跨河特大桥承台深基坑钢板桩围堰施工技术分析

孔 超

(中铁十八局集团 第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

在大型跨河桥梁工程中,大型承台基坑多为8～10 m,甚至更深,且跨河桥梁所在地区往往地下水系丰富。又因桥梁大型承台的深基坑带来的地层差,若只采用常规的开挖方法,很难确保深基坑无水施工环境。这势必会影响坑壁的稳定性,影响施工质量及施工安全[1]。例如加拿大跨圣劳伦斯河的魁北克大桥,该桥是典型的大型跨河桥梁,其河道又宽、河水又深。该桥建造用时7年,采用常规的深基坑开挖施工技术,未采取有效的防渗水措施,导致临近竣工时承台失稳轰然倒塌,将近19 000 t的桥梁建材从天而降,造成75名施工人员死亡。可见对于这种大型跨河桥梁工程的承台基坑施工必须采取有效的防渗水措施,以提高其稳定性,保障施工质量及安全。基于此,案例工程在承台深基坑施工中引入了钢板桩围堰施工技术,旨在通过严密的围护结构,最大程度避免出现深基坑渗水问题。

1 工程概况

磴口黄河特大桥是BYZQ-07标包头到银川高铁包头到惠农段的一座新建铁路桥梁,该工程涉及深基坑承台38个,其中有33个使用钢板桩围堰施工技术。以磴口黄河特大桥55#T型主墩承台为例,该承台顶标高1 051 m,承台底标高1 044.5 m,基底标高为1 055 m,基坑挖深10.727 m,为典型的深基坑工程。该桥位于黄河冲积平原,地形平坦开阔,地下水丰富,地下水类型为第四系孔隙潜水,水位埋深0.3～23.0 m,水位高程1 049.84～1 064.59 m。地下水主要为大气降水、地表水、地下径流及人工补给。在此种地质环境下,深基坑施工过程中必须做好防水工作,因此工程决定采用钢板桩围堰施工技术。此技术可运用在深水中,将钢板打入水中搭接成一个坚固的支撑体系,由坚固的钢板所组成的围护结构在长时间的水流冲击下不会变形,也不会受到环境的影响。钢结构围堰难以变形、不会垮塌,拆除也比较方便,形成了坚固且严密的防护结构,可保证基坑稳定性。

2 钢板桩围堰设计及稳定性验算

2.1 钢板桩围堰设计

图1 钢围檩布置(单位:cm)

2.2 围檩压杆稳定性计算

2.2.1 最不利围檩轴力图

当基坑封底混凝土浇筑并抽干基坑水时,根据围檩圈梁、斜撑特性及布置结构,考虑土的侧压力在1.2倍极限承载力情况下所出现的最不利围檩轴力计算模型如图2所示。

图2 最不利围檩轴力计算模型(单位:kN)

钢管立柱材质为Q235钢,根据《建筑施工计算手册》,查得其弹性模量E=206 000 000 kN/m2;惯性矩I=0.001 311 173 005 m4;截面面积A=0.029 807 m2。

2.2.3 计算参数取值

根据《建筑施工计算手册》,查得钢管最大轴向压力为1 180.42 kN,最大高度h=19.84 m,计算长度L为19.84 m。

截面的回转半径i为

(1)

截面的长细比:λ=L/i=19.84/0.21=94.6≤150,这一结果满足JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》规定的长细比在150以内的要求。

由λ=94.6,参照GB 50017—2017《钢结构设计标准》附表D.0.2 b类截面轴心受压构件的稳定系数:φ=0.59。

2.2.4 钢管稳定性计算

强度σ计算式为

(2)

式(2)中:N为所计算截面处轴心压力设计值(同钢管最大轴向压力,即1 180.42 kN);f为钢材的抗压强度设计值,MPa;A为构件截面面积,m2。

将数据代入式(2)可得:1 180.42/(0.029 807×1 000)=39.6 MPa≤215 MPa,这一结果满足JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》规定的钢管稳定性在215 MPa以内的要求。

整体稳定性计算式为

(3)

式(3)中:N为所计算截面处轴心压力设计值(同钢管最大轴向压力),取值1 180.42 kN;φ为轴心受压构件的整体稳定系数,按构件最大长细比取值。代入式(3)可得:1 180.42/(0.59×0.029 807×215×1 000 )=0.31≤1.0 ,满足构件稳定性要求。

3 深基坑钢板桩围堰施工

深基坑钢板桩围堰施工,大致分为施工准备、钢板桩围堰施工和基坑监测三个步骤。

3.1 施工准备

3.1.1 测量放样

按照设计要求,对承台土进行定位,采用全站仪测出开挖边线,设置标桩。在围堰周围撒上白灰线,用水准仪确定高程、钢板桩长度及基坑挖深,并做好记号,以便在施工过程中进行控制。

