王建軍

1 工程概述

1.1 工程概況

新建阜六鐵路按客貨共線鐵路160 km時(shí)速設(shè)計(jì)，同時(shí)預(yù)留200 km時(shí)速條件。潁河特大橋主跨采用一聯(lián)(70+120+70)m連續(xù)梁跨越潁河主航道，橋梁法線與河流中心線夾角15°，潁河主航道規(guī)劃為國(guó)家Ⅳ級(jí)航道，通航凈空不小于8.0 m，通航寬度為90 m，常水位為23.45 m。潁河特大橋跨越水域?qū)挾燃s200 m。墩位編號(hào)32號(hào)～55號(hào)，其中46號(hào)、47號(hào)主墩位于潁河主航道內(nèi)，設(shè)計(jì)為20根φ2.0 m群樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)分別為83 m和86 m。

主墩承臺(tái)設(shè)計(jì)為矩形二階鋼筋混凝土低樁承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為(24.6×19.3×4)m+(13×10×2)m。46號(hào)、47號(hào)墩承臺(tái)位于水中泥面以下，為節(jié)約成本，擬采用30 m拉森鋼板樁圍堰支護(hù)系統(tǒng)施工，為全線的控制性工程，且鋼板樁圍堰尺寸大、拉森鋼板樁長(zhǎng)為國(guó)內(nèi)最大。本文主要介紹潁河特大橋主跨拉森鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工。

1.2 地質(zhì)

潁河特大橋橋址區(qū)域?qū)倩春記_積平原地貌單元，主要為潁河河床、漫灘及一級(jí)階地，地勢(shì)平坦開闊，相對(duì)高差在0.5 m左右，多為耕地。

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的鉆孔勘探資料，地質(zhì)資料力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 地質(zhì)資料力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

1.3 水文

橋址處河槽寬180 m～210 m，河深8 m～12 m。河道較順直，上、下游不遠(yuǎn)處各有一彎道，河段基本穩(wěn)定，灘岸無崩塌現(xiàn)象。

阜六鐵路潁河特大橋橋址處潁河百年一遇設(shè)計(jì)洪水位為H1/100=32.84 m，最大流量 5 160 m3/s，最大流速 1.79 m/s;五年一遇設(shè)計(jì)洪水位為H1/5=28.41 m，流量1 900 m3/s，斷面平均流速0.97 m/s。

2 鋼板樁圍堰施工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式

鋼板樁圍堰的1/2平面圖與立面圖如圖1所示。

潁河特大橋主跨46號(hào)、47號(hào)墩圍堰采用30 m長(zhǎng)拉森Ⅳ型鋼板樁，內(nèi)支撐系統(tǒng)采用H40a型鋼及L160角鋼。

2.2 鋼板樁圍堰計(jì)算

2.2.1 鋼板樁

鋼板樁圍堰內(nèi)設(shè)置了6道內(nèi)支撐，每道支撐均為鋼板樁的支撐點(diǎn)，封底混凝土也是其支承，按簡(jiǎn)支端考慮，把鋼板樁按6跨連續(xù)梁計(jì)算，取1 m寬鋼板樁進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

這里應(yīng)該特別注意:圍堰內(nèi)基坑的開挖應(yīng)當(dāng)在水下進(jìn)行，即采用濕挖法進(jìn)行，可以用吸泥機(jī)能設(shè)備將基坑內(nèi)土抽出，封底混凝土應(yīng)當(dāng)采用水下灌注混凝土的辦法進(jìn)行封底。

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行鋼板樁的內(nèi)力計(jì)算，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖3所示。

經(jīng)有限元軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行拉森Ⅳ型鋼板樁的內(nèi)力計(jì)算得最大彎矩值79.4 kN·m，拉森Ⅳ型鋼板樁的截面模量為W=2 037 000 mm3，應(yīng)力 σ =39.0 MPa＜［σ］=180 MPa，支座反力作為荷載作用在內(nèi)支撐周側(cè)。

2.2.2 圍囹

選取受力最大的一道圍囹進(jìn)行計(jì)算，由鋼板樁各支座的反力可知第6道圍囹受力最大，周側(cè)作用在圍囹上的荷載為383.5 kN/m，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行圍囹的受力分析，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

經(jīng)有限元軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行圍囹的內(nèi)力計(jì)算得正應(yīng)力最大值 σ =138.48 MPa＜［σ］=145 MPa，剪應(yīng)力最大值為50.07 MPa，小于允許剪應(yīng)力85 MPa，圍囹的變形最大值為7.06 mm，小于允許變形 11.5 mm。

2.3 封底混凝土厚度計(jì)算

以承臺(tái)底標(biāo)高最低的圍堰計(jì)算封底混凝土厚度，假設(shè)封底混凝土標(biāo)號(hào)為C20，取其抗拉設(shè)計(jì)值 f=1.10 MPa。考慮施工階段混凝土的允許彎拉應(yīng)力取1.5倍安全系數(shù)，則［σ］=0.73 MPa。鋼護(hù)筒與封底混凝土間粘結(jié)強(qiáng)度也取1.5倍安全系數(shù)［τ］=0.473 MPa?；炷练獾缀穸热?.5 m，考慮到封底混凝土頂面浮漿的存在，則封底混凝土在計(jì)算時(shí)取有效厚度為3.0 m。

