李卓萬

(唐港鐵路有限責(zé)任公司，河北 唐山 063611)

1 工程概況

曹妃甸特大橋是新建遷曹鐵路上一座特大型橋梁，位于河北省唐山市南部70 km的渤海海濱地區(qū)。橋梁全長7 477.26 m，下部結(jié)構(gòu)共243個(gè)墩臺(tái)，采用直徑1.00，1.25，1.50 m的鉆孔樁，獨(dú)立承臺(tái)，圓端型橋墩，T型橋臺(tái)。上部結(jié)構(gòu)由1聯(lián)(40+64+40)m連續(xù)箱梁、3聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)和227孔預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁組成。

該橋橋址處于近海區(qū)域，一般水深3～5 m，跨納潮河區(qū)段1.4 km水深8～20 m，水位受潮汐影響較大，每天漲落潮各2次，為不規(guī)則半日潮，平均高潮位2.75 m，最大潮差3.54 m;50年一遇高潮位為+4.34 m。該段施工范圍內(nèi)的地層為第四系全新統(tǒng)濱海相沉積層，巖性為粉砂、淤泥、粉砂、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土等，屬于典型軟土地基。

2 鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)

曹妃甸特大橋位于納潮河段總共26個(gè)橋墩，其中水深＜10 m的橋墩承臺(tái)共14個(gè)，采用鋼板樁圍堰支護(hù)施工。

2.1 鋼板樁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

施工水位取百年一遇最高水位+1.31 m。鋼板樁頂高程為+2.31 m。選用長度為18 m和15 m的拉森Ⅳ型鋼板樁，圍堰內(nèi)側(cè)距承臺(tái)邊沿1.15 m。根據(jù)承臺(tái)尺寸鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)尺寸有15.2 m×10.4 m，16.0 m×10.4 m，20.8 m×12.8 m三種，鋼板樁緊密咬合，同時(shí)采取止水措施。圍堰內(nèi)側(cè)四周采用雙層I45b工字鋼分上、中、下三層(主墩圍堰采用四層)圍囹支護(hù)，桁架間部分桿件采用I25a工字鋼。鋼板樁圍堰形式見圖1。

圖1 主墩鋼板樁圍堰形式示意(單位:mm)

2.2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)驗(yàn)算(以200#為例)

2.2.1 已知條件

施工水位取百年一遇最高水位高程+1.31 m。鋼板樁頂高程為+2.31 m，承臺(tái)設(shè)計(jì)底高程為－5.11 m，頂高程為 －2.81 m。承臺(tái)尺寸為13.7 m×8.1 m×3.3 m，圍堰尺寸為16.0 m×10.4 m。拉森Ⅳ鋼板樁的技術(shù)參數(shù)見表 1。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告土體密度(容重)γ=20 kN/m3，土的內(nèi)摩擦角φ=20°，土的黏聚力c=20 kPa;主動(dòng)土壓力系數(shù) Ka=tg2(45－φ/2)=0.731;被動(dòng)土壓力系數(shù) Kp=tg2(45+φ/2)=1.367。200#鋼板樁圍堰豎向截面情況見圖2。

表1 拉森Ⅳ鋼板樁的技術(shù)參數(shù)表

圖2 200#鋼板樁圍堰豎向截面示意

2.2.2 計(jì)算內(nèi)容

1)入土深度計(jì)算

①計(jì)算反彎點(diǎn)位置，即利用鋼板樁墻上土壓力等于零的點(diǎn)作為反彎點(diǎn)位置，計(jì)算其離基坑底面的距離y，在y處板樁墻前主動(dòng)土壓力強(qiáng)度和被動(dòng)土壓力強(qiáng)度相等，有

式中 Pb——基坑地面處鋼板樁墻后的主動(dòng)土壓力強(qiáng)

度值;

K——主動(dòng)土壓力修正系數(shù)，土的內(nèi)摩擦角 φ為 20°時(shí)，K 取 1.7;

γ——土體重度;

h——基坑開挖深度;

hw——基坑外側(cè)水位深度。

②鋼板樁零點(diǎn)以下入土深度x的確定

由力矩分配法計(jì)算的受力圖見圖3。P0=47.36 kN，P1=5.8 kN，P2=37.8 kN，P3=131.4 kN，Mmax=71.136 kN·m。

圖3 力矩分配法計(jì)算受力圖

采用等值梁法計(jì)算原理，土壓力零點(diǎn)處的支撐反力與該點(diǎn)以下鋼板樁土壓力對(duì)樁底的力矩平衡，假設(shè)鋼板樁土壓力零點(diǎn)以下埋深為x，有

③鋼板樁入土深度t0計(jì)算

則鋼板樁入土深度 t0=1.1×5.94=6.534 m，實(shí)際入土深度7.08 m，滿足要求。

2)抗管涌檢算

根據(jù)不發(fā)生管涌條件γ'≥Kj

其中 j=iγw=h'/(2t)γw，K 為抗管涌安全系數(shù)，取K=2.0，γ'為土的浮重度，γ'=γ － γw=10 kN/m3(γ 為土的重度、γw為水的重度)，j為最大滲流力(動(dòng)水壓力)，i為水頭梯度 ，t為鋼板樁入土深度為7.08 m，h'為地下水到坑底的距離為6.92 m，計(jì)算得j=6.92/(2×7.08)×10=4.9，10＞2×4.9=9.8滿足要求，此種情況下不會(huì)發(fā)生管涌事故。

