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        深水橋梁大型基礎(chǔ)施工方案比選研究

        2021-12-16 10:45:36王軍艦劉均儒
        城市道橋與防洪 2021年11期
        關(guān)鍵詞:雙壁護筒深水

        王軍艦,劉均儒

        (1.武漢建工集團股份有限公司,湖北 武漢 430056;2.華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司,北京市 101312)

        0 引言

        隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展需求的不斷提升,跨江河湖海橋梁不斷涌現(xiàn)。受泄洪和河床沖刷的制約,此類橋梁基礎(chǔ)更多設(shè)計于河床之下。當(dāng)橋梁基礎(chǔ)處于深水條件下時,巨大的水流壓力將給深水圍堰施工帶來挑戰(zhàn)。為確保工程的順利實施,同時考慮工期、成本、質(zhì)量、安全等因素,需對深水基礎(chǔ)施工方案展開深入研究并進行充分比選,以確定最優(yōu)方案。

        近年來,關(guān)于深水雙壁鋼圍堰的研究越來越多。黃修平等[1]對常用深水基礎(chǔ)施工圍堰形式進行分析,比較了雙壁鋼圍堰、鎖口鋼管樁圍堰、鋼板樁圍堰方案的優(yōu)缺點及其適用特點;曾尼娜等[2]結(jié)合有限元軟件對雙壁鋼圍堰技術(shù)進行了研究分析;尹祿修[3]對復(fù)雜地質(zhì)條件下大型雙壁鋼圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究;于藝林等[4]根據(jù)承臺設(shè)計標(biāo)高、施工水位、荷載等條件進行了雙壁鋼圍堰的設(shè)計與驗算;周燕飛[5]對可拆裝式雙壁鎖口鋼圍堰施工技術(shù)進行了研究。然而,尚缺乏從工期、成本、安全風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險等方面對深水基礎(chǔ)方案進行綜合比選的研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以某橋梁深水基礎(chǔ)為例,對該深水基礎(chǔ)施工方案進行了比選分析。

        1 工程概況

        某水上橋梁工程采用3 跨1 聯(lián)(98 m+160 m+98 m)連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu),全長356 m。其中3#墩、6#墩為邊墩,4#墩、5#墩為主墩,3#墩~6#墩均位于水中。4#墩、5#墩承臺尺寸為40 m×30 m×4.5 m,每個承臺有48 根直徑2.0 m 的樁基,覆蓋層(承臺頂至河床面)厚度約6 m,水深8 m。

        1.1 地質(zhì)概況

        河床部分有厚2~3 m 淤泥層,圍堰范圍主要為黏土,局部存在硬塑性黏土;承臺以下6 m 開始出現(xiàn)粉砂層,且該層具有承壓水。

        1.2 氣候概況

        降水量主要集中在6~9月,占全年降水量的79.9%,最大年降水量為834.5 mm,最小年降水量為245.9 mm;多年平均風(fēng)速為4.0 m/s,最大風(fēng)速為29.0 m/s。

        1.3 水文概況

        該工程位于河道內(nèi),水位隨季節(jié)變化,枯水期平均水位+0.71 m,洪水期平均水位+3.14 m,年平均水位約2.0 m,100 a 一遇洪水位為+4.5 m。洪水期水流速度較快,考慮圍堰施工期阻水作用,橋位處水流變快,橋位處最大流速為3.2 m/s,局部沖刷最大沖刷深度為4.2 m。

        2 深水基礎(chǔ)方案比選研究

        2.1 方案一:雙壁鋼圍堰

        2.1.1 雙壁鋼圍堰布置型式

        主墩承臺采用圓形雙壁鋼圍堰,內(nèi)徑為52.0 m,外徑為55.0 m,壁厚1.5 m。圍堰周長約173 m,平面分為24 塊,每個塊段長度7.2 m,如圖1 所示。

        圖1 圍堰平面布置圖(單位:mm)

        雙壁鋼圍堰頂標(biāo)高為+5.5 m,底標(biāo)高為-22.0 m,高度27.5 m,設(shè)計洪水位為+4.5 m。豎向分為3 節(jié)進行拼裝,第1 節(jié)高度為10.905 m,第2 節(jié)高度為6.010 m,第3 節(jié)高度為10.585 m,如圖2 所示。

