吉 燕

目前城際高速鐵路快速發(fā)展,橋梁在鐵路建設(shè)中占據(jù)較大比例,特別是位于珠三角地區(qū),屬于沖積平原,有較厚的淤泥層,橋梁比例會(huì)更大,鋼板樁在施工中大量應(yīng)用。

1 工程概況

新建鐵路廣州—珠海城際軌道交通工程線路主線從新廣州站引出,經(jīng)順德、中山至珠海的拱北,里程為 DK0+900(新廣州站DK2219+458)～DK104+893,線路長(zhǎng)115.625正線公里(含長(zhǎng)鏈11.632 km),全線設(shè)21個(gè)車(chē)站。

ZH-3標(biāo)段位于中山市和珠海市境內(nèi),起訖里程為DK62+822.49～DK90+202.59,DK107+825.34～DK104+893.72(DK108+461.91～DK97+200.000長(zhǎng)鏈 11 261.91 m),正線長(zhǎng)35.71 km。主要工程數(shù)量為:雙線橋梁13座26.391 km,高架站橋8座7.845 km(含金唐、金鼎車(chē)站),其他線單線橋3座0.798 km,雙線橋1座0.148 km,隧道2座629 m,路基4.063 km,涵洞10座。

石岐河特大橋?qū)儆趶V珠城際軌道交通工程ZH-3標(biāo)段重點(diǎn)項(xiàng)目工程之一,中心里程為DK66+036.52,起訖里程為 DK63+654.59～DK68+400.61。全橋總長(zhǎng)4 728.21 m,共有墩臺(tái)135個(gè)。其中69號(hào),72號(hào),73號(hào)墩為石岐河特大橋(60+4×110+60)m連續(xù)梁中墩,承臺(tái)底標(biāo)高-3.65 m,承臺(tái)頂標(biāo)高+2.35 m,承臺(tái)為19.1 m×10.4 m(4 m+2 m加臺(tái))結(jié)構(gòu),承臺(tái)頂面尺寸為8.5 m×4.4 m,每個(gè)承臺(tái)為10根φ 2.0 m樁基,承臺(tái)全部位于淤泥范圍內(nèi)。

2 鋼板樁施工特點(diǎn)

1)一次性投入大,但材料損耗率低,需要多次使用方可體現(xiàn)鋼板樁經(jīng)濟(jì)效益。2)鋼板樁截面模量大,特別是槽形鋼板樁(工程中最常用)能夠抵抗較大的水、土壓力,而且插打方便。3)鋼板樁施工機(jī)械使用率高,有利于加快工期進(jìn)度。4)鋼板樁能夠滿足基坑較深結(jié)構(gòu)的支護(hù),非常適用。

3 采用鋼板樁原因

1)69號(hào),72號(hào),73號(hào)墩開(kāi)挖深度達(dá)到7.5 m左右,采用明挖、草袋圍堰、土圍堰均不能滿足施工要求。2)石岐河特大橋全橋共133個(gè)墩,除70號(hào),71號(hào)墩外,其余全部均采用鋼板樁施工,雖然一次投入大,但是總體經(jīng)濟(jì)效益高。

4 鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了確?；影踩⒒佑谐渥愕氖┕た臻g和滿足承臺(tái)分三次澆筑的要求,擬定方案如下:

承臺(tái)采用18 m長(zhǎng)的拉森Ⅴ形鋼板樁作為承臺(tái)施工圍堰,并分三層圍囹,開(kāi)挖采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)開(kāi)挖,并將基坑分塊進(jìn)行開(kāi)挖,基坑底清底采用人工配合機(jī)械進(jìn)行。鋼板樁每邊比設(shè)計(jì)承臺(tái)寬1.2 m,保證施工寬度,見(jiàn)圖1。

5 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

以73號(hào)作為計(jì)算依據(jù),原地面高出承臺(tái)頂0.5 m,同時(shí)由于施工樁基作平臺(tái),回填高度0.5 m,封底混凝土厚度為 0.5 m,所以開(kāi)挖深度為7.5 m,鋼板樁露出地面0.1 m,根據(jù)地質(zhì)柱狀圖結(jié)構(gòu),查出施工回填加原地面回填土共1.3 m,以下12.7 m為流塑狀淤泥,再往下為6 m的硬塑狀淤泥,各種土的性能如下:人工填土:容重15 000 N/m3;摩擦角20°;粘結(jié)力10 000 N/m2。淤泥質(zhì)黏土:容重14 000 N/m3;摩擦角14°;粘結(jié)力 10 000 N/m2。硬塑狀淤泥:容重15 000 N/m3;摩擦角16°;粘結(jié)力12 000 N/m2?？紤]施工時(shí)機(jī)械挖土,均布荷載為30 000 N/m。

