跨河特大橋承臺深基坑鋼板樁圍堰施工技術分析

孔 超

(中鐵十八局集團 第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

在大型跨河橋梁工程中,大型承臺基坑多為8～10 m,甚至更深,且跨河橋梁所在地區往往地下水系豐富。又因橋梁大型承臺的深基坑帶來的地層差,若只采用常規的開挖方法,很難確保深基坑無水施工環境。這勢必會影響坑壁的穩定性,影響施工質量及施工安全[1]。例如加拿大跨圣勞倫斯河的魁北克大橋,該橋是典型的大型跨河橋梁,其河道又寬、河水又深。該橋建造用時7年,采用常規的深基坑開挖施工技術,未采取有效的防滲水措施,導致臨近竣工時承臺失穩轟然倒塌,將近19 000 t的橋梁建材從天而降,造成75名施工人員死亡?？梢妼τ谶@種大型跨河橋梁工程的承臺基坑施工必須采取有效的防滲水措施,以提高其穩定性,保障施工質量及安全?；诖?案例工程在承臺深基坑施工中引入了鋼板樁圍堰施工技術,旨在通過嚴密的圍護結構,最大程度避免出現深基坑滲水問題。

1 工程概況

磴口黃河特大橋是BYZQ-07標包頭到銀川高鐵包頭到惠農段的一座新建鐵路橋梁,該工程涉及深基坑承臺38個,其中有33個使用鋼板樁圍堰施工技術。以磴口黃河特大橋55#T型主墩承臺為例,該承臺頂標高1 051 m,承臺底標高1 044.5 m,基底標高為1 055 m,基坑挖深10.727 m,為典型的深基坑工程。該橋位于黃河沖積平原,地形平坦開闊,地下水豐富,地下水類型為第四系孔隙潛水,水位埋深0.3～23.0 m,水位高程1 049.84～1 064.59 m。地下水主要為大氣降水、地表水、地下徑流及人工補給。在此種地質環境下,深基坑施工過程中必須做好防水工作,因此工程決定采用鋼板樁圍堰施工技術。此技術可運用在深水中,將鋼板打入水中搭接成一個堅固的支撐體系,由堅固的鋼板所組成的圍護結構在長時間的水流沖擊下不會變形,也不會受到環境的影響。鋼結構圍堰難以變形、不會垮塌,拆除也比較方便,形成了堅固且嚴密的防護結構,可保證基坑穩定性。

2 鋼板樁圍堰設計及穩定性驗算

2.1 鋼板樁圍堰設計

圖1 鋼圍檁布置(單位:cm)

2.2 圍檁壓桿穩定性計算

2.2.1 最不利圍檁軸力圖

當基坑封底混凝土澆筑并抽干基坑水時,根據圍檁圈梁、斜撐特性及布置結構,考慮土的側壓力在1.2倍極限承載力情況下所出現的最不利圍檁軸力計算模型如圖2所示。

圖2 最不利圍檁軸力計算模型(單位:kN)

鋼管立柱材質為Q235鋼,根據《建筑施工計算手冊》,查得其彈性模量E=206 000 000 kN/m2;慣性矩I=0.001 311 173 005 m4;截面面積A=0.029 807 m2。

2.2.3 計算參數取值

根據《建筑施工計算手冊》,查得鋼管最大軸向壓力為1 180.42 kN,最大高度h=19.84 m,計算長度L為19.84 m。

截面的回轉半徑i為

(1)

截面的長細比:λ=L/i=19.84/0.21=94.6≤150,這一結果滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》規定的長細比在150以內的要求。

由λ=94.6,參照GB 50017—2017《鋼結構設計標準》附表D.0.2 b類截面軸心受壓構件的穩定系數:φ=0.59。

2.2.4 鋼管穩定性計算

強度σ計算式為

(2)

式(2)中:N為所計算截面處軸心壓力設計值(同鋼管最大軸向壓力,即1 180.42 kN);f為鋼材的抗壓強度設計值,MPa;A為構件截面面積,m2。

將數據代入式(2)可得:1 180.42/(0.029 807×1 000)=39.6 MPa≤215 MPa,這一結果滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》規定的鋼管穩定性在215 MPa以內的要求。

整體穩定性計算式為

(3)

式(3)中:N為所計算截面處軸心壓力設計值(同鋼管最大軸向壓力),取值1 180.42 kN;φ為軸心受壓構件的整體穩定系數,按構件最大長細比取值。代入式(3)可得:1 180.42/(0.59×0.029 807×215×1 000 )=0.31≤1.0 ,滿足構件穩定性要求。

