钢板桩围堰在深水基础施工中的探讨

万延阳

(上海申元岩土工程有限公司,上海 200011)

随着国家对基础设施的大力投入,公路和铁路建设得到高速发展,而我国江河湖泊众多,水系发达,跨越大江大河越来越多的采用桥梁工程。桥梁工程的基础往往设置在深水中,而在深水中修建基础具有施工难度大、安全风险高、施工周期长等特点。因此,合理的深水基础施工技术在桥梁建设中起着至关重要的作用。根据现有的技术水平,深水基础施工一般采用防水的围堰形式。

1 围堰的分类

围堰根据材料和布置形式的不同,可分为土石围堰、钢板桩围堰、钢套箱围堰、双壁围堰：①土石围堰：成本低,但适用水深一般不超过4m,施工范围大,影响防洪排涝；②钢套箱围堰、双壁围堰：适用水深较深,河床覆盖层较薄(下卧密实的大漂石或岩层)的深水基础,但造价高、施工难度大、工期长；③钢板桩围堰：适用水深相对较深；结合内支撑,安全度高；可回收重复利用、造价经济；施工便利,工期短。

钢板桩围堰较其他围堰优势显著,使用的地域范围也越来越广。部分地区基于传统的施工经验,该类围堰适用的深度范围仍控制在10m左右,影响了钢板桩围堰的进一步发展。下文通过对已有项目的理论分析,结合现场实施效果,阐述钢板桩围堰在更深的深水基础施工中的可行性。

2 钢板桩围堰案例一

2.1 项目概况

西南某跨湖特大型桥梁下设三座主桥墩,均位于深水区,桥墩承台平面尺寸30.6m×13.6m,承台面标高+20.0m,承台厚4.5m,封底混凝土厚2.5m,封底混凝土底标高+13.0m。

2.2 地质概况

水面按施工高水位+30.0m考虑,水深10m,下覆土层如下：

土层厚度(m)重度(kN/m3)粘聚力(Kpa)内摩擦角(度)粘土318.415.317.7粘土420.251.620.1细砂5203.028.0圆砾1020.5030.0

2.3 钢板桩围堰概况

采用小止口拉森NSP-IVw钢板桩,桩顶标高+30.5m,桩长24m,材质为SY295。围堰内部设置四道钢支撑,为增加围堰的安全可靠性,一～四道钢支撑、钢围檩的材料与尺寸均一致,即钢围檩为2H700×300×13×24型钢双拼,钢支撑为,609×16钢管,钢支撑材质均为Q235b。

2.4 施工方式

采用安全度较高的湿挖,即先施工钢板桩、第一道钢支撑,然后再进行水下吸泥及水下浇筑封底混凝土,待封底混凝土达到一定设计强度后,逐层抽水并架设钢支撑。

2.5 理论计算

(1)利用MIDAS/Civil空间有限元计算软件对钢板桩围堰在不同施工工况下进行受力分析。

①有限元模型。钢板桩按照每延米的惯性矩等效为矩形截面的钢板,用4点板单元模拟；围檩、水平钢管对撑、斜撑按照梁单元模拟,围堰内的封底混凝土则采用实体单元模拟。

图3.1 钢板桩围堰有限元模型

②钢板桩强度验算。在各工况计算过程中,钢板桩最大弯矩标准值为317KN.m,即对应最大应力设计值为σmax=161Mpa<钢板桩的容许应力[σ]=236Mpa。

图3.2 钢板桩最大弯矩云图

③钢板桩刚度验算。在各工况计算过程中,钢板桩最大变形dmax=25.2mm<钢板桩的容许变形[d]=24m/400=60mm。

图3.3 钢板桩最大变形云图

④钢围檩、钢支撑验算。根据计算,钢围檩最大应力标准值为34.5Mpa,即最大应力设计值为σmax=47.5Mpa<钢围檩的容许应力[σ]=170Mpa；钢支撑最大应力标准值为106Mpa,即最大应力设计值为σmax=146Mpa<钢支撑的容许应力[σ]=170Mpa。

图3.4 钢围檩应力云图

图3.5 钢支撑应力云图

(2)利用理正深基坑计算软件分析按最不利的干法施工工况下钢板桩围堰的受力。计算时不考虑下部已封底混凝土的支撑作用,直接分层抽水,逐道施工钢支撑,直至施工至封底混凝土底标高,其中封底混凝土按第五道支撑进行考虑,具体计算结果详见图3.6。

