羅 利, 王佳林, 羅 強(qiáng)

(1.中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司, 成都 610063; 2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210096)

蓬安嘉陵江三橋位于四川省蓬安縣省道206線,即順蓬營(yíng)一級(jí)公路蓬安段,屬于升級(jí)改造工程。大橋全長(zhǎng)1 239 m,其中主橋橋跨為(126+220+126) m連續(xù)剛構(gòu)橋,18#主墩位于嘉陵江主河道內(nèi)(圖1),設(shè)計(jì)為雙肢薄壁墩,端部采用圓端型,承臺(tái)尺寸為45 m×14.5 m×5 m。承臺(tái)底面位于河床表面線以下5.5 m,完全嵌入河床中。承臺(tái)下接 25根直徑2.5 m樁基,樁基嵌入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,嵌入深度約30 m。

圖1 18#橋墩位置

1 水文及河床地質(zhì)分析

嘉陵江三橋位于馬回庫(kù)區(qū),橋位處河面寬度超過(guò)800 m,主橋橋墩離岸邊較遠(yuǎn),墩位處常年水深為4～8 m,每年雨季洪峰過(guò)境時(shí)水位上漲3～6 m。墩位處水深流急,且季節(jié)性差異大,水下大體積承臺(tái)施工存在防汛時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)重的特點(diǎn),且不具備筑島條件。

大橋主墩所處地層主要為第四系全新統(tǒng)近代河流沖積層和侏羅系上統(tǒng)遂寧組,河床在常年沖刷后呈板結(jié)狀,前期錘擊試驗(yàn)、棧橋施工、鎖扣鋼管樁插打工藝試驗(yàn)表明主墩承臺(tái)所處河位置床的砂卵石密實(shí)程度高,硬度大,破碎難度高。

2 圍堰形式的選擇

砂卵石河床環(huán)境中承臺(tái)施工在滿足能夠提供干處作業(yè)環(huán)境這一基本功能的前提下,還須具備施工組織的可行性和施工過(guò)程的安全性,同時(shí)能夠應(yīng)對(duì)大型漂浮物撞擊和洪水沖擊等不可控因素的影響,因此對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、質(zhì)量控制、安全控制要求高。

2.1 雙壁鋼圍堰

雙壁鋼圍堰整體的整體剛度大、穩(wěn)定性好、抗沖擊力強(qiáng)且適應(yīng)于深水基礎(chǔ),止水也易于控制,但需要大型起吊設(shè)備,且無(wú)法保證主墩承臺(tái)在主汛期到來(lái)之前完成澆筑,整座大橋建設(shè)所面臨的防洪度汛形勢(shì)嚴(yán)峻,鋼圍堰自身也存在時(shí)常被洪水淹沒甚至沖毀、大型漂浮物撞毀等安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 鋼板樁圍堰

在密實(shí)砂卵石河床中,鋼板樁接長(zhǎng)對(duì)其施打和止水都較為不利。另外,承臺(tái)開挖暴露時(shí)間長(zhǎng),基坑的安全性很難保證。

2.3 鎖口鋼管樁圍堰

鎖口鋼管樁自身剛度大,可現(xiàn)場(chǎng)制作加工,回收循環(huán)使用。圍堰的整體剛度和水平抗推強(qiáng)度強(qiáng),對(duì)基坑安全性有保障;而且結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單,對(duì)土方開挖較為有利,減少基坑暴露時(shí)間,能有效縮短承臺(tái)施工周期,節(jié)約成本[1]。同時(shí),鎖扣鋼管樁圍堰同鋼板樁圍堰具構(gòu)造相似,不同之處在于將鋼板樁用帶鎖扣的鋼管樁代替,通過(guò)鎖扣樁連接而成,其結(jié)合了鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰二者的受力特性。相比于雙壁鋼圍堰更適用于工期緊、防洪抗汛壓力大的橋梁工程水下基礎(chǔ)施工。

經(jīng)過(guò)多方位比選,決定采用鎖扣鋼管樁圍堰完成18#墩水下大體積承臺(tái)施工。

3 圍堰設(shè)計(jì)

鎖扣鋼管樁圍堰在粉細(xì)砂層地質(zhì)條件下有過(guò)設(shè)計(jì)施工的成功案例[2],但其在砂卵石河床水域下大體積承臺(tái)施工中還未見應(yīng)用,且存在設(shè)計(jì)資料和施工實(shí)例缺乏、施工工藝不成熟、過(guò)程控制理論和方法不系統(tǒng)等一系列亟須解決的問(wèn)題。

