上吊装组拼(见图3.2-2)，先拼装底层围檩，再拼装顶层围檩，最后安装上下层的连接钢管。组拼成型后，利用32台50t机械千斤顶分16个吊挂点将围檩整体下放就位。吊挂点通过MIDAS有限元整体建模计算确定，对称布置。为便于人工操作，计算时每个吊挂点按受力小于35t进行控制。每个吊挂点设置2台千斤顶和2根32mm的精轧螺纹钢筋，每次下放一个油顶行程20cm，过程中通过监测确保每个下放点的同步，各点下放高度差不允许大于1cm。在围檩拼装时，对应钢平台支撑钢管位置设置水平限位挡块进行水平限位，间隙10cm，同时作为围檩下放过程的限位导向(见图3.2-3)，保证位置下放过程中水平位置不会发生偏移。围檩下放到设计标高后，将限位挡块与钢管之间的间隙抄垫密实，从而将围檩定位。图3.2-1 围檩接头大样（单位mm）图3.2-2 围檩拼装施工图图3.2-3 导向限位构件3.3 钢板桩施工钢板桩选用振动锤插打。钢板桩插打前，须调平调直，确保每块钢板桩的结构复核要求。在钢板桩围堰内侧设置插打导向架，引导钢板桩插打并定位(见图3.3-1)。要求严格控制首根桩的平面位置和垂直度，后续桩以首根桩为定位支撑连续插打。由于插打偏位、钢板桩尺寸偏差等因素，钢板桩合拢口尺寸与理论值必然会存在偏差，通过现场量取尺寸，制作异型桩进行合拢插打。图3.3-1钢板桩插打4 围堰内吸泥施工河床表层土体，在接高钢平台过程中同步采用长臂挖机机械开挖进行取土，水下土体，利用钢平台结构采取空气吸泥机进行吸泥取土。在江水的侵泡下，地层存在细砂板结层，空气吸泥机在该地层取土功效非常低。结合水深约9m，现场采采用了泥浆泵吸泥和机械抓斗抓土配合，对板结层进行了及时的松动和有效清除，确保了后续空气吸泥机的取土施工功效。5 围堰内封底施工采用水下垂直导管法进行封底施工。封底前详细测定河床标高，潜水员水下对每个桩头和钢板桩表面进行射水冲洗，对基底进行验收。采用273导管进行封底施工，导管采用法兰盘连接，导管配套进行水密试验和使用。混凝土采用单端往另外一端斜向推进灌注施工。首封导管配备15m3料斗，正常灌注导管配备1.5m3料斗。施工过程中，对先期完成灌注的导管及时拆除并倒用到待灌注区域。灌注过程中，每个区域安排专人进行基底测量和灌注方量、进度记录，及时控制混凝土灌注区位，保证每个导管灌注间隔时间不大于30分钟，同时处于灌注过程中的导管数量不大于15根。6 围堰内抽水施工待混凝土达到设计强度后，先对围堰内进行试抽水作业，保持内外水位差控2m，判定围堰渗水情况、围堰变形情况及封底效果是否满足抽水要求。根据实验结果，确定投入的实验仪器设备，全面启动抽水施工。在抽水过程中，根据漏水情况在围堰外侧紧贴锁口位置撒黄砂，利用黄砂进行堵漏(见“图6.1-1)。由于黄砂受围堰振动、水位波动影响大，因此需要专人不间断进行巡逻补撒黄砂。图6.1-1 黄砂堵漏7 围堰监控监测1号塔围堰自钢板桩插打合拢后即开始实施监控监测，对围堰的变形、基底标高和围堰外河床标高进行监测。主要监测项目有围檩的平面位置变化、标高变化、相对距离变化，钢板桩的平面位置变化、标高变化、相对距离变化，围堰外侧的河床标高变化。每日测量2次并及时上报。8 围堰拆除施工围堰拆除安排在枯水期进行，先拆除围檩结构，再拔出钢板桩。围檩拆除顺序为：割除上下层围檩连接钢管拆除上层围檩围堰内注水至底节围檩下沿拆除下层围檩围堰内外水位连通拔除钢板桩。采用振动锤振动拔除钢板桩(见图8.1-1)。图8.1-1 钢板桩拔除作业9 结束语鹦鹉洲长江大桥1号塔位于长江大堤坡脚，基础设计为圆端哑铃型承台，施工受长江水位变化影响大。通过对长江水位的研究分析，结合筑岛和钢平台施工水中墩基础的特点，充分将临时辅助工程与主体工程相结合，科学分析和计算，将长江水位变化大的不利因素转变成了施工的有利因素。通过精心计算分析，围堰结构设计简便新颖，结合了现场实际，受力性能好。基础施工方法安全快速、简便经济，保证了大桥施工快速顺利开展。通过探索，为浅水区域基础施工探索出了思路。参考文献 1 江正荣.建筑施工计算手册.北京:中国建筑工业出版社