景兆德

(1.中鐵一局集團有限公司,西安 710054；2.北京交通大學,北京 100044)

1 工程簡介

京滬高速鐵路濟南黃河大橋總長5.143 km,主橋為(112+3×168+112) m下承式等高度連續(xù)鋼桁梁(圖1),在中跨設置加勁拱,桁高16 m,桁寬30 m,節(jié)間14.0 m。主橋墩為0～5號,其中1、2、3、4號墩各采用28根φ2.5 m鉆孔灌注樁,承臺厚度6.0 m,平面尺寸42.5 m×23.3 m。0、5號墩各采用21根φ2.0 m鉆孔灌注樁,承臺厚度4.5 m,平面尺寸34.6 m×13.8 m。承臺混凝土為C45。主橋1、2號墩承臺位于主河道(常年有水),其他承臺位于南岸灘地淺灘區(qū)。0號墩承臺頂面高程+33 m(地面高程+33.50 m)、1號墩承臺頂面高程+27 m、2號墩承臺頂面高程+27 m、3號墩承臺頂面高程+27 m(地面高程+30.14 m)、4號墩承臺頂面高程+27 m(地面高程+29.91 m)、5號墩承臺頂面高程+30 m(地面高程+30.92 m)。

圖1 濟南黃河大橋主橋布置(單位：cm)

主橋橋址處河道河流平均流速2.07 m/s,黃河枯水期僅主河槽有水,設計施工洪水位30.5 m,河床高程枯水期為+24 m左右,汛期河床高程為+22～+17 m。

2 鋼板樁圍堰設計

2.1 設計思路

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料,黃河大橋主橋3、4、5號墩地處黃河南岸河漫灘,地表以下19 m范圍均為富含水的粉土和粉砂層,在其下厚約2 m范圍(高程約+9～+11 m)有一個硬塑狀黏土層,分布比較完整且均勻。主橋1、2號墩位于黃河主河道,河床高程+17～24 m,表層覆蓋層主要是松散的粉砂,在+9～+11 m有一個厚約2 m硬塑狀黏土層。厚約2 m的硬塑狀黏土層在鋼護筒施打和鉆孔樁施工過程均得到了確認,取出的土樣為黏性非常大的硬塑狀黏土塊。

根據(jù)詳細的施工調(diào)查,確定了主橋1、2、3、4號墩承臺施工采用鋼板樁圍堰方案,0、5號墩承臺由于開挖深度較淺,采用明挖法開挖基坑、過程防護。

2.2 方案比選

2.2.1 方案一(長鋼板樁方案)

主橋基礎鋼板樁圍堰平面為矩形,其內(nèi)口尺寸為46.5 m×28.3 m,鋼板樁單根長24 m。水中1、2號墩鋼板樁圍堰底口高程為+7.0 m,頂面高程為+31 m(承臺頂面高程+27 m,洪水位高程+30.5 m),灘地3、4號墩鋼板樁圍堰底口高程為+6.5 m,頂面高程為+30.5 m。鋼板樁圍堰采用德國拉森Ⅳ型鋼板樁,由單層鋼板樁和3層由鋼管和型鋼組成的內(nèi)撐梁組成,鋼板樁內(nèi)支撐圈梁為I56組合結(jié)構,內(nèi)支撐為φ630 mm鋼管。岸上鋼板樁圍堰采用50 t履帶吊配合液壓振動錘施工、水中鋼板樁圍堰采用水中平臺40 t龍門吊機、20 t浮吊配合液壓振動錘施工。岸上圍堰內(nèi)開挖清淤采用長臂挖掘機開挖和高壓射水吸泥法配合進行,水中圍堰內(nèi)清淤采用高壓射水吸泥法?？紤]到鋼板樁下口深入到+9～+11 m硬塑狀黏土層以下,鋼板樁圍堰內(nèi)在清淤完成后可以不進行水下封底,而是直接抽干圍堰內(nèi)的水,再澆筑20 cm厚混凝土墊層,然后割除鋼護筒、鑿除樁頭,進行承臺施工。

方案優(yōu)點：鋼板樁圍堰不封底,降低了大面積封底混凝土施工的風險和施工投入,減少了圍堰清淤深度,節(jié)約了大量的封底混凝土。同時圍堰內(nèi)開挖、清淤、混凝土墊層施工均在干處進行,提高了施工效率,加快了施工進度。

