深水低桩承台钢板桩围堰设计与施工技术.pdf

・桥涵工程・深水低桩承台钢板桩围堰设计与施工技术宋军（中铁十四局集团有限公司济南２５００１４）摘要以广珠城际轨道交通工程ＺＨ．１标顺德水道特大桥５９＃～７０＃水中墩工程实践为例，针对水中墩为低桩承台，水深基软且地处一座既有桥梁与一座在建桥梁之间，施工区域异常狭窄的特殊情况，在与其它围堰方案进行技术经济比较后，并经结构设计及方案优化，采取钢板桩围堰方案并成功实施。关键词深水低桩承台钢板桩围堰设计中图分类号Ｕ４４５．５５６文献标识码Ａ＋Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１５）０５００３５０４ＤｅｓｉｇｎａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳｔｅｅｌＰｌａｔｅＰｉｌｅＣｏｆｆｅｒｄａｍｉｎＤｅｅｐＷａｔｅｒｏｆＬｏｗ－ｐｉｌｅＣａｐｓＳｏｎｇＪｕｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１４ｍＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ’Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎＳｈｕｎｄｅＷａｔｅｒｗａｙＳｕｐｅｒＭａｊｏｒＢｒｉｄｇｅＮｏ．５９ｔｏＮｏ．７０ｐｉｅｒｓｉｎｗａｔｅｒｐｒｏｊｅｃｔｐｒａｃｔｉｃｅｏｆ—ＧｕａｎｇｚｈｏｕＺｈｕｈａｉｉｎｔｅｒｃｉｔｙｒａｉｌｔｒａｎｓｉｔｐｒｏｊｅｃｔＺＨ一１ｂｉｄ，ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｉｃｕｌａｒｎａｒｒｏｗｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｒｅａ，ｔｈｅｌｏｗ－ｐｉｌｅｃａｐｏｆｐｉｅｒｉｎｗａｔｅｒ，ｗｉｔｈｄｅｅｐｗａｔｅｒａｎｄｓｏｆｔｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｌｏｃａｔｉｎｇｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆａｎｅｘｉｓｔｉｎｇｂｒｉｄｇｅａｎｄａｂｒｉｄｇｅｕｎ－ｄｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｃｈｅｍｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｍａｄｅａｆｔｅｒｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｏｔｈｅｒｃｏｆｆｅｒｄａｍｐｒｏｇｒａｍｓ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｏｆｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｐｉｌｅｃｏｆｆｅｒｄａｍＷａＳａｄｏｐｔｅｄａｎｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｅｅｐｗａｔｅｒ；ｌｏｗ・ｐｉｌｅｃａｐ；ｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｐｉｌｅｃｏｆｆｅｒｄａｍ；ｄｅｓｉｇｎ１工程概况广珠城际顺德水道特大桥长４０２７．５３ｍ，其中陆上部分３５７７．５３ｍ，跨水部分４５０ｍ。水道桥跨计１２孔，其中主跨为４５ｍ＋２×７５ｍ＋４５ｍ连续梁。５９＃～７０＃水中墩水深在７～２０ｍ之间，设计为低桩承台，６３＃～６５＃主墩承台设计为长１６．２ｍＸ宽１８．９５ｍＸ高６．