王　禹, 周順華, 費(fèi)志高 , 沈清衛(wèi)

(1.中交一公局廈門工程有限公司, 福建 廈門　361000;　2.同濟(jì)大學(xué), 上?！?00092)

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逆作法鋼板樁深水圍堰多點(diǎn)分層疊加下放內(nèi)支撐施工技術(shù)與應(yīng)用

王禹1, 周順華2, 費(fèi)志高1, 沈清衛(wèi)1

(1.中交一公局廈門工程有限公司, 福建 廈門361000;2.同濟(jì)大學(xué), 上海200092)

摘要：針對(duì)水中承臺(tái)施工，提出超深水鋼板樁圍堰采用先撐后圍逆作法的施工工藝，基于工程實(shí)例對(duì)逆作法鋼板樁深水圍堰的設(shè)計(jì)、施工工藝流程、內(nèi)支撐拼裝及多點(diǎn)分層疊加下放等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵性總結(jié)，最后結(jié)合對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的三維仿真分析和施工全面監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了逆作法的可行性。

關(guān)鍵詞：鋼板樁; 深水; 圍堰; 逆作法

0前言

對(duì)于鋼板樁圍堰施工[1]，一般采用先打設(shè)鋼板樁，后抽水安裝內(nèi)支撐的方法進(jìn)行施工。但對(duì)于深水區(qū)的圍堰，此方法不能滿足高水頭作用下的結(jié)構(gòu)受力要求，因此需要首先施工內(nèi)支撐并連接成整體，然后再打設(shè)鋼板樁的逆作法施工。對(duì)于先施工內(nèi)支撐[2]，傳統(tǒng)方法為利用大型浮吊或者分布式千斤頂進(jìn)行整體式下放，此方法現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作量大、施工周期長(zhǎng)、存在高空作業(yè)等問(wèn)題，且下放方式復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高、經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)超深水位的承臺(tái)施工，本文提出了內(nèi)支撐多點(diǎn)分層疊加下放技術(shù)，降低了施工成本、縮短了工期，并且安全性得到了很好的保障。

1工程概況

穗莞深城際軌道SZH — 5標(biāo)東江北干流特大橋，主跨(75+125+125+75)m連續(xù)梁，東江北為內(nèi)河 — Ⅲ級(jí)航道，百年一遇設(shè)計(jì)潮流水位3.87 m，通航水位3.59 m，通航凈高10 m，測(cè)時(shí)水位3.085 m，百年一遇設(shè)計(jì)流量Q=3456 m3/s，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)水位3.09 m，設(shè)計(jì)流速v=0.93 m/s。施工水位3.29 m(5 a一遇設(shè)計(jì)潮洪水位)。施工水位采用20 a一遇設(shè)計(jì)潮洪水位+3.36 m，20 a一遇洪水水流速度v=1.5 m/s。施工難度大，控制簡(jiǎn)支箱梁的運(yùn)架通過(guò)，基礎(chǔ)采取施工棧橋配水上施工平臺(tái)輔助措施[3,4]。

東江北特大橋73#～80#墩8個(gè)水中墩均為嵌埋式承臺(tái)，墩位處水深3.7～12.2 m。橋址區(qū)域內(nèi)的土層主要分布為中砂、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化含礫砂巖和泥質(zhì)砂巖。

8個(gè)承臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 東江北特大橋主橋水中承臺(tái)參數(shù)匯總表墩號(hào)承臺(tái)長(zhǎng)×寬×高/m基坑底距河床/m水深/m水壓+基底土壓/m備注73#14.4×8×3-3.86.76.2+3.874#15.8×10.6×3-3.77.57.5+3.7邊墩75#19.7×12.8×5-6.77.27.2+6.7主墩76#19.7×12.8×5-5.912.212.2+5.9主墩77#19.7×12.8×5-6.09.18.36+7.0主墩78#15.8×10.6×3-5.98.68.6+5.9邊墩79#14.4×9×3-2.97.77.7+2.980#15.8×9.8×3-3.63.73.7+3.6

從表中不難看出，該橋承臺(tái)最深處為水下12.2 m處，傳統(tǒng)的施工方式不能保證施工的安全。

2鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

圖1　鋼板樁圍堰立面布置圖(單位： mm)

圖2　內(nèi)支撐平面布置圖(單位： mm)