3 深基坑鋼板樁圍堰施工

深基坑鋼板樁圍堰施工,大致分為施工準備、鋼板樁圍堰施工和基坑監測三個步驟。

3.1 施工準備

3.1.1 測量放樣

按照設計要求,對承臺土進行定位,采用全站儀測出開挖邊線,設置標樁。在圍堰周圍撒上白灰線,用水準儀確定高程、鋼板樁長度及基坑挖深,并做好記號,以便在施工過程中進行控制。

3.1.2 鋼板樁試樁

為了對鋼板樁的施工質量進行有效控制,在正式施工前,至少要對10根鋼板樁進行試樁試驗,以檢測施工技術的可行性。先對所選擇的工程條件和地質調查結果進行校核,確認工程地質條件與設計圖紙和地質調查結果相符,并對檢驗后的板樁能否完全插入到設計深度進行檢驗,確定是否能夠達到預期效果。

3.2 鋼板樁圍堰施工

3.2.1 鋼板樁運輸及吊裝

將施工中需要的鋼板樁運送到施工地點,吊裝時,使用兩點吊裝的方式進行作業。每次吊起的鋼板樁數量不能太多,并應對鎖口進行小心保護,以免造成損壞。吊裝方法有成捆吊裝和單桿吊裝兩種。成捆吊裝需要采用鋼絲繩捆綁,而單桿吊裝則需采用專用吊具。

3.2.2 鋼板樁捶打

1) 案例工程應用CX450B-6油壓式打拔樁機對鋼板樁進行捶打。液壓打樁機參數設置參數如表1所示。

綜上所述，圍繞朱熹的題刻，后人的題詠形成了與朱熹之間的對話，并且與朱熹的題刻共同構成了層累的文化景觀。朱熹的題刻及其拓本、題詠共同參與了朱熹形象的塑造和傳播，同時又開拓、豐富了石刻文獻的文化蘊涵。

表1 液壓打樁機參數設置

2) 在進行鋼板樁圍堰施工建設前,必須先對所使用的樁機設備進行一次徹底的檢測,以保證所需要的樁機設備能夠正常工作。為了保證鋼板樁施打位置的精確性,還需要在施工現場布設觀測點。

3) 在進行鋼板樁施工時,為了確保沉樁軸線的定位與樁身的垂直,以及控制樁身的入土準確度,避免在打樁過程中鋼板樁發生屈曲變形和提高樁的灌入能力,需設置打樁的導向架。用于鋼板樁的導向架是一種單層雙面結構,一般包括導向梁與導向樁。導向的間隔為2.5～3.5 m,兩側導向梁的間隔不應太大,板樁墻的厚度為8～15 mm。在設置導向框時,應重視對導向梁的定位,并利用水平儀對導向梁位置進行控制與調節。在打入鋼板樁的同時,需要密切監測,導向梁不能發生沉降或變形,且應盡可能地豎直放置,還要使其不與鋼板樁發生沖撞。

4) 為方便基礎施工,應將鋼板樁安放在基礎外側,并預留出支模和拆模的工作空間。

5) 針對工程實際情況,采取單獨打樁法,也就是從一角開始打樁,逐片打入,不間斷。該方法具有縮短作業路徑、方便施工、快速成樁等優點,具體角樁布置結構如圖3所示。需要確保鋼板樁支護能夠形成有效的圍堰閉合[2],如果在打樁過程中有不能合攏的情況,應將不能合攏的部位在左右兩個方向分別抽出10片位置,并對其進行調整。在打樁的過程中,測量人員要對鋼板樁的豎直度及正位率進行嚴格的測量,直到鋼板樁圍堰合攏。

圖3 角樁布置

6) 在施工過程中,要經常查看樁的定位和豎直情況,如有不符,要及時糾正或拔出,再進行施工。樁和樁必須有效咬合,從而形成嚴密的圍堰結構,鋼板樁咬合情況如圖4所示。

圖4 鋼板樁咬合

3.2.3 基坑開挖

由于該工程基坑挖深達10 m,故選用了長臂式挖掘機,并采用渣土車運輸。在機械挖方進行中,鏟運機和渣土車的位置應與鋼板樁圍堰相隔1 m以上的安全距離。

根據“垂直分層、水平分段、先撐后挖、對稱開挖”的思路進行基坑開挖。在基坑的施工過程中,為了減少沉降,確保安全,務必采取先支撐后開挖的方法。為了加快工程建設的進度,首層土方可使用挖掘機直接進行開挖,將底層的土方充分挖出[3]。在安裝鋼支撐后,因挖深逐步加大,后續開挖采用長臂挖掘機,一直挖到基坑底部。在基坑的挖掘中,土體隨著挖掘裝車運輸。在基坑開挖期間,將一些質量較好的土塊暫存在臨時堆放處,以備以后的回填之用。