５ｍ。水中墩６２＃～６６域的立面、平面布置见图１。顺德水道特大桥位于已建成高速公路及地方既有公路桥之间，与其左右相距约１４～１６ｍ。——收稿日期：２０１５０３０３广州珠海…………晤一～母～国一一一髑一圃◎◎⑩◎◎图１６２＃一６６群水中桥跨结构２工程地质及水文地质２．１工程地质围堰内地层结构按岩土分层自上而下划分见表１。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（５）万方数据・桥涵工程・表１围堰内地层结构岩土容许承载桩周土极限层号状态附注名称力口／ｋＰａ摩擦力ｒ／ｋＰａ淤泥质分布于６ｌ一６２、（３）３软塑１８０４０亚黏土—６５、６７６８墩淤泥质—分布于５９６０、６３（２）４松散１００３０粉砂—６４、６６、６９～７０墩分布于（３）３、（２）４（２）２淤泥流塑５５２０以下泥质粉（６）１全风化３００１００分布于（２）２以下砂岩２．２水文地质（１）流量（Ｑ１００）１０８１１ｍ３／ｓ、流速１．５４ｍ／ｓ。（２）水位（百年）３．６８４ｍ。—（３）汛期６９月，枯水期１～３月。（４）受潮汐影响，潮差约为１ｍ。３选择钢板桩围堰的依据（１）桥位处施工面狭窄，位于既有两座桥梁之间，无法采取圆形双壁钢围堰的方案。（２）河床以下淤泥层、淤泥质粉砂层较厚，总层—厚在１１４０ｍ之间，承载力低，适合钢板桩插打，可操作性强。４钢板桩围堰设计４．１钢板桩围堰结构水中主墩钢板桩围堰结构参数见表２。表２水中主墩钢板桩围堰结构参数—～＼墩号序号项目～＼６３６４６５平面长／根数ｍ／根２３．２／５８２３．２／５８２３．２／５８１钢板宽／根数ｍ／根２０．４／５ｌ２０．４／５ｌ２０．４／５１桩面积ｍ２４６８．６４４６８．６４４６８．６４正面桩长ｍ３０．Ｏ３０．Ｏ３０．０２钢板水中高ｍ２０．４７１６．４７１６．４７桩人土深９．０３１３．０３１３．０３钢围双拼主梁层数４５５３囹竖支撑有有有砼封厚度ｍ５５５４底顶距桩底１３．２８５１３．２８５１３．１２５围堰挖深０．７４５４．７４５４．９｜Ｄ５５挖基底距桩底８．２８５８．２８５８．１２５抽完。围护结构计算采用ｍｉｄａｓ软件，其中拉森ＩＶ型钢板桩按板单元模拟，钢围囹与内支撑按梁单元模拟。以６３＃主墩为例，说明计算过程及结果。６３荆敦４道钢围囹的参数见表３。表３６３０ｔ鲴ｔ钢围囹参数编号１２３４标高／ｍ２．５一１．５—５．５—９．２截面２１４０ａ２１４０ａ２１５６ａ２１５６ａ６３０ｔ弱ｔ钢板桩围堰的计算模型见图２。图２６３０－墩计算模型４．３钢板桩强度和稳定性验算在水土压力的共同作用下，围护结构的最大位移为１３．７８ｍｍ，如图３所示。…置摆．３７８７９ｅ－００．２）Ｊ４４。－ＵＵ芝ｉ：１２８ｌ０ｅ＿００；醚图３６３＃ｔ敦围堰结构变形图４．２计算模型的建立钢板桩围堰的顶标高按施工期汛期最高水位第四道钢围囹的最大计算应力为１１８．６ＭＰａ，取＋４．０ｍ。最不利工况为封底后将围堰内的水满足材料的受力要求，如图４所示。３６铁道建篼技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｆ５Ｊ万方数据・桥涵工程・昌！｛｛雾黧嵫１ＨＳ＾ｒｔ）¨二图４６３＃Ｊｌｔ钢围圈应力图４．４钢板桩围堰封底计算按浮力控制计算封底厚度，主要依靠封底混凝土的自重，经计算封底混凝土的厚度为４．８ｍ，取值５ｍ。考虑到封底混凝土施工完成、等强并抽水后顶部浮浆层需要清除，为保证封底质量，封底厚度取值为５．５ｍ。５钢板桩围堰施工５．１围图及支撑结构嗣网及支撑结构见图５．ｒｎ＋２５ｍ／＼｛一霍，２１４０ａ－ｒ－字铜组各固檩２道‘糟钢雹，０．０ｍ∥√∥１卜ｂ＼７—ｊｆ２１５６ａ工字铜组夸走撑５道／——～ｂ１卜＼刀—ｌ蛩、ｔＺ１５６ａ工字钢竖向乏撑２０道⑦Ｊ一２．５ｍ——刀Ｎ沙＼、参、口２１５６ａ工字钢组合围檩５道④一５．