3.1 設(shè)計(jì)考慮的主要因素

在圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),首先根據(jù)地質(zhì)及承臺(tái)大小情況合理選擇鋼管樁圍堰的平面形狀及尺寸;再根據(jù)開挖深度、水文情況計(jì)算鋼管樁的錨固深度及長(zhǎng)度;最后根據(jù)圍堰各施工工況計(jì)算確定圍檁及內(nèi)支撐的材料類型及型號(hào)。鎖口鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括:圍堰形狀和結(jié)構(gòu)尺寸確定,鎖口形式選擇,鋼管樁嵌固深度設(shè)計(jì),圍檁和內(nèi)支撐設(shè)計(jì),鋼圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3.2 鎖扣鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸確定

18#墩鎖扣鋼管樁圍堰考慮采用矩形平面(圖2),由4條直線段首尾依次相連而成,外輪廓長(zhǎng)度為51.475 m,寬度為20.63 m。為應(yīng)對(duì)矩形截面阻水面積過(guò)大的問(wèn)題,設(shè)置加固樁增強(qiáng)圍堰抵抗水流沖擊的能力,同時(shí)也能防止河床過(guò)度沖刷而影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,確保施工過(guò)程安全。

圖2 圍堰平面布置

3.2.2 鎖扣鋼管樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擬采用T-C結(jié)構(gòu)形式鎖扣(圖3),T型鎖扣為I20a工字鋼,C型鎖扣為Φ180 mm×6 mm開縫鋼管,鋼管樁采用Φ720 mm×10 mm螺旋鋼管,材質(zhì)采用Q235b[3]。鋼管樁長(zhǎng)度14.2 m,一般樁由Φ180 mm×6 mm焊管+I20a工字鋼組成。為防止插打過(guò)程中鋼管樁底部發(fā)生過(guò)大變形,底口進(jìn)行穿靴處理。

圖3 鎖扣連接示意圖

3.2.3 首樁和末樁設(shè)計(jì)

在鎖扣樁插打施工過(guò)程中,每根樁都須精確定位,確保鋼管樁的走向不出現(xiàn)較大偏差,避免合龍困難。為應(yīng)對(duì)不可避免的施工誤差并確保施工順利實(shí)施,實(shí)現(xiàn)鋼圍堰順利合龍,首樁和末樁均設(shè)計(jì)特殊構(gòu)造(圖4)。

圖4 首樁和末樁構(gòu)造

3.2.4 鋼管樁嵌固深度設(shè)計(jì)

鋼管樁嵌固深度為河床開挖至封底混凝土底面時(shí)鎖扣鋼管樁圍堰穩(wěn)定所需的最小入土深度。鋼圍堰在下放及施工期間受到的主要荷載有自重、靜水壓力、主動(dòng)土壓力、浮力、水流力、波浪力和風(fēng)荷載。18#墩圍堰的主要高程設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5所示。

圖5 堰主要高程設(shè)計(jì)參數(shù)

作用于圍堰內(nèi)側(cè)的土壓力表現(xiàn)為被動(dòng)土壓力,圍堰外側(cè)的土壓力表現(xiàn)為主動(dòng)土壓力[4]。作用于鋼管樁上的土壓力、波浪力和水流沖擊力的分布示意如圖6所示。嵌固深度用等值梁法[5]進(jìn)行計(jì)算,將圍堰內(nèi)河床開挖至封底混凝土底面作為鎖扣鋼管樁嵌固深度驗(yàn)算的計(jì)算工況。

圖6 鋼管樁受力示意圖

由于土體的透水性較好,可采用水土分離的方法進(jìn)行土壓力計(jì)算,即

式中:Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù);Kp表示被動(dòng)土壓力系數(shù);γs為土體的有效重度,kN/m2;x表示到河床線的距離,m。

根據(jù)鋼管樁圍堰的實(shí)際施工過(guò)程,河床開挖至封底混凝土底面時(shí)的鎖扣鋼管樁嵌固深度最小。鎖扣鋼管樁采用河床置換法引孔生成砂樁后再插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和以往施工經(jīng)驗(yàn),鋼管樁周圍砂石填料計(jì)算重力密度取18k N/m3,計(jì)算內(nèi)摩擦角取35°,依據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6],則土壓力系數(shù)為

式中:φ為內(nèi)摩擦角。根據(jù)鋼管樁受力示意圖,確定凈土壓力為零的位置(簡(jiǎn)稱為零值點(diǎn)),設(shè)該點(diǎn)到坑底的距離為u,則