3)基坑底部隆起驗(yàn)算

根據(jù)底部地質(zhì)資料，基坑底部粉砂力學(xué)性質(zhì)取重度 γ=20 kN/m3，粘聚力 c=20 kPa，土的浮重度 γ'=10 kN/m3，坑頂荷載 q取水壓力，q=γw×6.92=69.2 kPa，抗隆起安全系數(shù) K=2πc/(h1×γw+γ'×h2)=2×3.14×20/(6.21×10+10×0.71)=1.82＞1.20，圍堰的深度為6.92 m不會(huì)發(fā)生基坑隆起事故。

4)圍堰抗浮穩(wěn)定性檢算

如G/F≥1，則圍堰是穩(wěn)定的，G為圍堰自重 +內(nèi)支撐重量 +側(cè)摩阻力的合力 =156.177+46.356+832.000+1 186.129=1 388.662(t)，F(xiàn)為浮力取1 234.688 t，有G/F=1.12＞1。實(shí)際狀況下G還包括基坑底部泥土與護(hù)筒的摩阻力，故圍堰抗浮穩(wěn)定性經(jīng)檢算是安全的。

5)圍堰底混凝土墊層厚度設(shè)計(jì)

由以上計(jì)算可以看出，在圍堰深度為6.92 m，鋼板樁埋深在7.08 m時(shí)，此種地質(zhì)條件下不需要混凝土封底施工。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算可得水深小于8 m，鋼板樁埋深8 m以上時(shí)，此種地質(zhì)條件下仍可以不用混凝土封底施工。在施工中，圍堰內(nèi)清泥至承臺(tái)底以下50 cm，再澆注混凝土墊層至承臺(tái)底高程，可保證工作面的形成和后續(xù)施工的正常進(jìn)行。

3 鋼板樁圍堰施工

3.1 施工準(zhǔn)備

施工之前，全面測(cè)量各墩位具體水深，合理安排施工順序，及時(shí)組織施工人員、設(shè)備和材料進(jìn)場(chǎng)。編制施工組織計(jì)劃及作業(yè)指導(dǎo)書，進(jìn)行作業(yè)要求交底。

3.2 測(cè)量放線、安裝導(dǎo)向框

在水位較低的情況下，將第一層圍囹作為打樁導(dǎo)向框，首先在施工現(xiàn)場(chǎng)定出鋼板樁圍堰第一層圍囹中心高程，在樁基鋼護(hù)筒上作出標(biāo)記。然后在護(hù)筒上以［20槽鋼為材料焊接牛腿，牛腿頂高程與圍囹底高程一致，同時(shí)精確測(cè)量定位各個(gè)圍囹的具體位置，在牛腿頂部作出標(biāo)記。以2I45b工字鋼為材料預(yù)制圍囹，兩片工字鋼間以鍛焊形式焊接牢固，按照腹板保持水平向由吊車配合安裝定位。

3.3 插打鋼板樁

1)鋼板樁插打前必須進(jìn)行檢查，嚴(yán)禁使用影響結(jié)構(gòu)安全的鋼板樁。檢查內(nèi)容包括:樁身是否完整，兩端是否破裂或卷曲，鋼板樁是否變形或者彎曲。鎖口是否有破裂、扭曲、缺損、局部彎曲及電焊瘤渣。型號(hào)、寬度是否一致。

2)用運(yùn)輸船將鋼板樁運(yùn)至圍堰位置，然后由50 t履帶吊和90型振動(dòng)錘配合將鋼板樁沿導(dǎo)向框插打入預(yù)設(shè)位置。打樁時(shí)沿圍囹周邊從圍堰的一角開始，先打入角樁。角樁的位置要準(zhǔn)確、垂直，傾斜度要小于1%。然后在角樁兩側(cè)插入鋼板樁，打樁過程中要隨時(shí)以導(dǎo)向梁為準(zhǔn)檢查所打鋼板樁的位置是否準(zhǔn)確，垂直度是否合格，及時(shí)糾偏。鋼板樁施打到河床以下穩(wěn)定高度，進(jìn)一步復(fù)核樁的垂直度、位置準(zhǔn)確后方可振動(dòng)打入。鋼板樁的合龍龍口相鄰的10～15片鋼板樁采取先插至樁的穩(wěn)定高度，以利于鋼板樁的調(diào)整，并且合龍口兩側(cè)鋼板樁之間具有一定高差，便于插樁，待合龍后再將樁打至設(shè)計(jì)高程。