５ｍ⑤一８ｓｍ∽Ｎ入Ｚ【２０槽钢—‘—————＋＇一⑥一１１，５ｍ∥刀Ｎ＼承台—／７雹Ｉ＿１５５ｍ瀛胗镧淤１４０ａ剪月埤‰／＝赢承台鹿标高Ⅸ潲凶渫１４０ａ剪刀掉————／７，一１８０９ｍ一’】口●●廿●廿［●●‘●●●－●●封底ｃ２ｄｄ下姑●●封成砼廒标高●一２４０９ｍ。●ｔ●日堰底标高一２６ｍ垃桩植图５围图及支撑结构６３＃～６５＃水中主墩钢围囹及支撑的设置情况见表４。５．２围囹及支撑的安装、下放及拆除采用逆作的方法，先安装围囹及支撑到位，再打设钢板桩。围囹、支撑安装及下放利用桥梁桩基钢护筒组成吊架体系，从最底层开始，自下而上分层吊装、下放并接高钢围囹至第一层位置。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ表４水中主墩钢围图及支撑参数序号墩号６３６４６５ｌ围囹层数（双拼）４５５层１～层２４．Ｏ３．０３．０层距／层２一层３４．０３．０３．０２层３～层４３．７２．５２．５ｍ层４～层５３．２３．２最底层～封底顶面３．５１５３．５１５３．６７５角撑有有有３支撑平撑有有有竖撑及剪刀撑有有有围囹及支撑安装及下放过程中，应跟踪测量，确保定位准确，以便后期钢板桩施打的精度。围囹及支撑的安装、下放系统见图６。反力粱坚！竺堕塾！竺塑Ｉ≈１５０ｔ穿千斤硬；趸２１４５ａ扁担梁ａ．立面图宁向装王钢护筲曩ｂ．平面图图６围圈及支撑吊装、下放系统钢围囹及内支撑拆除：按照先拔除钢板桩，后自上而下分层拆除围囹的顺序进行。５．３钢板桩施打５．３．１施打方向及顺序施打由上游宽度方向开始，于下游宽度方向处２０１５ｆ５Ｊ３７万方数据・桥涵工程・合龙，依次完成钢板桩的打设。钢板桩的施打方向及顺序见图７。图７钢板桩施打方向及顺序５．３．２施打工艺针对本桥围堰处淤泥层及淤泥质粉细砂层较厚的情况，采用液压桩机静力压桩的方法，吊压配合，控制钢板桩平稳、均匀地下沉。施打工艺见图８。裂ｔ３２ｍ—ａ．起（平）吊ｂ．提升吊Ｃ．吊立（直立）∥鳖目＝弋＝，河床Ｅｊ＝‘：．．ｉ．．・．Ｌｄ．吊、压桩配合ｅ．压桩作业图８钢板桩施打工艺５．４钢板桩堵漏基坑抽水后，在钢板桩接缝出现渗漏水处，采用沥青麻筋由潜水员进行填塞，同时在围堰外上游方向撒水泥、锯沫等办法来进行堵漏。５．５钢板桩拔除“”按照先打后拔、后打先拔的原则依次对钢板桩进行拔除。６水下挖基６３＃一６５＃主墩钢板桩围堰基坑设计尺寸为２３ｍ×２０．２ｍ，最大挖深９．５ｍ，单个基坑最大开挖量达４４００ｍ３。挖基在有水的条件下进行，此时围堰内外水位平衡，围堰结构处于稳定状态。在开挖初期，采用液压式抓斗进行挖基；在开挖后期，针对本工程的实际地质情况，采用泵吸反循环（抽浆）的方法进行挖基，此办法可大大提高开挖的效率。基坑内清理出来的泥沙由泥浆船运至指定地点进行排放，严禁直接排入水体，以免污染环境。７水下砼封底施工钢板桩围堰砼封底特点为面积大，砼方量大，砼浇筑持续时间长，５９＃一７０＃墩封底厚度为２～６ｍ，其中７个围堰厚５～６—ｍ；面积为２２８４６５ｍ２；砼方量为４５６～２７８８ｍ３，采取在围堰内设置隔舱、６条导管分仓水下浇筑砼的方法进行施工，如图９。Ⅳ３０ｍ长型图９水下砼封底施工布置浇筑顺序如下：先浇筑１～６六个仓的砼至１．０ｍ左右＿再浇筑７～１２六个仓的砼至２．０１７１左右一再浇筑ｌ一６六个仓的砼至３．０—ｍ左右循环浇筑砼至设计标高。８防止基坑底部隆起的措施基坑开挖过程中，安排测量人员对布设在外露（下转第４８页）３８铁道建甜技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｆ５Ｊ万方数据・桥涵工程・漏水。经检查合格后，即可进行下放。受入水深度加深浮力增大影响，下放过程中需要不停地向隔仓内注水，以抵抗水的浮力。采用同样方式，进行后续节段的拼装、下放施工，直至钢围堰刃角到达河床位置，此时充水已无法克服土体的摩擦力，即进入下一阶段下放施工。４．４．２入河床下放围堰落河床前，先对双壁钢围堰进行一次精确的定位后，往钢围堰舱内对称注水，并通过手拉葫芦调整，缩小围堰顶面高差。