羅溪溪
(中交一公局第七工程有限公司,河南 鄭州 451450)
橋梁基礎(chǔ)多數(shù)位于水中或深切峽谷中,水中基礎(chǔ)作業(yè)均需在干施工環(huán)境下進(jìn)行,通常采用圍堰的方式進(jìn)行施工,如筑島土石圍堰、鋼板樁圍堰、鋼結(jié)構(gòu)圍堰等工藝最為常用。筑島圍堰具有施工快、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點,鋼板樁圍堰施工方法具有強(qiáng)度高、施工方便、止水效果好等特點[1-2]。本文依托工程實例,結(jié)合項目所處環(huán)境,將常規(guī)圍堰工藝進(jìn)行組合,并對組合工藝的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。
古宋河大橋中心樁號為K6+771.5,橋梁上部結(jié)構(gòu)采用20m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁,全橋跨徑組成為4×20m+4×20m,分兩聯(lián)。橋梁下部采用柱式墩、柱式臺,鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計。橋墩墩柱直徑為120cm,樁基直徑為150cm。橋梁全長166.04m,橋?qū)?×17.5m。
橋址處于豫東黃河沖洪積平原區(qū)地帶,地貌相對簡單。地層結(jié)構(gòu)基本為“上細(xì)下粗的兩元結(jié)構(gòu)”,均為第四系全新統(tǒng)黃河沖積層。上部地層工程性質(zhì)一般,下部地層工程性質(zhì)較好,場地工程地質(zhì)條件中等。場區(qū)地下水為淺層潛水,水位埋深一般在3~6m之間,水量較豐富,屬中等富水區(qū)。
路線在K6+771.5處跨越古宋河,與河道夾角120°,沿路線方向河口寬度達(dá)150m,最大水深約4.5m,擬建8~20.0m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋,下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋位鉆孔在鉆探深度范圍內(nèi),自上而下可劃分為9個工程地質(zhì)單元層,依次為粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉土、黏土、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土和黏土層。
為了快速進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)施工,結(jié)合道路施工棄土特點,充分利用現(xiàn)有資源,項目決定采用筑島土圍堰和鋼板樁圍堰相結(jié)合的方式進(jìn)行橋梁墩柱等下部結(jié)構(gòu)施工。
設(shè)計筑島頂寬48m,邊坡1∶1,筑島頂面高出實測水面標(biāo)高1m,按5m水深、島高6m設(shè)計。筑島采用中間高兩側(cè)低的設(shè)計,利用筑島平臺兩側(cè)水溝用于排出下雨匯集在筑島平臺上的積水,筑島斷面見圖1。
圖1 古宋河橋筑島斷面圖
古宋河橋在小樁號側(cè)開挖4m寬溝渠進(jìn)行導(dǎo)流,地面高程比實測水面高程低3.4m。古宋河5年一遇非汛期設(shè)計流量為7.08m3/s,水流力PWF為133.77kN/m,水流力對島產(chǎn)生的傾覆力矩MWF為490.49kN/m。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)、《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(DLT 5395—2007)等規(guī)范,對圍堰土堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算,參數(shù)計算結(jié)果見表1,計算斷面如圖2所示。
表1 圍堰土堤計算參數(shù)(第二列和第三列之間家兩道豎線隔開)