图3.6 钢板桩内力位移包络图

①钢板桩强度验算。钢板桩最大弯矩标准值为275.3KN.m,即对应最大应力设计值为σmax=101.9Mpa<钢板桩的容许应力[σ]=236Mpa。

②钢板桩刚度验算。钢板桩最大变形d=27.22mm<钢板桩的容许变形[d]=24m/400=60mm。

③钢围檩、钢支撑验算。根据钢支撑平面计算,钢围檩最大应力设计值为σmax=56.3Mpa<钢围檩的容许应力[σ]=170Mpa；钢支撑最大应力设计值为σmax=150Mpa<钢支撑的容许应力[σ]=170Mpa。

通过以上两种计算方法的理论分析,钢板桩围堰在施工过程中均能满足受力要求,方案可行。

2.6 现场实施的效果

三座主桥墩施工顺利,未出现异常情况。在施工过程中,钢板桩、钢支撑、钢围檩等应力均在可控范围,且实测值普遍小于设计值。

本项目原围堰方案采用双壁围堰,考虑到工期紧张、施工难度大,经与设计单位沟通后,调整为钢板桩围堰。在最终成本结算时,钢板桩围堰为建设单位节省成本约45%,工期提前2个月。

3 钢板桩围堰案例二

3.1 项目概况

西北某跨河大桥设四座主桥墩,均位于深水区,桥墩承台平面尺寸36m×25m,承台面标高+308m,承台厚5m,封底混凝土厚3m,封底混凝土底标高+300m。

3.2 地质概况

水面按施工高水位+319考虑,水深12m,下覆土层分别为2m厚砂土及15m厚卵石。

3.3 钢板桩围堰概况

采用小止口拉森NSP-IVw钢板桩,桩顶标高+320.5m,桩长24m,材质为SY295。围堰内部设置四道钢支撑,一～四道钢支撑材料与尺寸均一致,即,609×16钢管,钢支撑材质均为Q235b。一、二道钢围檩为2H700×300×13×24型钢双拼,三、四道钢围檩为3H700×300×13×24型钢三拼。

考虑到基础埋设过深,同时水深超过10m,钢板桩刚度有限,故采用组合型钢板桩,即在围堰外侧每根钢板桩上焊接一根等长度、同材质的H700×300×13×24型钢,由此大大增加钢板桩围堰的刚度。

3.4 施工方式

采用安全度较高的湿挖。

3.5 理论计算

同上文,采用MIDAS/Civil空间有限元计算软件及理正深基坑计算软甲对钢板桩围堰系统进行验算分析,均满足要求,理论可行,具体计算在此不再详细叙述。

3.6 现场实施的效果

在施工过程中,钢板桩、钢支撑、钢围檩等应力均在可控范围内,且实测值同样普遍小于设计值。

由于河床下卧卵石层,钢板桩在初期打设较为困难,工效低、钢板桩下部损坏严重。经对钢板桩打设工艺的改进,即在钢板桩下部设置高压水枪,后续施工较为顺利。同时为临近钢板桩围堰项目提供了重要的施工经验。

钢板桩本身刚度有限,在超过常规深度的深水基础应用中需采取加强措施。本项目自高水面至封底混凝土底近19m,通过钢板桩组合H型钢,有效提高了钢板桩围堰的刚度。

本项目原围堰方案采用钢套箱围堰,也是基于工期、施工及造价等诸多因素,将围堰方案调整为钢板桩围堰。本项目在最终成本结算时,钢板桩围堰为建设单位节省成本约35%,工期提前3个月。

4 结束语

钢板桩围堰施工简单、可回收、绿色环保、造价经济,在越来越多的项目中被采用。本文通过案例分析钢板桩围堰不仅适用于一般深度的深水基础,在更深的深水基础中也可采用。钢板桩围堰随着钢板桩的发展,适用的范围会更加广泛。

(1)中国地域广阔,各地区地层差异较大,钢板桩围堰使用的前提首先要满足地质条件。随着钢板桩工艺的提高,受于地层的约束也将越来越少。

(2)随着国家科技水平的提高,钢铁制造工艺能力的提升,相应在不远的将来,高强度的钢板桩也会越来越多的被应用到实际工程中。

(3)目前市面上,各种组合型钢板桩的出现,在保证钢板桩本身优势的前提下,将钢板桩的刚度大幅提升,使用范围扩大。

(4)目前钢板桩围堰的理论计算尚有待进一步完善,尤其是关于风荷载、波浪荷载及流水荷载的考虑。设计时需综合分析MIDAS/Civil空间有限元计算软件与理正深基坑计算软件的计算结果,保证足够的安全系数。

(5)施工队伍的技术水平对钢板桩围堰的施工质量至关重要,因此在选择专业队伍时,不应仅仅本着价格最低的原则进行选择,应选择信誉好,专业化程度高的队伍。