青岛海湾大桥非通航孔桥承台围堰方案选择

青岛海湾大桥非通航孔桥承台围堰方案选择

1非通航孔桥承台青岛海湾大桥位于胶州湾北部，全长26.707公里，其中海湾大桥全长25.880公里。第七合同段为大沽河航道桥及45跨非通航孔桥下部工程,全长为3.31km,见图1。非通航孔桥采用五跨一联的连续梁结构,单跨跨径为60m。主梁按双幅设计,左、右幅墩身分离,墩身均为花瓶形,每墩下设4根钻孔灌注桩基础。非通航孔桥承台均为带圆弧的矩形结构,按照其大小分E、F、G三类:E类承台10个,尺寸为7.7m×7.7m×3.0m;F类承台40个,尺寸为8.5m×8.5m×3.5m;G类承台40个,尺寸为9.3m×9.3m×3.5m。非通航孔桥承台处海水深3～6m。胶州湾海域属规则半日潮类型。桥区V¯¯¯1/20=1.38m/sV¯1/20=1.38m/s;设计波高H1/100=2.83～2.95m;最高设计通航水位+3.04m;20年一遇设计浪高2.19m;海底标高-3.0～-5.0m;承台顶标高均为+0.3m;E类承台底标高-2.7m,F、G类承台底标高-3.2m。最高潮位3.09m,最低潮位-3.12m,平均高潮位1.39m,平均低潮位-1.40m,最大潮差4.75m,涨、落潮历时5～6h。桥址处覆盖层为海相沉积物层,覆盖层以淤泥、淤泥质亚粘土及淤泥质粘土为主。2两组围堰比选方案比选本工程施工主要特点:①承台数量多,工期紧;②受潮汐、风浪及大雾等不良气候影响大;③海洋环境下对承台防腐要求高,施工周期长。根据以上特点并结合该项目资源的配置情况,对4种围堰方案进行比较,见表1。通过比较可知,混凝土吊箱围堰方案是最节省工期、最便捷的围堰形式。但是,由于桥区承台数量多,工期紧张,混凝土吊箱围堰对预制场地和运输、吊装设备均要求较高,结合现场实际情况,全部选择混凝土吊箱围堰不太现实。单壁钢围堰所需加工场地大,一次性投入使用钢材多,全部选择单壁钢围堰所需加工时间长,影响工期。钢板桩围堰跟插板桩围堰单价高,止水效果不太好。所以考虑采用多种围堰形式进行承台施工,加快施工进度。本标段E类10个、F类6个承台采用混凝土吊箱围堰施工,F类2个承台采用钢板桩围堰方案施工,其余承台均采用单壁钢围堰和插板桩围堰方案施工。3承台污水处理厂设计3.1钢板桩插打选用德国拉森Ⅲa型钢板桩,长度15m。围堰顶标高为+4.0m,底标高为-11.0m。围堰内部平面尺寸均比承台向外扩1.094m。围堰采用2道围檩,上、下层围檩间距为2.0m,围檩全部采用钢框架结构,内壁4个角采用八字撑焊接固定,见图2。钢板桩围堰设计计算按5个工况:①插打钢板桩;②安装第1层内支撑;③安装第2层内支撑;④浇注封底混凝土;⑤承台施工。经计算,工况⑤钢板桩的应力最大,最大正应力为157MPa,最大剪应力为30MPa。第1层围檩最大正应力21.8MPa,最大剪应力为55MPa;第2层围檩最大正应力27.9MPa,最大剪应力为41MPa,均满足受力要求。护筒与混凝土之间摩阻力按150kN/m2计,经计算,封底混凝土厚度取1.2m,即可满足强度及抗浮要求。利用履带吊配合振动锤插打钢板桩。钢板桩插打前,在护筒上提前安装上、下层围檩兼做板桩插打的导向装置。钢板桩从中间向两边逐根插打。钢板桩沿围檩下插,每隔4～5m设置1道限位板,以保证钢板桩的平面位置。钢板桩插打过程中,随时检查桩身垂直度,并及时调整,待钢板桩围堰合拢时,如钢板桩上端向合拢口倾斜,可在钢板桩顶端利用千斤顶互顶调至所需间距。钢板桩锁口环环相扣,整个围堰闭合后,焊接固定2道围檩,并将围檩与钢板桩之间空隙逐个以硬木塞紧,以免变形。3.2插板桩制作结构插板桩围堰设计顶标高为+4.0m,总高度为9m。单个承台由32块插板桩组成,单块插板桩为Ⅰ32a和[10型钢组成的桁架结构。围堰内部平面尺寸均比承台向外扩1.0m。围堰采用2道围檩,上、下层围檩间距为2.0m,全部采用钢框架结构,内壁4个角采用八字撑焊接固定,总体布置见图3。为保证插板桩接缝处不渗水,利用ϕ57mm×4mm与ϕ70mm×5mm的2根钢管制作成阴阳头连接的方式进行连接固定,并在阴阳头接缝内灌注水泥浆以起到防渗作用。插板桩围堰结构计算分5个工况:①插打板桩;②安装第1层内支撑;③安装第2层内支撑;④浇注封底混凝土;⑤承台施工。经计算,工况⑤插板桩的应力最大,其最大正应力为170MPa,最大剪应力为45.6MPa。第1层围檩最大正应力50MPa,最大剪应力为60MPa;第2层围檩最大正应力34.5MPa,最大剪应力为56MPa,均满足受力要求。