式中:h1為波浪力的作用高度,取0.8 m;h2為圍堰頂至河床頂面的距離,即水流沖擊力的作用區(qū)域,取5.6 m;h3表示河床至封底混凝土底面的距離,取6.1 m;γs表示土體的有效重度,取8 kN/m2;qb為波浪力,取4.967 5 kN/m;qc表示江面水流沖擊,取4.69 kN/m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得u=0.653 m。

根據(jù)等值梁法對(duì)第一道橫撐取∑MA=0,則有

∑MA=0?Mb+Mc+Ma+Mp=0

(4)

設(shè)鋼管樁位于零值點(diǎn)以下x(m)處,所有荷載對(duì)第一道橫撐處(標(biāo)高294 m)取彎矩,則

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)則有

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得到x=1.42 m,綜上可得鋼管樁所需的嵌入深度為t=x+u=2.073 m。由圖4可知,當(dāng)圍堰開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高283.3 m時(shí),鎖扣樁實(shí)際嵌固深度為2.5 m,大于計(jì)算所得2.073 m,滿足嵌固深度要求。計(jì)算表明,在砂樁填料的內(nèi)摩擦角不小于35o的情況下,鎖扣鋼管樁的插打深度能夠滿足嵌固要求。

對(duì)不同工況下(不同最大粒徑、含水量、含泥量、密實(shí)度條件下)砂卵石進(jìn)行粗粒土直接剪切試驗(yàn),測(cè)試不同工況下砂卵石的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 直剪試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到水平荷載和豎向荷載之間的關(guān)系為

fh=(tanφ)fv+c=0.752 8fv+6.91

(7)

根據(jù)庫(kù)倫定理,砂卵石的內(nèi)摩擦角為φ=arctan0.752 8=36.97°。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的內(nèi)摩擦角參數(shù)用于計(jì)算鎖扣鋼管樁嵌固深度值。經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)后,得到了考慮不同最大粒徑、含水量、含泥量、密實(shí)度條件下砂卵石內(nèi)摩擦角正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)。該數(shù)據(jù)提供了圍堰嵌固深度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。

表2 砂卵石抗剪性能正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.5 圍堰內(nèi)支撐設(shè)置

圍堰考慮設(shè)置兩層內(nèi)支撐:頂層內(nèi)支撐中心線標(biāo)高294 m;底層內(nèi)支撐中心線標(biāo)高290.8 m(承臺(tái)頂標(biāo)高290.3)。內(nèi)支撐采用Φ630 mm×8 mm鋼管,縱橋向貫通后再橫橋向連接,并通過(guò)3拼I45b圍檁與鎖扣鋼管樁連接在一起,形成共同受力體系。

3.3 圍堰復(fù)核驗(yàn)算

準(zhǔn)確分析圍堰受力因素及變形特性是確保圍堰設(shè)計(jì)合理及工后穩(wěn)定的前提[7]。而鎖扣鋼管樁圍堰工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜,結(jié)構(gòu)處于不斷變化的荷載工況條件(表3),經(jīng)圍堰數(shù)值仿真驗(yàn)算,獲取結(jié)構(gòu)在任意結(jié)構(gòu)體系下最不利工況[8]中的強(qiáng)度和剛度,根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,最大限度利用材料性能,優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局,改善內(nèi)力狀態(tài)。

表3 施工工況分析一覽

3.3.1 圍堰強(qiáng)度計(jì)算

采用ANAYS2012軟件建立空間有限元模型對(duì)圍堰進(jìn)行數(shù)值仿真模擬(圖7)。鋼圍堰各構(gòu)件所采用單元類型根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性確定,按照施工實(shí)際情況對(duì)圍堰荷載及邊界條件模擬結(jié)合Vonmise強(qiáng)度理論法進(jìn)行計(jì)算分析。強(qiáng)度驗(yàn)算所選擇的工況如下:圍堰開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后;封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度圍堰內(nèi)水抽干后;底層內(nèi)支撐拆除且承臺(tái)四周回填完砂卵石后。

圖7 圍堰最不利工況下有限元模型

3.3.2 最不利工況下圍堰強(qiáng)度驗(yàn)算

對(duì)最不利工況條件下鎖扣鋼管樁、圍檁、橫撐組成的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。鋼圍堰吃水深度取11.7 m,其中水壓力部分為5.6 m,水土合壓力部分為6.1 m。計(jì)算嵌固深度取4 m。邊界約束條件為鎖扣鋼管樁嵌固部分鉸接。