方案缺點：鋼板樁長度增加了6 m,增加了鋼板樁的投入。

2.2.2 方案二(短鋼板樁方案)

采用長18 m的鋼板樁,其他同方案一?？紤]到鋼板樁圍堰位于較為松散的粉砂層內(nèi),鋼板樁圍堰內(nèi)在清淤完成后要進行水下封底,封底混凝土強度滿足后抽干圍堰內(nèi)的水,割除鋼護筒、鑿除樁頭,進行承臺施工。

方案優(yōu)點：鋼板樁減少了6 m,降低了鋼板樁的投入。

方案缺點：要進行水下混凝土封底,增加了圍堰內(nèi)水中開挖和清淤的施工難度,降低了施工效率。大面積、大方量封底混凝土施工的難度和風險很高,大量的封底混凝土增加施工的不確定性和施工成本。

2.2.3 方案選用

經(jīng)過反復的現(xiàn)場調(diào)查和方案比選,確定采用方案一。從施工技術和安全可靠性方面考慮,如果按照方案一施工不能抽干圍堰內(nèi)的水,還可以按照方案二施工,不存在太大的風險。從經(jīng)濟角度考慮,方案一施工成本較方案二要低很多,成功實施就意味著大量的成本節(jié)約。

2.3 水中鋼板樁圍堰設計驗算

水中1、2號墩鋼板樁圍堰平面為矩形,其內(nèi)口尺寸為46.5 m×28.3 m,鋼板樁單根長24 m。鋼板樁圍堰底口高程為+7.0 m,頂面高程為+31 m。如圖2、圖3所示。鋼板樁施打完成后,安裝第1層內(nèi)支撐結(jié)構,然后抽水吸泥至第2層內(nèi)支撐以下50 cm后安裝第2層內(nèi)支撐結(jié)構,繼續(xù)抽水吸泥至第3層內(nèi)支撐以下50 cm后安裝第3層內(nèi)支撐結(jié)構,內(nèi)支撐體系安裝完成后抽水吸泥至承臺底面以下20 cm,澆筑混凝土墊層后進行承臺施工。

圖2 鋼板樁圍堰立面(單位：cm)

圖3 鋼板樁圍堰平面(單位：cm)

2.3.1 設計參數(shù)

(1)主河道內(nèi)主要為軟塑的粉質(zhì)黏土、黏土,土體力學性能如下。

土體容重r=18.5 kN/m3,土粒容重r1=16.97 kN/m3,土體內(nèi)摩擦角φ=20°，土體總應力黏結(jié)力Cu=12.16 kPa。

(2)鋼板樁力學性能

鋼板樁采用Ⅳ型拉森樁,質(zhì)量75 kg/m,每1 m寬截面模量W=2 037 cm3,允許應力為[σ]=210 MPa。

(3)型鋼力學性能

[σ]=145 MPa,[τ]=85 MPa。

2.3.2 圍堰基底設計驗算

(1)抗基底翻起計算

基底開挖較深時,當鋼板樁背后的土柱重力超過基底底面以下地基土的承載力時,地基的平衡狀態(tài)受到破壞,在軟基條件可能發(fā)生基底翻起。根據(jù)現(xiàn)場施工鋼管樁、鋼護筒施打以及鉆孔過程中取樣驗證,在鋼板樁下口深入到+9～+11 m硬塑狀黏土層，非常堅硬且不透水,考慮其作用,基底土體是穩(wěn)定的。

(2)基底土體管涌(穩(wěn)定性檢算)

如圖4所示,鋼板樁圍堰內(nèi)抽水后水頭差為h,由此引起的水滲流,其最短流程為緊靠板樁的(h1+t)+t,故在此流程中,水對土粒滲透的力,其方向應是垂直向上?，F(xiàn)近似地以此流程的滲流來檢算坑底的涌沙問題,要求垂直向上的滲透力不超過土在水中的密度,故安全條件如公式所示

Ksiρw≤ρb

式中Ks——安全系數(shù),取1.4；

ρw——水的容重；

ρb——水的浮容重。

圖4 鋼板樁圍堰抗?jié)B流示意

2.3.3 鋼板樁、內(nèi)支撐結(jié)構計算

通過計算確定鋼板樁圍堰內(nèi)支撐采用3層并確定間距,對鋼板樁及圍堰內(nèi)支撐結(jié)構按照計算模型分工況分別計算后滿足強度和穩(wěn)定性要求,計算略。在內(nèi)支撐結(jié)構體系中增加了豎向和水平聯(lián)結(jié),增加了整體穩(wěn)定性。

