游荡性河床桥梁深水低桩承台拉森钢板桩围堰设计施工技术.pdf

・桥涵工程・游荡性河床桥梁深水低桩承台拉森钢板桩围堰设计施工技术王青蕊（中铁十七局集团有限公司太原０３０００６）“”摘要针对黄河游荡性河床低桩承台施工，研究设计了超长拉森钢板桩围堰，并发明应用Ｖ形封口装置解决了拉森钢板桩封口难题，满足了游荡性主河道内深水基础围堰施工需求，降低了河道施工安全风险，简单方便、经济实用，具有较高的推广应用价值。关键词游荡性河床深水拉森钢板桩围堰中图分类号Ｕ４４５．５５６文献标识码Ａ＋Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１５）０３００５４０５ＬａｒｓｅｎＳｔｅｅｌＳｈｅｅｔＰｉｌｅＤｅｓｉｇｎ，ａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＷａｎｄｅｒｉｎｇＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅｉｎＤｅｅｐＷａｔｅｒＬｏｗｅｒＣｏｆｆｅｒｄａｍＰｉｌｅＣａｐｓＷａｎｇＱｉｎｇｒｕｉ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１７山ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｏｒａｌｏｗｐｉｌｅｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｗａｎｄｅｆｉｎｇｆｉｖｅｒｂｅｄｏｆｔｈｅＹｅＨｏｗｒｉｖｅｒ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｅｈｅｒｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｌｏｎｇＬａｒｓｅｎｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｐｉｌｅｃｏｆｆｅｒｄａｍ．ａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｎｔｉｏｎａｎｄ“’’ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＶｔｙｐｅｓｅａｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｏｌｖｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｅａｌｉｎｇＬａｒｓｅｎｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｐｉｌｅａｎｄｍｅｅｔｄｅｍａｎｄｏｆｗａｎｄｅｒｉｎｇｓｈａｍｃｏｆｆｅｒｄａｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｈｅｍａｉｎｆｉｖｅｒ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｒｉｓｋｏｆｒｉｖｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅｓｉｍｐｌｅ．ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｍａｋｅｉｔｗｏｒｔｈｐｒｏｍｏｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｗａｎｄｅｒｉｎｇｒｉｖｅｒｂｅｄ；ｄｅｅｐｗａｔｅｒ；ｌａｒｓｅｎｓｈｅｅｔｐｉｌｉｎｇ；ｃｏｆｆｅｒｄａｍ１引言２黄河游荡性主河床桥梁深水低桩承台围恒Ｈ－糌随着我国大规模地修建各种跨江、跨河甚至”幔地跨海大桥，桥梁深水基础施工技术已经有了大量某铁路特大桥地处黄河游荡性主河道，桥址处的研究应用，如南京大胜关长江大桥主墩基础施河床水深０～１５ｍ，地质为黄河河谷，漫滩阶地，以工采用双壁钢套箱围堰整体制造后浮运定位；陶粉细砂地震液化层为主，局部有孤石，河道摆动幅乐黄河特大桥主墩承台由于受局部冲刷和冰凌期度较大、水位变化频繁，同一天水深变化幅度达４ｍ等自然条件影响，采用双壁圆形钢围堰进行设计多，冲刷严重以及存在凌汛期。施工，施工技术已经比较成熟。但针对内蒙古区该铁路黄河特大桥河道内承台为双层承台，最域黄河游荡性河床，并存在凌汛期的深水基础施大尺寸１７．１ｍｘ１７．１ｍ，开挖深度９．３～１４．９ｍ，围工，在国内外相关技术研究较少，还没有成熟的经堰底部受冲刷极易掏空，出现管涌、下沉及倾斜等验可借鉴。现象，对围堰的结构要求极高。结合承台开挖深——度、工期及现场环境，符合本地质施工方案初步确—收稿日期：２０１５一０１１２定有２种，即双壁钢围堰和拉森钢板桩围堰。２７ｃ１基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目（１１一双壁钢围堰适合深水基础施工，结构稳固不Ｓ４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（３｝万方数据・桥涵工程・变形、无渗漏、安全系数大。缺点是地层要求高、施工周期长、材料消耗大、拆除周期长且风险大等。拉森钢板桩围堰适合软弱地基及水深大于１５ｍ的条件下施工，施工周期短、材料周转快、结构稳固，施工较为便捷且拆除快速安全。缺点是地层承载力小于１８０ｋＰａ且不得有孤石，围堰壁轻微渗漏、支护较多，施工干扰较大等。通过对以上两种基坑开挖支护方式的分析，结合本桥施工特点（地质条件适合、每个凌汛期围堰必须拆除、气候影响施工周期短）选定加长拉森钢板桩围堰作为主河道内承台基坑的开挖支护。３拉森钢板桩围堰设计３．１拉森钢板桩选型结合各种拉森钢板桩的特点和主河道内基坑开挖深度、地下和地表水量大小、承台尺寸和围囹Ⅳ支撑设置情况，选用日韩系列的ＳＰ一型拉森钢板Ⅳ桩进行支护加固基坑。ｓＰ一型拉森钢板桩结构连接形式如图１。ｌ一连接锁扣：２－最后一根拉森钢板桩图１ＳＰ－ＩＶ型拉森钢板桩结构连结形式３．２拉森钢板桩设计３．２．１拉森钢板桩长度计算钢板桩入土深度和强度计算，根据基坑开挖深度、支撑设置情况，分为悬臂式钢板桩、单锚（支撑）式板桩和多锚（支撑）式板桩计算，本桥—由于承台基坑开挖深度较深，需要２４道支撑，…按多锚（支撑）式板桩方式来计算，另外水中墩基础位于游荡性河床位置计算时考虑河床冲刷影响。如图２所示，首先绘制土压力分布图，接着计算板桩墙上土压力强度等于横梁上的载荷；最后根据月，和墙前被动土压力对板桩低端０的力矩相等的原理可求菇零点离挖土面的距离），；再按多跨连续梁ＡＦ用力矩分配法计算各支点和跨中的弯矩，从中求出最大弯矩Ｍ。。。，以验算板桩截面，并可求出各支点反力尺Ｂ、Ｒｃ、尺Ｄ、尺，，而ｔｏ＝戈＋，，，所以人土深—度为ｔ＝（１．１１．２）ｔ。。因此钢板桩长度＝地面外露长度＋基坑开挖深度＋人土深度。ד“““，，，，，，７Ａａ呻—＾‘＝ｊ・＿少。Ｄａ．土压力分布．栽ＲＢＲｃＲＤＲＦｂ．等值梁孓么套鱼Ｉ塑望二丝２＝｜Ｃ．入土深度图２钢板桩围堰计算√主动土压力：Ｐ。＝Ｋｙｈ一２Ｋ≮被动土压力：Ｐ，＝讪＋２ｃ４／瓦其中：Ｋ＝ｔａｎ２（４５。一詈）Ｋ，＝ｔａｎ２（４５。＋詈）二二考虑到墩位处地质为透水性较强的粉砂、粉质黏土层，水压力计算时采用水土分算法（即土压力为按土的浮容重计算的有效土压力与土体间孔隙√水的水压力之和）。此处Ｐ。＝Ｋ。７ｈ一２Ｋ＋ｙ。ｈ。。—Ｐ。