2.3.1 混凝土抗浮力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算得封底混凝土自重與封底混凝土與鋼護(hù)筒粘聚力及封底混凝土與鋼板樁粘聚力之和為346 760.9 kN＞水的浮力106 624 kN，封底混凝土抗浮滿足要求。

2.3.2 封底混凝土抗裂計(jì)算

由于承臺(tái)封底混凝土與鋼護(hù)筒及鋼板樁形成握裹支撐，其力的傳遞較為復(fù)雜，根據(jù)本承臺(tái)樁基布置情況，將封底混凝土看成承受均布荷載的四邊簡(jiǎn)支板，簡(jiǎn)支板邊長(zhǎng)為混凝土灌注樁間距5.3 m，考慮到封底混凝土頂面浮漿的存在，則封底混凝土在計(jì)算抗裂時(shí)取有效厚度為3.0 m。按照四邊簡(jiǎn)支雙向板計(jì)算得混凝土拉應(yīng)力為0.19 MPa ＜［σ］=0.73 MPa，滿足抗裂要求。

2.4 鋼板樁入土深度

封底混凝土下部為粉質(zhì)黏土，因此需要根據(jù)地基的抗隆起穩(wěn)定性來確定鋼板樁的入土深度，根據(jù)計(jì)算可得鋼板樁長(zhǎng)度為30 m。

2.5 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定性表現(xiàn)圍堰在動(dòng)水壓力作用下的抗傾覆能力。該動(dòng)水壓力與鋼板樁入土深度范圍內(nèi)所受的土壓力相平衡。作用在鋼板樁上的動(dòng)水壓力，簡(jiǎn)化為作用在水深1/3高度處的集中力，由封底混凝土以下的被動(dòng)土壓力來平衡，計(jì)算得穩(wěn)定系數(shù)為3.83＞2，整體穩(wěn)定滿足要求。

3 鋼板樁圍堰的施工及拆除

3.1 鋼板樁圍堰施工

3.1.1 施工工藝流程

鋼板樁圍堰施工工藝流程為:插打鋼板樁→鋼板樁合龍及封底→安裝圍囹支撐體系→澆筑底層承臺(tái)→體系轉(zhuǎn)換→墩臺(tái)身施工→拆除鋼圍堰。

3.1.2 主要施工方法

1)鋼板樁插打。

利用安放在初始作業(yè)平臺(tái)上的50 t履帶吊機(jī)配合振動(dòng)錘插打。鋼板樁插打應(yīng)從一角開始，先打入角樁，然后以第一根角樁為基準(zhǔn)，再向兩邊對(duì)稱插打鋼板樁。鋼板樁插打要隨時(shí)以導(dǎo)梁為準(zhǔn)，檢查所打的鋼板樁的位置是否準(zhǔn)確，垂直度是否合格，及時(shí)實(shí)施糾偏。插打鋼板樁前對(duì)鋼板樁槽內(nèi)塞黃油、摻鋸末，以增強(qiáng)止水效果。

2)鋼板樁的合龍施工。

鋼板樁合龍應(yīng)選擇在角樁附近(一般離角樁4片～5片)，如果距離有差距，可調(diào)整合龍邊相鄰一邊離導(dǎo)向架的距離。為了便于合龍，與合龍口相鄰的10片～15片鋼板樁采取先插至樁的穩(wěn)定高度，主要有利于鋼板樁的調(diào)整。并且合龍?zhí)幍膬筛摪鍢稇?yīng)保持一高一低，便于插樁，待合龍后，再將鋼板樁振設(shè)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.2 鋼板樁圍堰拆除

水中墩施工結(jié)束，立即拔除鋼板樁。拔樁前向圍堰內(nèi)填筑砂礫石，自下而上拆除內(nèi)支撐，先拆除下部支撐，將砂礫石灌入一層，再拆除上部支撐。

拔樁時(shí)先用打拔樁機(jī)夾住鋼板樁頭部振動(dòng)1 min～2 min，使鋼板樁周圍的土松動(dòng)，產(chǎn)生“液化”，減少土對(duì)樁的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。

4 結(jié)語

潁河特大橋46號(hào)、47號(hào)主墩30 m長(zhǎng)拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰支護(hù)系統(tǒng)于2010年1月完成設(shè)計(jì)并通過專家審查，2010年5月開始施工，2011年2月完成承臺(tái)澆筑。

該項(xiàng)拉森鋼板樁圍堰施工為目前全國(guó)最大，鋼板樁圍堰工法懸臂長(zhǎng)度達(dá)18 m、平面尺寸達(dá)28 m×22.4 m，屬特大型基坑，施工技術(shù)屬國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

潁河特大橋主墩拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰支護(hù)系統(tǒng)的順利實(shí)施，證明在水流較小的河道中大型承臺(tái)的施工采用拉森Ⅳ型鋼板樁圍堰支護(hù)系統(tǒng)是可行的，具有較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，可以為同類橋梁大型水中基礎(chǔ)施工提供借鑒。

［1］中國(guó)鐵建中鐵十五局集團(tuán)有限公司阜六鐵路I標(biāo)項(xiàng)目部.潁河特大橋主墩承臺(tái)施工方案［Z］.阜陽:中國(guó)鐵建中鐵十五局集團(tuán)有限公司，2010.

［2］周永興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］交通部第一公路工程局.橋涵［M］.北京:人民交通出版社，1985.

［4］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］干昌洪，何 偉.深水墩鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［J］.山西建筑，2010，36(5):304-305.