钢围堰刃角部位抵达河床后，注水已无法满足下放的重量要求，因此，采用吸泥设备将刃角部位土体清除，减小土体对围堰的摩擦阻力，使其逐步下放。围堰落河床工作安排在水位低、流速小时进行，以减少水流对下放的影响。ⅡⅡ由于底部钢围堰设计时面板厚度仅为３ｎ，为防止下放过程中面板损坏，待吸泥下沉至人河床５０ｃｍ左右，向壁内填充４ｍ高混凝土，一方面用来克服土体摩擦阻力，另一方面保护围堰面板免受损坏漏水。吸泥时，根据土体性质，确定吸泥深度和吸泥时长，保证吸泥过程中围堰的均衡下沉。同时，随着泥土的吸除，注入钢围堰内同体积的水，使围堰内外水位保持一致。为保证吸泥后钢围堰平稳下沉，吸泥厚度控制在５０ｃｍ左右，并沿围堰内壁连续进行吸泥。由于钢围堰下放设计位置所处地层为淤泥质黏土，在前期下放时，由于土中含有大量胶状黏土块，吸泥效果不太理想。为提高吸泥效率，吸泥前，先对即将施工区域范围内的泥土，采用吊车使用工字钢自制的器具，将泥块插打成小块结构，通过此种方法，吸泥效率大幅提高。由于钢围堰范围内土体软硬不均，性质有一定差别，下放过程中存在吸泥后仍难以下放的情况，对此现场采取单独向隔仓内充填混凝土配重的方式，增加此位置处重量，以克服阻力。所需充填的混凝土量根据实际吸泥深度计算后实施。经过吸泥设备沿围堰内壁周边反复进行吸泥，围堰逐渐下落直至设计位置，为减少外部水流及其它因素对钢围堰位置及高程的影响，钢围堰下沉到位后，仍采用Ｌ型牛腿与其进行连接，同时下沉过程中设置的限位装置在封底完成前暂不进行拆除。５结束语双壁钢围堰下放采用最简单的手拉葫芦下放方式，与采用大型浮吊相比，尽管拼装、下放时间相对较长，但却极大地节约了下放成本；而下放过程中两个围堰间如此小的净间距，通过有效控制措施，圆满完成了下放任务，且精度控制在６ｃｍ以内，对今后进行水下工程围堰施工控制提供了很好的借鉴。并且通过这一工程的施工，培养了一批具有水上施工经验的施工队伍和技术人员，也为今后类似水上工程施工积累了丰富的施工经验。参考文献［１］魏贤华．水中裸露基岩中大直径双壁钢围堰施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２００９（３）：２９．’——————————・。＋一－卜－・卜－卜－・卜－・卜－。－卜一＋一－卜一－＋一一＋－＋一＋－＋一＋一＋－＋一＋－＋一＋－＋－＋一＋－＋一＋－＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋－＋一＋一＋一＋－＋一＋一＋一－４－一＋一＋一＋－＋－＋一＋．（上接第３８页）钢板桩上的测点进行连续不问断的监控，并安排专人进行巡视。若围堰内水位出现明显上涨、钢板桩围堰结构出现异响、桩体发生倾斜、位移等情况，即视为基坑底部已发生隆起，应立即停止开挖，并采取向基坑内灌水、回填砂石等应急处理方法，再会同设计方研究下一步的处理方案。９承台施工及支撑的受力转换６３＃～６５＃水中主墩承台厚６．５Ｉｎ，按设计要求分层进行砼浇筑。承台下层砼浇筑完成并达到设计强度后，在承台与围堰结构之间回填砂，采用水密法使砂层密实后在其顶部浇筑１００ｃｍ厚的砼进行封闭，完成底层钢支撑的受力转换，待拆除底层钢支撑后，再继续施工承台上层结构。１Ｏ结束语珠三角地区水系发达，水道众多，为减小墩台对水流的影响，桥梁跨越水道通常采用低桩承台的设计。对于河床以下淤泥层、淤泥质粉砂层等软土较厚的地层条件，采用钢板桩围堰的围护结构方案解决深水桥梁低桩承台的施工难题，不但是安全可行的，而且也是经济合理的。特别是对于施工区域空间受限、双壁钢围堰等其它围堰方式整体浮运就位困难的地段，采用钢板桩围堰能最大程度地减少所受操作空间的制约，更显方便、灵活。４８铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｆ５Ｊ万方数据