厂ｉ吁一—“√—７７（Ｋ・Ｋ，一Ｋａ）ｙ（Ｋ・ＫｐＫ）式中，７为土的浮重度（ｋＮ／ｍ３）；ｈ基坑开挖深度（ｍ）；妒为土的内摩擦角（。）；蜒为主动土压力系数；ｃ为土的黏聚力（ｋＮ／ｍ２）；ｙ。为地下水的重度（ｋＮ／ｍ３）；＾。为地下水至坑底的距离（ｍ），Ｋ为抗管涌安全系数（１．５～２）。主动土压力计算，在计算各高度点土压力时，因在土层分界处纵Ｃ的不同，故分（上）、（下）。取值妒为３３．２０，ｃ为２３．４ｋＮ／ｍ２，得Ｋ＝０．５４，Ｋ＝３．４２；７为９．６ｋＮ／ｍ３，ｙ。为１０ｋＮ／ｍ３。通过此种方法计算：Ｌ＝ｈ。＋ｈ＋ｔ＝２２。５ｍ，黄河特大桥主河道内水中墩承台基坑开挖支护拉森钢板桩长度为２２．５Ⅳｍ，现有型拉森钢板桩长度１２ｍ，采用２根１２ｍ钢板桩对接即２４ｍ；另考虑基坑发生管涌现象与钢板桩埋深有一定关系，即≥钢板桩入土深度必须满足ｔ（Ｋｈ。ｙ。一７ｈ）／２，／，避免出现管涌现象，经复核２４ｍ满足要求；鉴于河中的４０＃墩处于河床中心地带冲刷严重，考虑历年铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５（３１５５万方数据・桥涵工程・的最低冲刷线，最终采用２７ｍ加长型拉森钢板桩。３．２．２拉森钢板桩围囹及内支撑布置由于基坑平面尺寸较大，本身的强度及刚度都不能满足基坑的要求，在开挖空间内必须增加围囹和内支撑，以满足要求。围囹及内支撑布置形式主要依据钢板桩的强度和刚度以及开挖基坑和施工承台的便利情况决定；另外还要仔细地分析每种工况状况下，钢板桩需要加固的力，然后再根据作用力和反作用力的关系，设计围囹及内支撑，确保围囹和内支撑承受力能满足钢板桩需要加固的力。以水中墩承台基坑开挖支护为例：围囹及支撑设置为围囹采用１４５ａ工字型钢，内支撑采用１４５ａ和够２９×１０ｍｍ钢管，其中从上到下第一道为双拼，第二、三、四道为三拼；围囹内斜撑取３排，内支撑ｌ（短钢管）为＋６３０×１０ｍｍ钢管，内支撑２（长钢管）为＋５３０Ｘ１０ｍｍ钢管，内支撑３为双１４５ａ工字钢，其它内支撑为＋５３０×１０ｍｍ钢管，第二、三、四道中间十字撑为双拼１４５ａ；根据钢板桩作用力和反作用力的关系施加到围囹和内支撑上利用ＭＩＤＡＳ软件进行简算满足刚度、强度以及变形要求，第一道内支撑受力较小，作为钢板桩的插打导向，需要有足够的刚度，在此就不作详细计算，第二、四道内支撑结构布置相同，取受力较大的第四道内支撑３５４ｋＮ／ｍ进行计算；第三道内支撑取受力较大５０７ｋＮ／ｍ进行计算。钢板桩围囹及内支撑布置情况如图３所示。取第三道内支撑采用ＭＩＤＡＳ建模计算可知：围囹１４５ａ型钢的最大组合应力为４３１．４ＭＰａ，支撑型钢３根１４５ａ最大组合应力为１４３．８ＭＰａ，支撑钢管＋６３０×１０最大组合应力为１７２ＭＰａ，支撑钢管够３０Ｘ１０最大组合应力为１６１ＭＰａ，均满足要求。取第四道内支撑采用ＭＩＤＡＳ建模计算可知：围囹１４５ａ型钢的最大组合应力为４６１．２ＭＰａ，支撑型钢３根１４５ａ最大组合应力为１５３．７ＭＰａ，支撑钢管＋５３０×１０的最大组合应力为１４１ＭＰａ，均满足要求，根据设计支撑方案最深基坑４２＃墩基础安全顺利地完成了深水基础施工，取得了实效。ａ．第一道支撑平面图ｔ＼２等１４５ａ警勰ｆ：点婪挂西‘第二道弱蒯／支撑标高ｒ第三道＼３１４５ａ２ｌ剑要影／王撑标高—耐．皇竖韭直———————’——ｆｒ２丰。！＝自咏台丧标高≯∥’“。鬻！荔７ｊ。ｍ焉揖距＾磐／ｄ蓝盘直、１８００乜监黼叫茸瞪蜒＜暖目９９３５ｍｂ．第三道支撑平面图—Ｃ．第二、四道支撑总平面图ｄ．ＡＡ剖面图图３钢板桩围堰围囹及内支撑布置３．３封底混凝土厚度计算水的浮力：考虑抗管涌和承台施工方便，在基坑底部用混Ｐ＝ｐｇｖ＝１Ｘ９．８Ｘ１２×（２０．４Ｘ２０．４一凝土封底，由于基坑开挖到设计高程后当停止降水１６Ｘ３．１４×０．