8個(gè)墩均采用鋼板樁圍堰施工，73#、74#、79#、80#墩采用SP — Ⅳ鋼板樁，75#～78#墩采用SP — Ⅳw型鋼板樁。鋼板樁最長(zhǎng)24 m，圍檁內(nèi)支撐均采用雙拼H型鋼，2HN700×300、2HN600×200、2HN400×200，材質(zhì)采用Q235b。以主墩77#墩為例，77#墩處水深8.36 m，基坑開(kāi)挖7 m，總水頭差15.36 m。本圍堰采用SP — Ⅳw型鋼板樁，樁長(zhǎng)24 m，圍堰頂高程為+4.79 m，承臺(tái)底高程為-11.506 m，因地質(zhì)情況良好，無(wú)需封底混凝土，設(shè)置墊層30 cm，圍堰平面尺寸為22.8 m×15.6 m，共設(shè)置5道內(nèi)支撐，各層內(nèi)支撐間距為3.4、3、2.5、3 m。其結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2。

因圍堰處水較深，水壓力較大[5]，必須先施工內(nèi)支撐并下放到位，然后進(jìn)行插打鋼板樁抽水施工。內(nèi)支撐下放利用內(nèi)支撐多點(diǎn)分層疊加下放裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分層拼裝內(nèi)支撐，利用起重機(jī)將內(nèi)支撐分層下放，并放置于承托裝置，內(nèi)支撐多點(diǎn)分層疊加下放。

3鋼板樁圍堰數(shù)值計(jì)算

3.1計(jì)算工況

因河床以上的內(nèi)支撐是提前安裝下放到位，然后用其做導(dǎo)向插打鋼板樁。對(duì)于鋼板樁圍堰計(jì)算有如下4種計(jì)算工況：

工況1： 1～4層內(nèi)支撐下放完畢，鋼板樁成型后，抽水干挖基坑至第5層內(nèi)支撐處；

工況2： 第5層內(nèi)支撐安裝后，基坑開(kāi)挖至承臺(tái)底50 cm處；

工況3： 第1層承臺(tái)混凝土澆筑完成后，回填承臺(tái)與鋼板樁間隙，然后拆除第5層內(nèi)支撐；

工況4： 全部承臺(tái)混凝土澆筑完成后，回填承臺(tái)與鋼板樁間隙，然后拆除第4層內(nèi)支撐。

3.2圍堰建模驗(yàn)算

鋼板樁[5，6]結(jié)構(gòu)驗(yàn)算用有限元軟件midas civil建立三維整體模型進(jìn)行空間分析，整體建模時(shí)只考慮鋼板樁和內(nèi)支撐組成的鋼板樁圍堰，土層與它們之間的相互作用以及內(nèi)外水壓力差均作為荷載考慮。鋼板樁采用等截面模量的型鋼進(jìn)行模擬，內(nèi)支撐和圍檁，均按梁?jiǎn)卧M；建模時(shí)，鋼板樁和基坑底土層接觸處約束采用面彈性支撐中的分布彈性支撐模擬，其余按相關(guān)規(guī)范取值。結(jié)構(gòu)模型如圖3。

圖3　結(jié)構(gòu)模型圖

3.3驗(yàn)算結(jié)果匯總

結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2 圍堰結(jié)構(gòu)受力情況匯總工況支撐體系鋼板樁最大應(yīng)力/MPa容許應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力/MPa工況1123.4185120.7工況2130.3185110.1工況3123.4185120.7工況4130.818555.4鋼板樁容許應(yīng)力/MPa圍堰最大變形/mm是否滿足23024.3滿足23021.2滿足23024.3滿足23018.6滿足

各工況的支撐體系和鋼板樁的受力均能滿足要求，圍堰的變形也在允許范圍內(nèi)。

4逆作法施工要點(diǎn)

逆作法施工主要分為施工準(zhǔn)備、水下切割干擾鋼護(hù)筒、支撐體系安裝及下放、鋼板樁插打、圍堰內(nèi)抽水及基坑開(kāi)挖設(shè)置盲溝集水井，澆筑墊層、支撐拆除及鋼板樁拔除共七部分。

圍囹及內(nèi)支撐桿件的加工采用后場(chǎng)加工，做到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化和通用性，制件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，在工地整體預(yù)組裝成品。為了保證結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確，鋼圍囹組件加工在臺(tái)座上完成。