2.4 灘地鋼板樁圍堰設計驗算

灘地鋼板樁圍堰設計和水中鋼板樁圍堰類似,按照水中鋼板樁圍堰結(jié)構進行驗算均能滿足要求,驗算略。

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 水中鋼板樁圍堰施工

主橋水中墩鉆孔樁施工完成后,拆除鋼板樁頂部范圍內(nèi)的鋼平臺,給鋼板樁打設留出作業(yè)空間,平臺剩余部分可作為鋼板樁臨時存放場地。鋼板樁施打采用履帶吊或平臺上的龍門吊配合液壓振動錘進行。一邊打設一邊拆除平臺。鋼板樁圍堰施工工藝流程如下：鉆孔樁施工完畢，拆除圍堰范圍內(nèi)的平臺結(jié)構→鋼板樁進場、校正、檢驗、施工準備、機械進場→鋼板樁定位→插打鋼板樁→圍堰合龍、相鄰鋼板樁之間進行點焊連接→圍堰內(nèi)清淤→安裝第1層內(nèi)支撐→安裝第2層內(nèi)支撐→安裝第3層內(nèi)支撐→清淤至設計高程封底混凝土施工→準備承臺施工。

3.1.1 施工準備

鋼板樁運到工地后,需進行整理。清除鎖口內(nèi)雜物,對于檢查出來的缺陷部位須校正后再用標準鋼板樁進行檢查直到合格。對于樁身殘缺、不整齊等都要做全面的檢查,并采取相應措施,以確保正常使用。施工前鋼板樁應進行鎖口潤滑及并進行防滲處理。

3.1.2 鋼板樁的插打

插打工作從上游開始,在下游合龍,減小了黃河水流沖刷的影響。首先在原有鉆孔鋼護筒上焊接牛腿,借助牛腿制作導向架,這樣既保證了鋼板樁在水中定位準確,打設順直,同時節(jié)省了制作導向架的成本,節(jié)約了工期。平臺外圍不利于起吊設備作業(yè),所以鋼板樁打設在平臺上進行。打設時平臺少部分拆除,利用平臺龍門吊機與履帶吊機相互配合進行。

3.1.2.1 鋼板樁傾斜預防措施

插打鋼板樁前,除在鎖口內(nèi)涂以潤滑油以減少鎖口的摩阻力外,同時在未插套的鎖口下端打入鐵楔或硬木楔,防止沉入時泥沙堵塞鎖口。設置導向結(jié)構糾正鋼板樁的傾斜。

3.1.2.2 鋼板樁鎖口漏水預防措施

鋼板樁由于插打不當致使鎖口發(fā)生變形,出現(xiàn)滲透。其補救措施是在漏水鎖口處的圍堰外側(cè)采用細砂和鋸末的混合物堵塞漏水。由于水的側(cè)壓力,會促使鋸末堵住漏水。

3.1.2.3 導向圍囹的安裝措施

為防止圍堰的變形,要求將導向工字鋼圍囹與鋼板樁之間的間隙全部用型鋼焊接支撐連接,圍堰的4個角進行加強。

3.1.2.4 反向牛腿安裝

為防止鋼板樁受力過大后產(chǎn)生上拱,帶動圍囹朝上滑移,在導向工字鋼圍囹上側(cè)設置反向牛腿加以固定。

3.1.2.5 鋼板樁的合龍

鋼板樁圍堰在合龍時,兩側(cè)鎖口往往不盡平行,可在鋼板樁頂端使用千斤頂互頂或采用倒鏈向外側(cè)張拉調(diào)整至所需間距,然后施打合龍鋼板樁。實際施工中由于水流影響或其他原因,采用上述措施鋼板樁仍無法合龍時,可以制作異形鋼板樁進行合龍。

主橋1、2、3、4四個鋼板樁圍堰施工中采取了有效的措施,在合龍時都能利用倒鏈和千斤頂順利調(diào)整到位,沒有采用異性鋼板樁就成功進行了合龍。主要措施：一是在鋼板樁施打前對每個鋼板樁進行檢查和矯正,確保每個鋼板樁順直無變形；二是在施打過程中在導向架上安裝有縱橫向雙向固定和調(diào)節(jié)卡具,保證每個鋼板樁在施打完成后都保持豎直且位置基本準確；三是在鋼板樁圍堰合龍口還剩余十多根鋼板樁時,在每根鋼板樁施打前后都測量合龍口兩側(cè)鋼板樁的間距并和理論間距比較,適時進行調(diào)整,直至最后一根鋼板樁,確保了合龍尺寸。