5.1 計(jì)算各層土壓力

利用庫(kù)侖土壓力公式,主動(dòng)土壓力為:

被動(dòng)土壓力為:

其中,Q0=30 000 N/m;Ri為第i層的天然容重;Hi為第i層土的厚度;γ,Cn分別為土層的摩擦角和粘聚力。

將參數(shù)代數(shù)代入求得各土層的土壓力,如圖2所示。并根據(jù)主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力關(guān)系求出反彎點(diǎn)位置為C,距離開(kāi)挖面2.916 9 m。

5.2 計(jì)算支撐反力

計(jì)算第一層支撐反力時(shí),以 A點(diǎn)以上部分各種力對(duì)A點(diǎn)的矩為0,求得:F1=21 745 N/m。

計(jì)算第二層時(shí),以B點(diǎn)以上部分各種力對(duì)B點(diǎn)的矩為0,此時(shí)F1為已知,求得:F2=79 095 N/m。

計(jì)算第三層時(shí)以反彎點(diǎn)C以上部分各種力對(duì)C點(diǎn)的矩為0,求得:F3=152 402 N/m。

5.3 計(jì)算反彎點(diǎn)支持力P0

C點(diǎn)以上各種力的合力差即為P0,求得:P0=69 809 N/m。

5.4 計(jì)算鋼板樁嵌入深度tk及鋼板樁總長(zhǎng)

以反彎點(diǎn)以下力矩平衡為0,即 tk=∑Pan×an(Pan為被動(dòng)土壓力;an為被動(dòng)土壓力作用中心到D的距離)。

求得 tk最小值為5.908 4 m。

鋼板樁總長(zhǎng):L=0.1+7.5+2.917+1.2×5.908 4=17.6 m,采用18 m鋼板樁。

5.5 計(jì)算支撐鋼管受力

采用兩跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu),則鋼管支撐力:FN=1.3×152 402×4.5=89.05×104N。

鋼管支撐選用直徑478 mm、壁厚12 mm。

則鋼管慣性矩 J=π/32×0.634×[1-(454/478)4]=0.002 225 36 m4。

則 λp=π(E/σp)0.5=99.34。

而λ=uL/(J/A)0.5=55.6(u取1,L=12.8 m)。

因?yàn)棣耍鸡藀,不按照壓失穩(wěn)構(gòu)件考慮。

則P=σ×A=378×104N,滿足要求。

5.6 驗(yàn)算H型鋼受力

H型鋼選用0.4×0.4×0.021×0.013。

H型鋼的最大彎矩 M=0.070×152 402×4.52=216 029 m3。

H型鋼的抵抗矩W=0.003 268 m3。

則 σmax=M/W=66×106＜215×106。

驗(yàn)算剛度:f=0.521×152 402×4.54/100EI=0.002 372＜4.5/400=0.011 25,所以H型鋼滿足要求。

5.7 計(jì)算鋼板樁的受力

計(jì)劃選用拉森Ⅴ形鋼板樁:

根據(jù)計(jì)算 W=520×10-8m4。

鋼板樁抵抗最大彎矩力 Mmax=(520×10-6×210×106)×2=218 400 N·m。

按照簡(jiǎn)支梁計(jì)算各段最大彎矩,經(jīng)計(jì)算最大彎矩發(fā)生在8.251 6 m處:

其值為 Mmax(延長(zhǎng)米)=171 125 N·m＜218 400 N·m,滿足要求。由于允許鋼板樁一定變形,鋼板樁不進(jìn)行剛度驗(yàn)算。

5.8 結(jié)構(gòu)布置

詳細(xì)結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1,鋼板樁計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2,鋼板樁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼板樁計(jì)算結(jié)果表