圖2 圍堰土堤計算斷面
(1)圍堰土堤抗傾覆穩(wěn)定性驗算
抗傾覆穩(wěn)定性驗算按照式(1)計算:
式(1)中:k0為抗傾覆系數(shù),安全允許值為1.3;W為施工荷載(kN);b為作用寬度(m);Ex和Ey為y方向的作用合力(kN);h為土堤的高度(m)。
根據(jù)表1計算得:k0=283.14>1.30,滿足要求。
(2)圍堰土堤抗整體滑動穩(wěn)定驗算
整體抗滑穩(wěn)定性驗算按式(2)計算:
式(2)中:kc為抗滑系數(shù),安全允許值為1.3;μ為取值系數(shù);Pi為沿滑動面的抗滑力(kN);Ti為沿滑動面的下滑力(kN)。
根據(jù)表1計算得:kc=6.15>1.30,滿足要求。
(3)圍堰壩基滲流計算
圍堰壩基滲流計算參式(3)計算:
式(3)中:q為每秒滲水量,安全允許值為0.6;k為透水層的滲透系數(shù);hw2為水頭高度(m);h0為壩基滲透土層高度(m);L1為壩基底部寬度(m)。
根據(jù)表1計算得:q=0.025m3/s<S=0.6m3/s,滿足要求。
筑島完成后,采用鋼板樁圍堰進(jìn)行施工。古宋河橋為左右分離式,每個墩3根樁,采取左右幅一排6根樁一起進(jìn)行支護(hù)。古宋河水位標(biāo)高45.105(汛期水位46.5),其中最不利位置為7#墩,按照該墩位結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼板樁圍堰設(shè)計計算。古宋河橋鋼板樁圍堰的平面尺寸為3.5m×35.5m。圍堰采用9m拉森IV鋼板樁,圍檁為350×350×12×19(mm)H型鋼,橫撐為φ377×7mm鋼管。參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ 50017—2003)、《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JT S152—2012)、《基坑工程手冊》等規(guī)范,對鋼板樁、圍檁和橫撐等結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算,結(jié)果見表2,均滿足要求。
表2 鋼板樁圍堰計算結(jié)果
筑島施工的關(guān)鍵工序是溝渠導(dǎo)流和筑島。
3.1.1 導(dǎo)流渠
導(dǎo)流溝渠進(jìn)出水口設(shè)置在上下游筑島平臺兩側(cè)。在導(dǎo)流溝渠兩頭靠近河岸處設(shè)置導(dǎo)流閥。導(dǎo)流閥設(shè)計為預(yù)留3~4m導(dǎo)流溝渠段不進(jìn)行開挖,預(yù)留的原狀土體作為導(dǎo)流閥,最后挖除實現(xiàn)導(dǎo)流。導(dǎo)流溝渠由中間向兩頭開挖,開挖土方可用于圍堰填筑施工。中間段導(dǎo)流溝渠開挖完成后,對溝底和邊坡進(jìn)行修整夯實,需過便道位置,培土埋設(shè)直徑1.5m混凝土管涵。過導(dǎo)流溝渠涵管便道修筑完成后,將導(dǎo)流閥挖除,實施導(dǎo)流,即先挖除下游導(dǎo)流閥,再挖除上游導(dǎo)流閥[3]。
3.1.2 筑島施工
筑島平臺在開挖導(dǎo)流溝渠時可利用開挖溝渠土方填筑至半幅,在導(dǎo)流溝渠導(dǎo)流實施后,可填筑至全幅寬截流。筑島平臺采取進(jìn)占方式進(jìn)行填筑,填筑頂面高程控制高于水面1m,坡度按1:1控制。在平臺兩側(cè)隨填隨打設(shè)一排木樁,木樁間距為0.5m,在河道水深處無法打設(shè)木樁時,采用填筑磚渣和沙袋裝土的方式填筑,磚渣及沙袋填筑寬度為6m。在筑島平臺修筑完成后,在便道下方打設(shè)2排間距為0.5m的松木樁,作為便道加固以便重型車輛通行。
鋼板樁作為基礎(chǔ)施工干環(huán)境轉(zhuǎn)換的支護(hù)結(jié)構(gòu),其關(guān)鍵施工工序為鋼板樁插打、圍檁及支撐安裝、開挖和鋼板樁拆除等。
3.2.1 鋼板樁插打