拼裝第4層內(nèi)支撐，根據(jù)第4層內(nèi)支撐位置，安裝內(nèi)支撐下放及托底裝置(共計(jì)16個(gè)Z形梁)，割除拼裝牛腿，并利用2臺(tái)履帶吊沿著Z形豎梁進(jìn)行下放第4層圍檁、內(nèi)支撐及豎桿,以此方法拼裝下放3 — 1層內(nèi)支撐到設(shè)計(jì)位置。第5層內(nèi)支撐后期每個(gè)桿件吊放，焊接安裝。支撐體系安裝及下放見(jiàn)圖4。

圖4　支撐體系安裝及下放

第1層承臺(tái)施工完畢后，需要拆除底層內(nèi)支撐進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)換施工。主要方法為在第1層承臺(tái)和圍堰之間的孔隙區(qū)域填充砂，并澆筑混凝土圈梁。同樣第2層承臺(tái)施工完后也許澆筑混凝土圈梁進(jìn)行受力轉(zhuǎn)換，拆除第4層內(nèi)支撐。其他內(nèi)支撐拆除前回填砂和回水到支撐底處，依次拆除3 — 1層內(nèi)支撐。

承臺(tái)及墩柱施工完成，圍堰灌水至內(nèi)外水頭平衡后，可進(jìn)行鋼板樁拔除，按與鋼板樁施打順序相反的次序拔樁，對(duì)長(zhǎng)樁采取導(dǎo)向框控制拔樁，以防扭曲，折斷板樁。

5施工監(jiān)控量測(cè)

本工程中由于圍堰長(zhǎng)期處于深水高側(cè)水壓力中，施工過(guò)程中，對(duì)鋼板樁圍堰的工作性狀進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括樁頂位移、樁身水平位移、內(nèi)支撐軸力、圍堰內(nèi)外水位等。限于篇幅，此處僅將樁身最大水平位移和鋼板樁最大應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。77#墩圍堰垂直于長(zhǎng)邊的Z方向中心線鋼板樁實(shí)測(cè)不同工況不同時(shí)間狀態(tài)下樁身最大水平位移和最大應(yīng)力如圖5所示。鋼板樁最大位移為58.7 mm，最大應(yīng)力為144.8 MPa。均在小于監(jiān)測(cè)預(yù)警值70 mm和165 MPa。

圖5　　　77#圍堰最大樁身水平位移和最大樁身應(yīng)力　　　變化曲線表

通過(guò)圖5和表2可知，數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果都表明，隨著施工的進(jìn)行，鋼板樁樁身的相對(duì)水平位移一直在增大，其沿鋼板樁的樁身分布和隨工序的變化規(guī)律基本一致。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)鋼板樁位移比數(shù)值計(jì)算偏大，主要原因是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，鋼板樁插打過(guò)程中不可能絕對(duì)保證垂直且與內(nèi)支撐完全密貼。因鋼板樁垂直度0.5%控制，24 m長(zhǎng)鋼板樁，可控最大偏位16000 mm×0.5%=90 mm，鋼板樁與圍檁之間最大縫隙在90 mm內(nèi)，才導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樁身位移偏大。但是隨著抽水，鋼板樁會(huì)不斷往內(nèi)支撐上靠攏，且邊抽水邊將鋼板樁與圍檁內(nèi)支撐進(jìn)行焊機(jī)固定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)鋼板樁的應(yīng)力與計(jì)算結(jié)果相差不大。

6結(jié)語(yǔ)

1) 深水承臺(tái)采用鋼板樁圍堰采用逆作法多點(diǎn)分層疊加下放內(nèi)支撐的施工技術(shù)，內(nèi)支撐分層下放，減輕了下放重量，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)支撐多點(diǎn)分層疊加下放的工序簡(jiǎn)單，施工快速，縮短工期。

2) 逆作法內(nèi)支撐多點(diǎn)分層疊加下放的設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、操作方便，僅需2臺(tái)50 t履帶式吊車即可完成內(nèi)支撐的下放。采用此方法施工，安全質(zhì)量可控、施工進(jìn)度快，施工投入少，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均合格，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙要求。該施工方法和措施對(duì)今后類似深大基坑施工具有一定的指導(dǎo)意義。

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中圖分類號(hào)：U 445.55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0097-04