９２）＝４４１５５（ｋＮ）或抽干水时，在封底层的地面将会因水头差受到向封底混凝土自重：上的浮力作用，需要封底混凝土与支护之间有足够Ｇ＝ｐｖ＝２．３×（２０．４×２０．４）×１．８＝１７２３（ｔ）的承载力和强度，保证封底混凝土和支护的安全。封底混凝土与桩基的黏聚力：封底混凝土为Ｃ２０混凝土，有效计算厚度１．８０ｍ，Ｎ。＝（１．８×３．１４Ｘ１．８）×１６×１２０围堰最大尺寸：２０．４ｉｎｘ２０．４ｍ；桩基外径为１．８ｍ，共＝１９５３３（ｋＮ）１６根；基坑深度取１２ｍ计算。钢与混凝土、混凝土与封底混凝土与钢板桩的黏聚力：混凝土粘结力：一般取１００～２００ｋＮ／ｍ２，此处取Ⅳ２＝（（２０．４＋２０．４）Ｘ２×１．８）Ｘ１２０１２０ｋＮ／ｍ２；混凝土容重：２３ｋＮ／ｍ３。＝１７６２６（ｋＮ）５６铣道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５ｆ３Ｊ万方数据・桥涵工程・则抗浮安全系数为：ⅣＫ＝（Ｇｇ＋Ｉ＋Ｎ２）／Ｐ＝５４０６４／４４１５５＝１．２２＞１．１抗浮满足要求。封底混凝土板在上浮力作用下的内力，近似地简化为简支单向板计算，混凝土容重：２３ｋＮ／ｍ３，水容重：１０ｋＮ／ｍ３，根据图４，取（２．９×１９．３）ｍ最大区域来计算拉应力（不考虑护筒），封底层顶因静水压力作用产生的弯曲拉应力＾图４封底层顶因静水压力作用产生的弯曲拉应力，＝面ｑ１２＝ｉ１２×Ｌ等＃型＝学×片钢板桩先利用自重下插，当自重不能下插时，才进行加压，每施工一根都要与前一根焊牢，即防止倾斜和避免已打成的桩与被打的桩同步向下走。钢板桩插打至设计标高后，立即与导向架进行焊接，以抵抗水流冲击。为了确保每一片钢板桩插打准确，在插打前５根钢板桩前，先按钢板桩宽度在围囹上画出每根钢板桩的边线，然后在围囹上焊接长约４ｉｎ的导向桁架（如图５），在导向架上、下边设置限位装置，大小比钢板桩每边放大１ｃｍ，插打时钢板桩桩背紧靠导向架，边插边将吊钩缓慢下放，同时在相互垂直的两个方向用锤球进行观测，以确保钢板桩插正、插直，在插打过程中后一根桩必须与前一根槽口紧密咬合，以确保滞水效果。！Ｑ茎（！！：丝±！；！！二垫苎！：墨：１８６．６ｋＰａ＜图５钢板桩插打导向示意１．８２／６４．２钢板桩围堰封口１．１ＭＰａ（Ｃ２０混凝土轴心抗拉度）拉森钢板桩围堰是通过最后一根钢板桩的上式中，ｇ为荷载作用力；ｚ为弯曲拉应力范围长度；插打，联接第一根和倒数第二根钢板桩，形成封Ｗ为混凝土的截面模量。闭的环形墙挡水。封口时要求第一根与倒数第经采用此种关系计算，水中墩承台基坑封底混二根钢板桩之间的预留间距（联接锁扣之间的距凝土厚度取１．８ｎｌ，能满足施工要求。离）尽量保持平行，且刚好等于最后一根钢板桩３．４抗倾覆稳定性验算“”的宽度，当宽度相差较大时，采用Ｖ形封口装抗倾覆安全系数：蜒＝监Ｍａ曩錾茎ｉ？与倒数第二根钢板桩通过连接锁扣式中，肘。为被动土压力及支点力对桩底的弯矩；丝“”Ｖ形封口装置包括一根拉森钢板桩，利用为主动土压力对桩底的弯矩。５”ｍｉｌｌ厚钢板制作一块长度稍短于钢板桩长度的Ｖ经计算Ｋｓ＝８．７２６＞１．２００，满足规范要求。形钢板，其断面开口宽度稍小于钢板桩凸面宽度，４拉森颥桩支护围堰施工‘嚣翟美ｏｖ嚣嚣需等军慧４．１钢板桩打入施工线切割条纵向断１３，自桩底至距桩顶端１。２ｍ的位钢板桩围堰在钻孔平台上施工，首先拆除多余“”置，其长度与Ｖ形钢板长度相等。利用纵向断１３的平台部分，然后固定Ｉ临时导向架，施工钢板桩。“”和沿钢板桩横向适度拉开的Ｖ形钢板调节钢板插打顺序从上游中间开始分两侧对称插打至下游桩的宽度，以适应预留间距。最后在钢板桩凹面沿合拢。打桩时采用单根板桩施工法进行施工，每一纵向，平行设置若干６１６加强钢筋跨在钢板桩的两铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５１３ｌ５７万方数据・桥涵工程・边，用于拉结钢板桩纵向断１３的变形，增加调节好形钢板对其进行加强。