3.1.2 钢板桩试桩

为了对钢板桩的施工质量进行有效控制,在正式施工前,至少要对10根钢板桩进行试桩试验,以检测施工技术的可行性。先对所选择的工程条件和地质调查结果进行校核,确认工程地质条件与设计图纸和地质调查结果相符,并对检验后的板桩能否完全插入到设计深度进行检验,确定是否能够达到预期效果。

3.2 钢板桩围堰施工

3.2.1 钢板桩运输及吊装

将施工中需要的钢板桩运送到施工地点,吊装时,使用两点吊装的方式进行作业。每次吊起的钢板桩数量不能太多,并应对锁口进行小心保护,以免造成损坏。吊装方法有成捆吊装和单杆吊装两种。成捆吊装需要采用钢丝绳捆绑,而单杆吊装则需采用专用吊具。

3.2.2 钢板桩捶打

1) 案例工程应用CX450B-6油压式打拔桩机对钢板桩进行捶打。液压打桩机参数设置参数如表1所示。

综上所述，围绕朱熹的题刻，后人的题咏形成了与朱熹之间的对话，并且与朱熹的题刻共同构成了层累的文化景观。朱熹的题刻及其拓本、题咏共同参与了朱熹形象的塑造和传播，同时又开拓、丰富了石刻文献的文化蕴涵。

表1 液压打桩机参数设置

2) 在进行钢板桩围堰施工建设前,必须先对所使用的桩机设备进行一次彻底的检测,以保证所需要的桩机设备能够正常工作。为了保证钢板桩施打位置的精确性,还需要在施工现场布设观测点。

3) 在进行钢板桩施工时,为了确保沉桩轴线的定位与桩身的垂直,以及控制桩身的入土准确度,避免在打桩过程中钢板桩发生屈曲变形和提高桩的灌入能力,需设置打桩的导向架。用于钢板桩的导向架是一种单层双面结构,一般包括导向梁与导向桩。导向的间隔为2.5～3.5 m,两侧导向梁的间隔不应太大,板桩墙的厚度为8～15 mm。在设置导向框时,应重视对导向梁的定位,并利用水平仪对导向梁位置进行控制与调节。在打入钢板桩的同时,需要密切监测,导向梁不能发生沉降或变形,且应尽可能地竖直放置,还要使其不与钢板桩发生冲撞。

4) 为方便基础施工,应将钢板桩安放在基础外侧,并预留出支模和拆模的工作空间。

5) 针对工程实际情况,采取单独打桩法,也就是从一角开始打桩,逐片打入,不间断。该方法具有缩短作业路径、方便施工、快速成桩等优点,具体角桩布置结构如图3所示。需要确保钢板桩支护能够形成有效的围堰闭合[2],如果在打桩过程中有不能合拢的情况,应将不能合拢的部位在左右两个方向分别抽出10片位置,并对其进行调整。在打桩的过程中,测量人员要对钢板桩的竖直度及正位率进行严格的测量,直到钢板桩围堰合拢。

图3 角桩布置

6) 在施工过程中,要经常查看桩的定位和竖直情况,如有不符,要及时纠正或拔出,再进行施工。桩和桩必须有效咬合,从而形成严密的围堰结构,钢板桩咬合情况如图4所示。

图4 钢板桩咬合

3.2.3 基坑开挖

由于该工程基坑挖深达10 m,故选用了长臂式挖掘机,并采用渣土车运输。在机械挖方进行中,铲运机和渣土车的位置应与钢板桩围堰相隔1 m以上的安全距离。

根据“垂直分层、水平分段、先撑后挖、对称开挖”的思路进行基坑开挖。在基坑的施工过程中,为了减少沉降,确保安全,务必采取先支撑后开挖的方法。为了加快工程建设的进度,首层土方可使用挖掘机直接进行开挖,将底层的土方充分挖出[3]。在安装钢支撑后,因挖深逐步加大,后续开挖采用长臂挖掘机,一直挖到基坑底部。在基坑的挖掘中,土体随着挖掘装车运输。在基坑开挖期间,将一些质量较好的土块暂存在临时堆放处,以备以后的回填之用。

3.2.4 钢板桩围堰内支撑安装

钢板桩围堰内侧设置2层钢围檩,钢围檩及四角的支撑使用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm的单拼式 H型钢,并将其和板桩连接。在长边围檩中部的围架上,设3根支撑,在基坑拐角的围檩上,设8根斜支撑,斜支撑和板墙的夹角为45°。第2层围檩设2个支撑,在基坑拐角部的围檩部设4个斜支撑,斜支撑与板墙的夹角为45°。