护筒与混凝土之间摩阻力按150kN/m2计,经计算,封底混凝土厚度取1.2m,即可满足强度及抗浮要求。插板柱利用浮吊吊装振动锤分块插打,插打方法同钢板桩围堰,内支撑兼做导向圈梁。3.3单壁钢水池3.3.1螺栓连接设计方案单壁钢围堰顶标高为+4.0m,底标高为-5.0m,围堰平面内尺寸较承台向外扩80cm。围堰壁板由竖向肋(Ⅰ25a)、水平肋([8)、面板及内部围檩系统等组成,整个围堰环向分为8块,各块之间采用M18×60螺栓连接,拼缝处设20mm厚止水橡胶条。单壁钢围堰结构见图4。钢围堰内设置2层围檩,内壁4个角采用八字撑焊接固定。单壁钢围堰设计计算分3个工况:①钢围堰下沉到位后,围堰内挖泥至-4.2m,底节壁板受1.0m高度范围的土侧压力作用;②封底混凝土浇注后初凝前,混凝土侧压力与土侧压力之差,作用于底节围堰内壁板上;③封底混凝土达到设计强度时抽水,计算围堰在波浪、水压力等作用下钢围堰各杆件的内力。经分析,工况③为最不利工况,钢围堰结构本身以工况③控制设计,对该控制工况进行验算。护筒与混凝土之间摩阻力按150kN/m2计,经计算,封底混凝土厚度取1.0m,即可满足强度及抗浮要求。工况③单壁钢围堰主要构件应力见表2。3.3.2单壁钢水池设计(1)汽车吊拼装工艺钢围堰壁板、围檩等钢构件分块加工,运输至现场,利用汽车吊在码头上拼装成整体。拼装时各壁板接缝处设20mm厚止水橡胶,上紧螺栓,严格控制拼缝变形,防止渗水。围檩与钢围堰壁板间点焊固定。(2)钢围堰体系化安装法围堰整体下沉前,测量海底原始标高。为加快施工进度,必要时对海底进行清淤,清淤时严格控制开挖方量,采用多点方格测量,确保清淤深度达到设计高程。围堰拼装完成后,利用浮吊整体吊装下沉。尽量保证钢围堰均衡下沉,控制其平面位置偏差不大于±3cm,倾斜率不大于1%。发现偏位后,及时利用置于护筒与钢围堰之间的水平千斤顶配合手拉葫芦进行纠偏,围堰整体下沉到位后及时焊接定位系统。在围堰内外回填碎石,保证钢围堰刃角入土深度不少于170cm,严格控制回填后围堰内外标高。3.4混凝土悬臂坝设计3.4.1混凝土吊箱安装混凝土吊箱围堰与承台浇筑成一体,作为承台的永久模板和结构。混凝土吊箱围堰为无隔墙空箱钢筋混凝土结构,整体高度分别为357cm(E类)、407cm(F类),壁厚为30～33cm,底板厚52cm。吊箱底板采用Ⅱ级钢筋B22@20cm间距配筋,壁板采用Ⅱ级钢筋B22@20cm和B25@20cm两种类型配筋。吊箱采用C30海工混凝土,抗冻等级F250,保护层厚度为50mm,混凝土吊箱外侧保护层内配ϕ5@100mm钢丝网。吊箱内尺寸按承台尺寸向外各扩2cm,吊箱与承台侧壁之间设2cm厚泡沫层,以防止承台大体积有底混凝土膨胀引起围堰开裂。吊箱预制前,进行护筒平面及垂直度测量,确定吊箱底板预留孔的尺寸及平面位置。防浪板安装于混凝土吊箱围堰顶部,通过壁板顶的预埋螺杆与围堰连接成整体,拼成整体的吊箱围堰断面见图5。防浪板由钢面板和骨架组合而成,高3m。面板为厚6mm的钢板,竖肋采用[8型钢,横向布置3道水平Ⅰ25a骨架,底脚设[20型钢,防浪板分块加工、安装。混凝土吊箱围堰结构计算分3个工况:①吊箱受波浪力作用;②吊箱作为承台模板受力;③吊箱底板抗冲切。混凝土吊箱围堰结构本身以工况②、③控制设计。3.4.2吊箱及钢护筒安装将吊箱上防浪板与下部混凝土吊箱拼装成整体后,用方驳运至施工桩位,利用起重船吊装,待吊箱下放至设计标高处将吊架临时悬挂在钢护筒上,并利用反压牛腿等设施临时固定。吊箱底板预留孔与护筒间采用充水胶囊止水。低潮时抽水,将吊箱底板上的预埋件与钢护筒焊接成一体后拆除吊架,割除钢护筒剩余部分,完成体系转换。在干施工条件下浇筑完成承台、首节墩身后,拆除防浪板。(1)吊箱放电和调整①吊箱底板预留孔的预制精度。吊箱下放时预留孔套在护筒上,通过护筒上口的偏移量,结合护筒的实际垂直度得出预留孔的偏移量,控制吊箱底板孔位。②下放过程中的标高控制。吊箱的标高主要靠调整吊杆长度控制,吊杆一端销接在吊箱底板预埋件上,另一端通过螺栓锚固在吊架上。吊箱下放过程中,利用吊架上口的螺栓准确调整ϕ32mm精轧螺纹钢吊杆的长度来调整吊箱标高。③下放后精调。吊箱抽水前,在护筒与吊箱间设置8个千斤顶临时固定吊箱,利用全站仪测量其偏位并通过千斤顶进行调位,直至满足规范要求。(2)混凝土悬臂杆应永久关闭吊箱下放就位后,经精调后将吊箱与护筒进行永久焊接固定,见图6。待永久焊接后进行承台钢筋施工,并将吊箱与承台浇筑成一体。4两组分析比较结果分别从工期、经济性方面对4种围堰方案进行详细的分析比较,结果见表3。由表3可