6 鋼板樁施工工藝流程

為了更好地控制鋼板樁施工質(zhì)量和安全,特制定鋼板樁施工流程(見(jiàn)圖3)。

7 施工方法

7.1 施工準(zhǔn)備

鋼板樁采用拉森Ⅴ形,盡量減少露出地面的鋼板樁長(zhǎng)度。

將新舊鋼板樁運(yùn)到工地后,詳細(xì)對(duì)其檢查、丈量、分類(lèi)、編號(hào),同時(shí)對(duì)兩側(cè)鎖口用一塊同型號(hào)長(zhǎng)2 m～3 m的短樁作通過(guò)試驗(yàn),以2人～3人拉動(dòng)通過(guò)為宜,鎖口通不過(guò)或樁身有彎曲、扭曲、死彎等缺陷,采用冷彎、熱敲(溫度不超過(guò)800℃～1 000℃)、焊補(bǔ)、鉚補(bǔ)、割除、接長(zhǎng)等方法加以整修。同時(shí)接頭強(qiáng)度與其他斷面相等,接長(zhǎng)焊接時(shí),用堅(jiān)固夾具夾平,以免變形,在焊接時(shí),先對(duì)焊,再焊接加固板,對(duì)新樁或接長(zhǎng)樁在樁端制作吊樁孔。

因使用鋼板樁長(zhǎng)度為18 m,需要采用接樁處理,同時(shí)要保證相鄰鋼板樁接頭不能在同一截面,所以采用12 m+6 m和9 m+9 m的錯(cuò)開(kāi)接樁方案。

7.2 施工順序

主要施工順序(承臺(tái)分三次澆筑):插打鋼板樁→施工第一道施工圍囹→開(kāi)挖一定深度(比第二道施工圍囹深30 cm)→施工第二道施工圍囹→開(kāi)挖一定的深度→施工第三道圍囹→開(kāi)挖剩余土方→封底混凝土施工→澆筑第一層承臺(tái)→拆除模板→回填并夯實(shí)臺(tái)背→拆除第三道圍囹→施工第二層承臺(tái)→拆除第二道圍囹→澆筑第三層混凝土→拆除模板→回填1.5 m并夯實(shí)→拆除第一道圍囹→拔出鋼板樁→回填并夯實(shí)臺(tái)背。

7.3 打樁設(shè)備

全部承臺(tái)投入鋼板樁打拔樁機(jī),1臺(tái)用于施工,為DZ40樁錘(配夾具)。

7.4 插打鋼板樁

測(cè)量人員首先定出鋼板樁的軸線,可每隔一定距離設(shè)置導(dǎo)向樁,導(dǎo)向樁適用鋼管,然后安設(shè)木導(dǎo)梁,只設(shè)置內(nèi)置導(dǎo)向架,打樁時(shí)利用導(dǎo)向木控制鋼板樁的軸線。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

采用單樁逐根打入法施打鋼板樁,打樁機(jī)吊起鋼板樁,采用人工配合吊車(chē)扶正就位,由鋼板樁一個(gè)角開(kāi)打,然后合龍于此角。

為保證插樁順利合龍,要求樁身垂直,并且圍堰周邊的鋼板數(shù)要均分,插打第一塊鋼板樁必須保持正確,最先幾塊插好穩(wěn)定后,立即用木導(dǎo)梁和固定螺栓固定,然后繼續(xù)插打,在施工中加強(qiáng)測(cè)量工作,發(fā)現(xiàn)傾斜,及時(shí)調(diào)整,使每組鋼板樁在順圍堰周邊方向及其垂直方向的傾斜度均不大于5‰,同時(shí)為了使圍堰周邊能為鋼板樁數(shù)所均分,事先在圍堰導(dǎo)梁上按鋼板樁組的實(shí)際寬度畫(huà)出各組鋼板樁的位置,使寬度誤差分散,并在插樁時(shí),據(jù)此調(diào)整鋼板樁的平面位置,使誤差不大于±15 mm,當(dāng)仍有困難時(shí),將合龍口兩邊各幾組鋼板樁不插到設(shè)計(jì)位置,在懸掛狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整。無(wú)法順利合龍時(shí),則根據(jù)合龍口的實(shí)際尺寸制造異形鋼板樁合龍,但要控制異形鋼板樁上下寬度之差不超過(guò)樁長(zhǎng)的2%。