当土体挖到围檩下方100 cm处,即可进行支撑结构的安装。通常情况下,单节钢围檩长度大约为6 m,相邻围檩应使用搭接钢板铸焊的形式进行可靠连接,将其连为一个整体,焊接采取满焊的方法[5]。在H型钢制成的钢支撑到位后,需用钢楔块固定好,用挂角将钢支撑和钢围檩扣紧,并焊接在一起。在角斜撑施工时,在钢围檩上根据实际焊接斜撑牛角端头,进行斜撑安装。安装顺桥向对撑时根据基坑平面对称安装,安装转角斜撑时,由一端向另一端安装,就位后应将钢支撑端头钢板与钢围檩牢固焊接,这样才能保证整个基坑的支撑体系为一个完整的平面桁架结构。

3.2.5 混凝土封底

在进行封底混凝土的施工之前,首先要对封底的厚度进行计算,根据施工过程中最不利的状态进行分析,也就是在对围堰封底之后,由于围堰中的水已经被抽走,封底混凝土可能会出现向上最大水压力,一般都是以这个载荷(即地下水头高度扣除封底混凝土的重力)为计算值[6],封闭后的混凝土厚度计算式为

(4)

式(4)中:h为底层混凝土的厚度,mm;K为安全系数,对于受压和受弯构件,以抗拉强度为基准,取2.5;M为钢板最大弯曲力矩,N·mm;b为钢板宽度,mm;fa为钢筋混凝土的抗拉强度,N·mm2;D为因水下环境导致围堰泥土增加的厚度,本工程采用钢板桩达到了理性的防水,D取0 mm。

根据式(4),将本工程的相关参数代入,得出本工程封底混凝土厚度为1 m,对钢板桩围堰55#墩采取干封作业法进行封底,封底混凝土厚度为1 m,其他墩的混凝土封底参数也要根据相关计算来确定。

3.2.6 承台施工时围檩支撑体系置换

本工程承台高6.5 m,设置在底层围檩之中,采用分层的方式进行承台施工,底层高度4 m,在底层围檩之下进行承台下层结构的施工。

在承台下层施工完成后,浇筑混凝土。在混凝土强度达到要求以后,拆掉模板,在其周围(与钢板桩间的间隙)进行回填,然后从下层承台顶部水平往下向四面浇筑50 cm厚的混凝土密封[7],密封的混凝土和承台的混凝土标号相同且标高相同,如图5所示。

图5 围檩支撑置换(单位:cm)

在厚50 cm换撑混凝土达到强度后,拆除底下层围檩内圈及支撑,采用25 t吊车及人工进行围檩拆除,为上层承台混凝土施工腾出空间。在上部承台浇筑完毕后,混凝土达到设计强度,拆除承台模板后将其周围与钢板桩间的间隙用砂石回填,然后从承台顶部向下开始浇筑30 cm厚混凝土进行封层,以圈梁作为钢板桩支撑梁,拆除顶层围檩内圈及支撑。

3.2.7 钢板桩围堰拆除

在承台施工完成并验收合格后,对基坑进行回填并进行分层夯实,之后就可以拆除钢板桩围堰,尽量减少拔桩时所携带的土层,并在有需要的情况下,采用灌水和灌砂等方法进行充填,将已拔起的钢板桩清刷干净,进行修补整理,并刷上防锈油脂,以便后续使用[8]。在进行搬运堆放的时候,钢板桩绝对不能发生碰撞,也不能出现扭曲变形,堆放场地应坚固平坦,堆放的时候应该按照板桩类型、长度分别编号、登记,并堆放整齐。

3.3 基坑监测

图6 基坑监测点布置(单位:cm)

除使用定期巡视观测进行监控之外,本工程还充分利用全站仪,在深基坑施工中通过这些测点,密切观测基坑的渗水情况及稳定性。如有异常,及时通知施工人员,并根据监测的实际情况进行调整。

4 施工结果

本大型跨河铁路桥梁55#墩承台深基坑采用钢板桩围堰施工技术进行施工,工程在规定工期内完工,并经验收确定相关工序质量均达到了合格标准,且施工期间未出现安全事故。为达到稳定的围护效果,钢板桩的水平位移累计值范围应控制在20～30 mm,水平累计变化速度的合理范围为2～4 mm/d;垂直位移累计值范围为15～20 mm,垂直累计变化速度的合理范围为2～3 mm/d。本工程通过对基坑进行严密监测,每项检测内容均在钢板桩的顶端和内部支撑、围护结构顶部等部位监测,并计算平均值,监测结果显示水平位移累计值为(23.24±2.17) mm,水平累计变化速度为(2.34±0.12) mm/d,垂直位移累计值为(17.24±1.52) mm,垂直累计变化速度为(2.46±0.23) mm/d,上述各检测结果数值均控制在标准范围内,证明基坑稳定,承台质量也达到了施工预期。

5 结 语

磴口黄河特大桥55#墩承台深基坑采用钢板桩围堰施工技术进行施工,通过做好钢板桩的试桩、捶打,钢围堰施工及监测后,能够达到了理想的防水效果,为水下施工创建严密稳定的无水围护结构,有效保障施工质量和施工安全,可供同类大型跨河铁路桥梁工程参考借鉴,值得推广。