位移和應(yīng)力計(jì)算云圖(圖8)顯示最大位移不超過(guò)8.59 mm,最大等效應(yīng)力不超過(guò)106 MPa,發(fā)生于底層圍檁腳部處。所有計(jì)算結(jié)果均滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[9]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]的相關(guān)要求,表明最不利工況滿足強(qiáng)度驗(yàn)算要求。

圖8 位移和應(yīng)力分布云圖

最終,18#墩承臺(tái)所設(shè)計(jì)的鎖扣鋼管樁圍堰共由142根鎖扣鋼管樁組成,總高度為14.2 m,平面總面積1 007 m2(圖9)。為應(yīng)對(duì)圍堰迎水面河床沖刷所帶來(lái)的安全問(wèn)題,在迎水面還設(shè)置了U形布置的加固樁,鎖扣樁加固方式通過(guò)其內(nèi)部植入混凝土樁的方式實(shí)現(xiàn)。

4 圍堰施工

4.1 鎖扣鋼管樁插打

如何在密實(shí)砂卵石河床地質(zhì)條件下,將鎖扣鋼管樁成功插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高,是決定鎖扣鋼管樁圍堰施工成敗的關(guān)鍵。結(jié)合實(shí)際情況,采用河床置換砂樁插打法。成孔后填入較為松軟的砂卵石形成砂樁,再采用振動(dòng)錘將鎖扣樁直接插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4.2 首樁定位裝置制作安裝

在插打鋼管樁時(shí),首根鋼管樁是插打的關(guān)鍵,必須插正、打正,以免影響后面的鎖扣鋼管樁[11]。為確保首樁的平面位置精度和垂直度,設(shè)置如圖10所示的首樁定位架。首樁定位裝置平面同鎖扣樁斷面構(gòu)造一致,從而為鎖扣樁的精確插打提供障。首樁導(dǎo)向裝置設(shè)置為上下兩層,防止插打過(guò)程出現(xiàn)偏位和傾斜。

圖10 首樁插打定位結(jié)構(gòu)

4.3 鎖扣止水材料施工

由于工字鋼與C型鎖扣鋼管壁之間存在縫隙,只有在C型鎖扣內(nèi)填充止水材料才能有效實(shí)現(xiàn)鎖扣有效止水。同時(shí)為防止細(xì)小砂卵石C型鎖扣內(nèi),必須在鎖扣內(nèi)添加填充物。首先在C型鎖扣小鋼管底口用傾斜鋼板封閉,鎖扣鋼管樁插打前便在C型鎖扣鋼管內(nèi)灌滿長(zhǎng)條形塑料袋裝止水材料,填充過(guò)程應(yīng)輕敲小鋼管以確保密實(shí)。

4.4 圍堰合龍

首樁兩端均為開口小鋼管,靠近末樁側(cè)的小鋼管直徑適當(dāng)增大,預(yù)留出更大的富余量以便順利合龍。末樁合龍工字鋼尺寸根據(jù)合龍口的實(shí)際情況確定,并根據(jù)中心線的偏差情況調(diào)整鋼管的轉(zhuǎn)角,以便于合龍工字鋼的順利插打。為確保施工進(jìn)度,設(shè)置多根首樁和多個(gè)合龍口。順利完成末樁施工后,便可實(shí)現(xiàn)圍堰的最終合龍(圖11)。

圖11 圍堰合龍后實(shí)景

5 結(jié)語(yǔ)

嘉陵江三橋18#主墩鎖扣鋼圍堰實(shí)施過(guò)程中,通過(guò)前期調(diào)研和分析,選擇了更適合本工程的“T-C”型鎖口鋼管樁圍堰;設(shè)計(jì)時(shí)多方研討和分析,并針對(duì)工程的特殊性,進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證分析和不同工況計(jì)算,給圍堰施工提供了可靠的技術(shù)保障;施工時(shí),開展技術(shù)攻關(guān),優(yōu)化插打工藝,使得圍堰施工工效提高,施工難度降低。實(shí)施中通過(guò)圍堰監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值對(duì)比分析,結(jié)果表明圍堰強(qiáng)度和剛度滿足施工要求,整體穩(wěn)定性良好,圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,施工控制得當(dāng)。通過(guò)整套的技術(shù)分析和施工措施保障,使得鎖口鋼圍堰從鋼管樁插打、圍檁內(nèi)支撐安裝和河床砂卵石開挖,50 d全部完成,相比雙壁鋼圍堰縮短工期75 d,為承臺(tái)在汛期到來(lái)之前出水創(chuàng)造了有利條件,也為類似工程實(shí)施提供了一套完整的設(shè)計(jì)和施工方法。