3.1.3 圍堰內(nèi)支撐結(jié)構安裝

1、2號主墩圍堰施工時水位較低,第1道內(nèi)支撐在鋼板樁施打時作為導向圍囹同步進行了安裝,安裝完第1道圍囹后需要及時清淤吸泥,到達一定高程后安裝第2道內(nèi)支撐。待第2道內(nèi)支撐安裝完成后繼續(xù)清淤吸泥,然后安裝第3道內(nèi)圍囹及內(nèi)支撐,并同步安裝所有支撐間的豎向、橫向聯(lián)結(jié)系。水中鋼板樁圍堰內(nèi)支撐結(jié)構通過汽車從加工場運輸至平臺側(cè)的棧橋上,利用龍門吊機安裝到位。

3.1.4 圍堰內(nèi)吸泥清淤

根據(jù)鋼板樁圍堰內(nèi)土層的特點,圍堰內(nèi)清淤工作采用高壓水槍配合吸泥機進行。水中鋼板樁圍堰高壓射水吸泥均在干處進行,隨著圍堰內(nèi)土體的不斷清理,鋼板樁圍堰四周接縫有局部滲水,通過在外側(cè)拋灑砂和鋸末的拌和物都能基本封堵。根據(jù)現(xiàn)場對吸泥過程的觀測,從吸泥開始到結(jié)束,隨著圍堰內(nèi)土體面不斷下降,從圍堰底面滲流的水不斷增多,但土體很穩(wěn)定。經(jīng)過分析,確定+9～+11 m硬塑狀黏土層起到了關鍵作用,方案和預想的非常吻合,實施很成功。而圍堰底面滲流的水可以斷定是圍堰外2 m硬塑狀黏土層以上透水粉砂層經(jīng)鋼板樁間縫隙滲入圍堰內(nèi)。

每個圍堰內(nèi)約有4 500 m3粉砂土體,按照一個圍堰內(nèi)3～4臺吸泥機, 6把高壓水槍,20個操作人員的配置, 水中1號墩累計經(jīng)過11 d全部吸泥清淤至設計位置,2號墩累計經(jīng)過9 d全部吸泥清淤到設計位置,為承臺的順利實施奠定了堅實的基礎。

3.1.5 圍堰基底墊層施工

鋼板樁圍堰內(nèi)吸泥清淤至設計高程后,在圍堰4個角埋設4個鋼管積水井,利用汽車泵澆筑20 cm厚混凝土墊層。

3.2 灘地鋼板樁圍堰施工

灘地3、4號墩鋼板樁圍堰施工條件較水中好,采用50 t履帶吊進行鋼板樁施打,施工過程和水中1、2號墩類似。高壓射水吸泥還是在干處進行,沒有進行水下混凝土封底施工,整個施工過程比水中效果還好,按照方案順利實施。

4 結(jié)語

黃河大橋主橋鋼板樁圍堰平面尺寸超大、圍堰很深,在國內(nèi)鋼板樁圍堰施工中罕見,設計施工中采取了加長鋼板樁入土深度,在每個內(nèi)支撐端部增加八字形撐架,豎向每層撐間增加空間桁架,每層內(nèi)支撐與鋼板樁間設上下限位牛腿等許多有力措施,整體穩(wěn)定性得到了保障。方案合理利用粉砂層中2 m厚硬塑性黏土不透水夾層,將鋼板樁深入夾層以下,在工藝上取消了水下吸泥清淤和水下混凝土封底,消除了水下封底施工的難度和風險,減小了施工中的不確定性,降低了施工成本,節(jié)約了施工工期。

京滬高速鐵路濟南黃河大橋主體工程已基本完成,工程實踐證明,在黃河下游和類似地質(zhì)地區(qū)水中橋梁基礎施工中，采用不進行水下混凝土封底的鋼板樁圍堰,施工方便快捷、安全可靠并節(jié)約成本,取得了很好的社會效益和經(jīng)濟效益,也為類似工程的基礎施工提供了寶貴經(jīng)驗。

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