3.4 內(nèi)支撐安裝

鋼板樁圍堰受潮汐力作用，潮差達(dá)2.5～3.0 m，導(dǎo)致圍堰所受內(nèi)外張力始終處于變化平衡狀態(tài)，為確保圍堰安全，采取在內(nèi)側(cè)加裝支撐體系并安裝上下牛腿。施工中按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行，共分三層和四層支撐。圍堰內(nèi)支撐的安裝順序如下(按四層介紹):將下面三層圍囹全部放入圍堰內(nèi)并由鋼絲繩懸吊在圍堰壁上→固定第一層圍囹→進(jìn)行第一層支撐安裝→抽水至第二層支撐處→固定第二層圍囹→進(jìn)行第二層支撐安裝→抽水至第三層支撐處→安裝第三層圍囹→進(jìn)行第三層支撐安裝→抽水至第四層支撐處→固定第四層圍囹→進(jìn)行第四層支撐安裝→抽水至基坑底。

內(nèi)支撐安裝質(zhì)量是確保圍堰安全的關(guān)鍵，在內(nèi)支撐安裝過程中應(yīng)注意以下事項(xiàng):①內(nèi)支撐及圍囹下料尺寸必須準(zhǔn)確，由于抽水過程中圍堰受到海水?dāng)D壓，圍堰有一定的變形，圍囹?qū)嶋H需要長度下面幾層比第一層要短至少10～15 cm，下料時(shí)下層圍囹長度可適當(dāng)調(diào)整。②內(nèi)支撐焊接質(zhì)量是關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)焊工必須持證上崗，保證內(nèi)支撐焊接質(zhì)量。③內(nèi)支撐安裝前圍囹要提前放下去，并且由下而上的順序放置，懸吊至圍囹本身大致設(shè)計(jì)位置，將鋼絲繩固定在圍堰鋼板樁上，防止上層內(nèi)支撐安裝完成后，由于空間較小下層圍囹無法放下。④導(dǎo)向框作為第一層圍囹時(shí)，固定圍囹后及時(shí)割除焊接在護(hù)筒上的牛腿。⑤內(nèi)支撐安裝過程中及時(shí)采取有效措施對(duì)圍堰進(jìn)行堵漏防水，常用的堵漏方法有鋸末和細(xì)砂混合在圍堰外側(cè)漏水嚴(yán)重的位置撒入水中，并向鋼板樁鎖口內(nèi)填充;防水材料布包裹圍堰，此種方法必須在河底用沙袋將防水布底端壓入泥土中;棉紗填充鋼板樁鎖口縫隙，在圍堰內(nèi)部用鋼釬和鐵錘將棉紗條強(qiáng)行砸入漏水縫隙。⑥內(nèi)支撐安裝過程與鋼護(hù)筒割除、吸泥、破樁頭等工序交替、交叉進(jìn)行，必須安排專人協(xié)調(diào)、管理，保證各項(xiàng)施工緊湊有序。

3.5 墩臺(tái)施工及圍堰拆除

內(nèi)支撐安裝完成后，圍堰內(nèi)開始破除樁頭，抽水吸泥，放線立模，進(jìn)行承臺(tái)、墩身施工，施工過程中必須經(jīng)常檢查圍堰漏水情況并及時(shí)堵漏，保證墩臺(tái)順利施工。

墩臺(tái)施工完成后，開始圍堰拆除，拆除工序與安裝過程正好相反。圍堰拆除順序如下(按四層內(nèi)支撐進(jìn)行說明):割除第四層內(nèi)支撐及圍囹→承臺(tái)內(nèi)支撐割除位置防腐→注水至第三層支撐處→割除第三層內(nèi)支撐及圍囹→注水至第二層內(nèi)支撐處→割除第二層內(nèi)支撐及圍囹→注水至第一層支撐處→割除第一層支撐及圍囹→拔除鋼板樁。

拔樁時(shí)，盡量使板樁下部與混凝土脫離，然后再進(jìn)行拔樁。先略錘擊振動(dòng)各拔高1～2 m，使其松動(dòng)后，再挨次拔除。對(duì)樁尖打卷及鎖口變形的樁，可加大拔樁設(shè)備的能力，將相鄰的樁一齊拔出。

4 結(jié)語

在曹妃甸特大橋納潮河海域施工環(huán)境，采用鋼板樁圍堰方法，對(duì)12個(gè)橋墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰實(shí)施了免封底技術(shù)。水深＜9 m、入土深度不小于8 m、河床泥土黏結(jié)力不小于18 kPa的情況下，鋼板樁圍堰在內(nèi)支撐等結(jié)構(gòu)滿足要求時(shí)，采用免封底施工技術(shù)，能夠節(jié)約大量工期，同時(shí)降低成本。

［1］楊漢國．鋼板樁圍堰結(jié)合注漿防水施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2007(7):13-15．

［2］中華人民共和國鐵道部．TB10203—2002 鐵路橋涵工程施工規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2002．

［3］彭振斌．深基坑開挖與支護(hù)工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工［M］．武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997．

［4］吳清，尹浩輝．模擬施工過程的官洲河特大橋鋼板樁圍堰分析計(jì)算［J］．鐵道建筑，2010(5):8-11．