宽度的钢板桩的强度。打插该最后一根钢板桩使“”（３）本段黄河为ｓ形，主河道摆动较大，冲刷围堰顺利封Ｅｌ。严重，变化频繁，在基坑开挖降水施工前进行基准４．３防渗与堵漏监测（不少于２次），施Ｔ期每天监测１次，若水位钢板桩插打到位后，可在其外侧一周围彩条变化异常适当加密周期，增加监测次数，每天不少布，在布的下端绑扎钢管沉人河床，并用砂袋紧压，于３次。发现河床变化较大时，及时对基坑河床进堰内吸泥时，外侧水压可将彩条布紧贴板桩，起到行回填，确保钢板桩的安全稳定。防水作用。板桩锁Ｅｌ不密的漏水处用棉砂嵌塞，堵（４）承台施工完成拆除围堰钢板桩要按与打桩塞效果明显。较深处的渗漏，可将煤碴等沉送到漏顺序相反的次序拔桩，当钢板桩拔不出时可是采用水处堵漏。著漏水严重，堵漏困难时，在钢板桩围振动锤或柴油锤等将钢板桩再往下复打入一次，克堰外侧补打钢板桩，钢板桩围堰内侧铺设彩条布，服土的粘着力；二是在板桩承受土压一侧附近并列在彩条布与钢管桩围堰间填筑黏土进行封堵。打入另一根板桩，改变土压力；三是在板桩两侧开４．４围堰内抽水、吸泥、安装内支撑、封底槽，放人膨胀土浆液，减小拔桩阻力；四是在钢板桩钢板桩插打完成后，开始挖土或用大型抽砂泵齿口内，桩表面涂油脂或沥青减少齿１３内部或桩表进行抽砂处理，开挖至内支撑标高下０．５ｒｔｒｌ处，安装面的摩阻，也可防止表面锈蚀同样达到降低摩阻的内支撑，依次循环至封底混凝土底；到位后立即向目的。围堰内注水至围堰外水位；搭设封底平台、布置封。浊．＾底砼导管，进行水下浇筑封底混凝土。。一～４．５内支撑、围囹及钢板桩拆除在游荡性河道桥梁深水基础施工中采用超长在围堰内桩头处理结束，承台底层钢筋绑扎完钢板桩围堰，突破了传统施工中的双壁钢围堰及钢毕后，拆除中间的十字撑和大斜撑，然后安装模板，套箱施工方法，加快了施工进度，同时减少了大型施工承台；承台施工结束后，回填基坑到第四道围运、吊设备的投入。拉森钢板桩围堰材料周转快、图下４０ｃｍ，再注水２０ｃｍ，１２ｈ后进行拆除小斜撑、施工便捷、结构稳固，为相似地质环境下桥梁施工围囹，然后再回填到承台下４０ｃｍ，注水、拆除第三提供了一套既安全又经济的施工方法。道十字撑，施工加台，依次类推，直到第一道围囹，“”拉森钢板桩Ｖ形封１３技术的成功应用，船决最后回填基坑，拔出拉森钢板桩。了超长拉森桩难以闭合的难题，保证了钢板桩密５围堰施工注意事项及问题处理措施萎淼萼雾善曼Ｚ０慕口１７装１５置１．５已）获。授技权７ｔ。：（１）钢板桩插打遇孤石无法往下插打，一是先“”优点：利用纵向断口和可适度横向伸缩的Ｖ钢板，采用振动锤打入圆形护筒埋入一定深度，然后用冲方便最后一根拉森钢板桩调节宽度，适应拉森钢板击钻钻孔到设计钢板桩标高，回填土后拔除护筒，桩围堰封１３预留间距。使用时拉森钢板桩第一根再次插打拉森钢板桩。二是采取绕行的方法，插打和倒数第二根的凹凸面必须同侧，二者的空间位置成无规则的钢板桩基坑围堰，先确保了钢板桩的合要尽量平行，预留间距要求接近拉森钢板桩的宽拢，根据围堰的几何尺寸，安装围囹及内支撑，围囹度，封１３位置尽量选在背水面及水深较浅的地方，与钢板桩之间空隙处用工字钢及钢板填塞，确保钢既方便施工，也可以保证围堰的安全。板桩基坑整体受力。★垒生。。（２）超长钢板桩在施工过程中底部容易弯曲变万丐ｘ瓢形，可对其进行预补强处理，将底部割成三角形，在［１］江正荣．建筑施工计算手册［Ｍ］．２版．北京：中国建凹凸两面各焊接２０ｏｌｎ高、１０ｃｍ宽、１１２１１１厚的三角—筑工业出版社，２００７：１１５１１７．ＳＳ铁道建筑技求ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１５１３｝万方数据