        圖2 圍堰豎向布置圖(單位:mm)

        單個雙壁鋼圍堰質(zhì)量約1 200 t,共72 個塊段,塊段最大質(zhì)量約20 t,塊段平均質(zhì)量約16.7 t。

        封底厚度為5 m,單個圍堰封底工程量10 600 m3,采用底隔艙分4 塊封底。在承臺外側(cè)設(shè)置20 根輔助樁,用于抵抗浮力。

        2.1.2 定位導(dǎo)向布置

        洪水期水流速度較快,考慮圍堰施工期阻水作用,橋位處水流變快,橋位處最大流速為3.2 m/s,局部沖刷最大沖刷深度為4.2 m,圍堰承受水平水流力達400 t。

        導(dǎo)向裝置采用圍堰壁體上的限位裝置作用在護筒群上進行導(dǎo)向定位;上游采用6 根鋼護筒組成整體,其他方向采用4 根鋼護筒組成整體,下放護筒入土15 m,其他護筒入土深度10 m,用以平衡圍堰渡洪時的水平水流力,如圖3 所示。

        圖3 導(dǎo)向定位護筒布置

        2.1.3 雙壁鋼圍堰施工工藝

        雙壁鋼圍堰施工工藝為:搭設(shè)清基范圍內(nèi)鋼棧橋→龍門吊安裝→打設(shè)鋼護筒→拼裝并下放首節(jié)雙壁鋼圍堰→接高并下放第2、第3 節(jié)雙壁鋼圍堰→樁基施工→封底施工→抽水施工→轉(zhuǎn)入承臺施工?;A(chǔ)施工工期為299 d。

        2.2 方案二:放坡開挖雙壁鋼圍堰

        2.2.1 放坡開挖雙壁鋼圍堰布置型式

        考慮雙壁鋼圍堰下沉困難,本方案僅將雙壁鋼圍堰下沉至黏土層頂部,在圍堰外側(cè)打設(shè)高壓旋噴樁加固止水,在圍堰內(nèi)側(cè)放坡開挖至基底。

        主墩承臺采用圓形雙壁鋼圍堰,內(nèi)徑為52.0 m,外徑為55.0 m,壁厚1.5 m,平面分為12 塊,如圖4所示。

        圖4 圍堰平面布置圖(單位:mm)

        雙壁鋼圍堰頂標(biāo)高為+5.5 m,底標(biāo)高為-12.0 m,高度17.5 m,豎向分成2 節(jié)進行拼裝,第1 節(jié)高度為7.0 m,第2 節(jié)高度為10.5 m,如圖5 所示。

        圖5 放坡開挖圍堰豎向布置圖(單位:mm)

        單個雙壁鋼圍堰質(zhì)量約800 t,共48 個塊段,塊段最大質(zhì)量約18 t,塊段平均質(zhì)量約16.7 t。

        與原圍堰相比,方案二少了底節(jié)圍堰、底隔艙、5 m 封底混凝土(現(xiàn)為30 cm 墊層)、壓艙混凝土(現(xiàn)僅吸泥、注水下沉,后期可拆除回收)等。

        2.2.2 定位導(dǎo)向布置

        洪水期水流速度較快,考慮圍堰施工期阻水作用,橋位處水流變快,橋位處最大流速為3.2 m/s,局部沖刷最大沖刷深度為4.2 m,圍堰承受水平水流力達400 t。

        導(dǎo)向裝置采用圍堰壁體上的限位裝置作用在護筒群上進行導(dǎo)向定位;由于圍堰四周已施工4 排高壓旋噴樁,可起到一定的定位作用,故定位導(dǎo)向裝置的安全系統(tǒng)可考慮適當(dāng)優(yōu)化。上游采用2 組4 根鋼護筒群,入土10 m;下游采用2 組單根鋼護筒,入土15 m,用以平衡圍堰渡洪時的水平水流力,如圖6 所示。

