水中墩深基坑钢板桩围堰设计与施工

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+852.41~DK250+097.266，全长248.963km。徐舍特大桥工程起讫里程为DK98+501.560~DK117+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+911.320~DK112+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11φ2.0m钻孔灌注桩，桩长62.5m（57.5m），一级承台尺寸为12.4m×18.8m×4m，二级承台尺寸为6.0m×12.0m×1.5m，承台底设计标高为-2.965m（-6.305m），墩身为4m×10m×6.85m（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20.8m×14.4m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Ⅳ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δ=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：①搭设钢板桩，②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，③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，④有水开挖至基坑底，浇注1.0m的封底混凝土，⑤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④较危险，经过计算此工序能安全通过。2.3.1土压力计算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1-489419.548624811.5030.00000000-489419.548-414684.146509558.8422-489419.548-3944.38002509558.842-489419.548-861260.380-1220850.673-1543168.79324207.528-1220850.67-1543168.79-297346.571-1181902.294-484332.764837120.609-1181902.29-484332.764-63061.1908443622.4875-484332.764428279.270443622.487-484332.764-611216.3790.000000006-611216.379484332.7640.00000000-611216.379-480147.7359416.314767-611216.379578688.3009416.31476-611216.379-578688.3009416.314768-611216.379480147.7359416.31476-611216.379-484332.7640.000000009-484332.764611216.3790.00000000-484332.764-428279.270443622.48710-484332.76463061.1908443622.487-484332.764-837120.609-1181902.2911-1543168.80297346.571-1181902.29-1543168.80-324207.528-1220850.6712-489419.548861260.380-1220850.67-489419.5483944.38002509558.84213-489419.548414684.146509558.842-489419.548-624811.5030.0000000014-624811.503489419.5480.00000000-624811.503-475060.95132306.842315-624811.503578688.30032306.8423-624811.503-578688.30032306.842316-624811.503475060.95132306.8423-624811.503-489419.5480.0000000017-1053749.250.000000000.00000000-1053749.250.000000000.0000000018-1586102.650.000000000.00000000-1586102.650.000000000.0000000019-1551821.360.000000000.00000000-1551821.360.000000000.0000000020-1058836.030.000000000.00000000-1058836.030.000000000.0000000021-1058836.030.000000000.00000000-1058836.030.000000000.0000000022-1551821.360.000000000.00000000-1551821.360.000000000.0000000023-1586102.650.000000000.00000000-1586102.650.000000000.0000000024-1053749.250.000000000.00000000-1053749.250.000000000.0000000025-491340.4610.000000000.00000000-491340.4610.000000000.0000000026-1625807.640.000000000.00000000-1625807.640.000000000.0000000027-491340.4610.000000000.00000000-491340.4610.000000000.0000000028-410739.7660.000000000.00000000-410739.7660.000000000.0000000029-1596207.670.000000000.00000000-1596207.670.000000000.0000000030-410739.7660.000000000.00000000-410739.7660.000000000.00000000支撑杆件内力验算：A、截面正应力验算：σ=M/W=1220850/2/3325.43=180Mpa符合要求B、截面剪应力验算：τ=符合要求C、支撑杆件截面验算：σ=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φ200cm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：(20.8×14.4-3.14×12×11)×h×26=(6889h)KN（4）桩基钢护筒抗拔力：11×3.14×2×h×100=(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，=10kN/m3，=26kN/m3，h=8.3m，d=1m，将以上数据代入公式得f=753KPa＜[f]，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