對每排樁基中心點進(jìn)行放樣。對樁基中心點拉線形成軸線,再平行軸線兩側(cè)各偏離1.75m進(jìn)行拉線撒白灰標(biāo)出鋼板樁插打位置線,再兩端垂直軸線,從最外側(cè)樁基建筑邊線偏離出去1.18m標(biāo)出兩端鋼板樁插打位置線。通過放樣撒白灰線標(biāo)示出鋼板樁插打輪廓線。采用鋼板樁打拔機(jī)械手施打,采用20工字鋼焊接導(dǎo)向圈進(jìn)行輔助鋼板樁插打,確保線形順直,在鋼板樁圍堰4個角使用角樁,從一端沿合龍方向施打,確保圍堰尺寸與鋼板樁模數(shù)相匹配以及轉(zhuǎn)角位置的密封性。鋼板樁采用屏風(fēng)式插打方法。
3.2.2 圍檁及橫撐安裝
基坑淺挖完成后,進(jìn)行圍檁及橫撐安裝。圍檁安裝高度為從鋼板樁頂往下50cm,在鋼板樁內(nèi)壁上焊接托架。在三角形鋼板托架與鋼板樁貼合面處,鋼板兩側(cè)與鋼板樁接觸位置進(jìn)行滿焊,然后將圍檁放置于托架上,采用鋼管進(jìn)行橫向支撐。在橫撐端頭頂部焊接2根20鋼筋擔(dān)于圍檁之間,2根鋼筋水平間距控制為14cm,正好保證鋼管與圍檁形心對中,確保鋼管橫撐安裝與圍檁相垂直。
3.2.3 開挖至設(shè)計深度
采用長臂挖機(jī)進(jìn)行基坑土方開挖,每間隔5m在圍堰頂進(jìn)行高程量測,根據(jù)需開挖至接樁低標(biāo)高計算開挖深度。在圍檁及橫撐上可貼設(shè)反光貼標(biāo)識,以防機(jī)械臂碰撞。開挖靠近鋼板樁土體時,不要碰撞鋼板樁。開挖出的土體堆放在離基坑邊緣3m以外,堆放高度不得高于3m。
3.2.4 鋼板樁圍堰拆除
在墩柱混凝土澆筑完成且墩柱混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa后,開始進(jìn)行鋼板樁圍堰拆除。鋼板樁圍堰拆除順序為:臨邊防拆除→基坑回填→橫撐拆除→圍檁拆除→鋼板樁拔除。
待基坑內(nèi)人員、機(jī)械等全部撤離后,拆除臨邊防護(hù),進(jìn)行基坑回填,橫撐拆除,將圍檁吊離。待圍檁及橫撐拆除完成后,進(jìn)行拔樁作業(yè)。
采用振動打樁機(jī)進(jìn)行拔樁,即利用振動錘產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動擾動土質(zhì),破壞鋼板樁周圍土的黏聚力以克服拔樁阻力,依靠附加起吊力的作用將樁拔除。拔樁時,可先用振動錘振活板樁鎖口以減小土的黏附,然后邊振邊拔。及時回填拔樁后的土孔,當(dāng)把板樁拔至比基礎(chǔ)底板略高時暫停引拔,用振動錘振動幾分鐘,盡量讓土孔填實一部分。對引拔阻力較大的鋼板樁,采用間歇振動的方法,每次振動15min,連續(xù)振動不超過1.5h。
(1)采用筑島圍堰施工方案的實際造價為462.59萬元,相對于常規(guī)的鋼便橋方案,節(jié)約了約130萬元。同時筑島土方可以為后期綠化平臺及中分帶回填提供部分土源,實現(xiàn)土資源再利用,減少土資源開采運輸費用,既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保,節(jié)省了施工成本。
(2)減少鋼便橋的投入,符合國家“碳達(dá)峰”“碳中和”的宏觀政策。同時,筑島圍堰采用土方,有利于環(huán)保。土方在拆除后可以用來填筑綠化平臺,節(jié)約了費用,減少了土方運輸過程中的安全環(huán)保問題,減少了交通疏導(dǎo)和道路環(huán)保管理投入。
(3)北方平原地區(qū)無深山峽谷地帶,河流水系發(fā)達(dá)。筑島圍堰與鋼板樁圍堰相結(jié)合的方案能夠快速將水上作業(yè)轉(zhuǎn)為陸上作業(yè)環(huán)境,非常適用于北方平原地區(qū)施工。
(4)通過本項目淺水河道橋梁施工實例,針對筑島圍堰和鋼板樁圍堰相結(jié)合的施工過程分析可以看出,筑島圍堰和鋼板樁圍堰相結(jié)合的施工方法可以保證鋼板樁圍堰的減少不受水流力的沖擊,沒有河道漂浮物撞擊的風(fēng)險。同時,筑島平臺方便機(jī)械設(shè)備施工作業(yè),可有效減少水上作業(yè)難度,增加施工安全保障。
該項目采用筑島式鋼板樁圍堰施工技術(shù)較好地完成了位于淺灘河槽的水中橋梁基礎(chǔ)施工,將填土筑島與鋼板樁圍堰相結(jié)合克服了淺灘河床無通航船只配合的施工難題,同時減少了施工成本投入,縮短了工期,可為北方平原地區(qū)類似橋墩施工提供借鑒。