        圖6 導(dǎo)向定位護筒布置

        2.2.3 放坡開挖雙壁鋼圍堰施工工藝

        先下放雙壁鋼圍堰,圍堰下放至黏土層-12.0 m標(biāo)高,施工圍堰外側(cè)高壓旋噴樁止水,放坡開挖至墊層底、墊層、承臺。

        放坡開挖雙壁鋼圍堰施工工藝為:鋼棧橋施工→樁基施工→搭設(shè)拼裝高壓旋噴樁平臺→打設(shè)下放鋼護筒→拼裝首節(jié)圍堰→注水下沉、接高圍堰→繼續(xù)注水、吸泥下沉到位→圍堰外施工高壓旋噴樁→圍堰內(nèi)抽水、清基至-11.0 m →繼續(xù)放坡開挖至承臺墊層底→澆筑墊層→破除樁頭→承臺施工?;A(chǔ)施工工期為321 d。

        2.3 方案三:鎖扣鋼管樁圍堰

        2.3.1 鎖扣鋼管樁圍堰布置型式

        主墩承臺采用圓形鎖扣鋼管樁圍堰,半徑為28.5 m。鋼管樁采用φ820 mm×16 mm(外徑×壁厚),C 口采用φ152 mm ×8 mm,O 口采用φ133 mm ×4.5 mm,樁長46 m。由于鎖扣鋼管樁入土深度大,直接打設(shè)到位施工困難,故采取引孔措施。擬采用帶引孔功能的靜壓植樁機進行鋼管樁打設(shè),如圖7、圖8所示。

        圖7 鎖扣鋼管樁圍堰平面布置(單位:mm)

        圖8 圓形鎖扣鋼管鎖扣詳圖

        第1 道圍檁采用2H M 588,標(biāo)高為+2.5 m;第2道腰梁采用2 000 mm×1 500 mm 的C 30 鋼筋混凝土,標(biāo)高為-5.5 m;第3 道腰梁采用1 000 mm ×1 000 mm 的C 30 鋼筋混凝土,標(biāo)高為-11.5 m,如圖9 所示。

        圖9 鎖扣鋼管樁圍堰布置剖面圖(單位:mm)

        鎖扣鋼管樁圍堰依靠入土部分、自身強度、圍檁內(nèi)撐即可滿足抗洪要求,無需設(shè)置定位裝置。

        2.3.2 鎖扣鋼管樁圍堰施工工藝

        鎖扣鋼管樁施工工藝為:鋼棧橋搭設(shè)→樁基施工→鎖扣鋼管樁圍堰施工→抽水、開挖至基底→護筒打設(shè)→墊層施工→轉(zhuǎn)入承臺施工?;A(chǔ)施工工期為264 d。

        鎖扣鋼管樁擬采用靜壓植樁機施工,先采用履帶吊和振動錘打設(shè)始發(fā)段鋼管樁,再以始發(fā)段鋼管樁作為靜壓植樁機基礎(chǔ),要求靜壓植樁機自帶引孔裝置。

        2.4 方案優(yōu)缺點分析

        3 種方案優(yōu)缺點分析見表1。

        表1 方案優(yōu)缺點分析

        2.5 方案綜合對比

        3 種方案綜合對比見表2。

        由表2 可知,從經(jīng)濟和可行性考慮,放坡開挖雙壁鋼圍堰較為可行。

        表2 方案綜合對比

        3 結(jié)語

        (1)放坡開挖雙壁鋼圍堰方案耗時最長,雙壁鋼圍堰次之,鎖扣鋼管樁圍堰耗時最短。

        (2)放坡開挖雙壁鋼圍堰方案成本最低,雙壁鋼圍堰最高,鎖扣鋼管樁圍堰成本居中。

        (3)放坡開挖雙壁鋼圍堰方案水下止水帷幕不確定因素多,止水效果難以保證;雙壁鋼圍堰存在圍堰下沉困難、易受地下障礙物影響、難以下沉到位,渡洪措施工程量大等風(fēng)險;鎖扣鋼管樁圍堰入土深度大,施工精度難以保證,存在整體穩(wěn)定性差,設(shè)備要求高的缺點。

        (4)綜合考量,推薦采用放坡開挖雙壁鋼圍堰方案。

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