7.5 開(kāi)挖

基坑開(kāi)挖由專(zhuān)人負(fù)責(zé)指揮,采取分層分段對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖,開(kāi)挖到支撐結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)及時(shí)施工支撐,并嚴(yán)格遵循“分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”。當(dāng)挖至標(biāo)高接近基礎(chǔ)底板標(biāo)高時(shí),邊抄平邊配合人工清槽,防止超挖?；娱_(kāi)挖施工至基礎(chǔ)底板標(biāo)高時(shí),在24 h內(nèi)必須完成素混凝土墊層,墊層混凝土厚度為50 cm。

7.6 拔樁

在承臺(tái)施工完畢后,首先回填1.5 m土并夯實(shí),確保拔除鋼板樁后不出現(xiàn)坍方現(xiàn)象,然后可拆除圍囹,因?yàn)橄虏砍信_(tái)臺(tái)背已經(jīng)分層回填夯實(shí),若全部回填完畢,內(nèi)側(cè)摩阻力會(huì)變大,不便于進(jìn)行拔樁作業(yè),所以采用先回填部分土,再拆除鋼板樁,最后再回填剩余部分的方案。

先用打拔樁機(jī)夾住鋼板樁頭部振動(dòng)1 min～2 min,使鋼板樁周?chē)耐了蓜?dòng),產(chǎn)生“液化”,減小土對(duì)樁的摩阻力,然后慢慢的往上振拔。拔樁時(shí)注意樁機(jī)的負(fù)荷情況,發(fā)現(xiàn)上拔困難或拔不上來(lái)時(shí),應(yīng)停止拔樁,振動(dòng)1 min～2 min后再往下錘0.5 m～1.0 m再往上振拔,如此反復(fù)可將樁拔出來(lái)。

7.7 鋼板樁施工中的問(wèn)題及處理方案

插打72號(hào)墩靠便道側(cè)時(shí)出現(xiàn)樁帶入現(xiàn)象,處理方案:把相鄰的數(shù)根樁焊接在一起,并且在施打擋樁的連接鎖口上涂以黃油等潤(rùn)滑劑減小阻力。

69號(hào)墩因在樁基施工時(shí)出現(xiàn)比較大的坍方,利用石渣和黏土進(jìn)行回填及樁基重新施工,使部分石渣侵入鋼板樁打樁范圍,在此位置插打鋼板樁時(shí)使前進(jìn)方向鋼板樁夾入石渣,使下個(gè)鋼板樁鎖口無(wú)法連接,處理方案:拔除無(wú)法連接的鋼板樁,在鋼板樁前進(jìn)方向鎖口下端用木塞塞住,防止石渣進(jìn)入。

72號(hào)墩因原有一角為原來(lái)河溝填充,淤泥層不但厚,而且流動(dòng)度非常大,致使開(kāi)挖到基坑底時(shí)出現(xiàn)反涌現(xiàn)象。處理方案:立即進(jìn)行回填部分基坑,然后對(duì)此處鋼板樁外側(cè)開(kāi)挖2 m深左右(放坡開(kāi)挖的最大深度),寬度5 m左右(減小主動(dòng)土壓力),然后再進(jìn)行開(kāi)挖,雖然反涌程度減弱,但是還存在反涌,經(jīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)和工期進(jìn)行反復(fù)比價(jià),在此角,拋入片石,利用片石擠淤(增加被動(dòng)土壓力),最終徹底解決了反涌現(xiàn)象。

7.8 圍堰擋水效果

雖然地下為淤泥層,但是滲水較少,只需要設(shè)置排水坑即可滿足要求。

7.9 變形觀測(cè)

在鋼板樁圍堰擋水期間,我們定期對(duì)鋼板樁頂?shù)奈灰七M(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)樁頂向基坑內(nèi)的偏移量穩(wěn)定在2 cm～8 cm之間,說(shuō)明堰體是穩(wěn)定的,若偏差過(guò)大,采用加強(qiáng)支撐的形式對(duì)樁進(jìn)行加固。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)石岐河特大橋鋼板樁施工,有效地解決了在軟弱地基中深基坑作業(yè),為其他類(lèi)似工程提供參考。

[1]張 秀,任學(xué)起.通榆運(yùn)河特大橋基礎(chǔ)鋼板樁圍堰施工實(shí)踐[J].山西建筑,2008,34(25):319-320.