3.2.4 鋼板樁圍堰內支撐安裝

鋼板樁圍堰內側設置2層鋼圍檁,鋼圍檁及四角的支撐使用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm的單拼式 H型鋼,并將其和板樁連接。在長邊圍檁中部的圍架上,設3根支撐,在基坑拐角的圍檁上,設8根斜支撐,斜支撐和板墻的夾角為45°。第2層圍檁設2個支撐,在基坑拐角部的圍檁部設4個斜支撐,斜支撐與板墻的夾角為45°。

當土體挖到圍檁下方100 cm處,即可進行支撐結構的安裝。通常情況下,單節鋼圍檁長度大約為6 m,相鄰圍檁應使用搭接鋼板鑄焊的形式進行可靠連接,將其連為一個整體,焊接采取滿焊的方法[5]。在H型鋼制成的鋼支撐到位后,需用鋼楔塊固定好,用掛角將鋼支撐和鋼圍檁扣緊,并焊接在一起。在角斜撐施工時,在鋼圍檁上根據實際焊接斜撐牛角端頭,進行斜撐安裝。安裝順橋向對撐時根據基坑平面對稱安裝,安裝轉角斜撐時,由一端向另一端安裝,就位后應將鋼支撐端頭鋼板與鋼圍檁牢固焊接,這樣才能保證整個基坑的支撐體系為一個完整的平面桁架結構。

3.2.5 混凝土封底

在進行封底混凝土的施工之前,首先要對封底的厚度進行計算,根據施工過程中最不利的狀態進行分析,也就是在對圍堰封底之后,由于圍堰中的水已經被抽走,封底混凝土可能會出現向上最大水壓力,一般都是以這個載荷(即地下水頭高度扣除封底混凝土的重力)為計算值[6],封閉后的混凝土厚度計算式為

(4)

式(4)中:h為底層混凝土的厚度,mm;K為安全系數,對于受壓和受彎構件,以抗拉強度為基準,取2.5;M為鋼板最大彎曲力矩,N·mm;b為鋼板寬度,mm;fa為鋼筋混凝土的抗拉強度,N·mm2;D為因水下環境導致圍堰泥土增加的厚度,本工程采用鋼板樁達到了理性的防水,D取0 mm。

根據式(4),將本工程的相關參數代入,得出本工程封底混凝土厚度為1 m,對鋼板樁圍堰55#墩采取干封作業法進行封底,封底混凝土厚度為1 m,其他墩的混凝土封底參數也要根據相關計算來確定。

3.2.6 承臺施工時圍檁支撐體系置換

本工程承臺高6.5 m,設置在底層圍檁之中,采用分層的方式進行承臺施工,底層高度4 m,在底層圍檁之下進行承臺下層結構的施工。

在承臺下層施工完成后,澆筑混凝土。在混凝土強度達到要求以后,拆掉模板,在其周圍(與鋼板樁間的間隙)進行回填,然后從下層承臺頂部水平往下向四面澆筑50 cm厚的混凝土密封[7],密封的混凝土和承臺的混凝土標號相同且標高相同,如圖5所示。

圖5 圍檁支撐置換(單位:cm)

在厚50 cm換撐混凝土達到強度后,拆除底下層圍檁內圈及支撐,采用25 t吊車及人工進行圍檁拆除,為上層承臺混凝土施工騰出空間。在上部承臺澆筑完畢后,混凝土達到設計強度,拆除承臺模板后將其周圍與鋼板樁間的間隙用砂石回填,然后從承臺頂部向下開始澆筑30 cm厚混凝土進行封層,以圈梁作為鋼板樁支撐梁,拆除頂層圍檁內圈及支撐。

3.2.7 鋼板樁圍堰拆除

在承臺施工完成并驗收合格后,對基坑進行回填并進行分層夯實,之后就可以拆除鋼板樁圍堰,盡量減少拔樁時所攜帶的土層,并在有需要的情況下,采用灌水和灌砂等方法進行充填,將已拔起的鋼板樁清刷干凈,進行修補整理,并刷上防銹油脂,以便后續使用[8]。在進行搬運堆放的時候,鋼板樁絕對不能發生碰撞,也不能出現扭曲變形,堆放場地應堅固平坦,堆放的時候應該按照板樁類型、長度分別編號、登記,并堆放整齊。

3.3 基坑監測

圖6 基坑監測點布置(單位:cm)

除使用定期巡視觀測進行監控之外,本工程還充分利用全站儀,在深基坑施工中通過這些測點,密切觀測基坑的滲水情況及穩定性。如有異常,及時通知施工人員,并根據監測的實際情況進行調整。

4 施工結果

本大型跨河鐵路橋梁55#墩承臺深基坑采用鋼板樁圍堰施工技術進行施工,工程在規定工期內完工,并經驗收確定相關工序質量均達到了合格標準,且施工期間未出現安全事故。為達到穩定的圍護效果,鋼板樁的水平位移累計值范圍應控制在20～30 mm,水平累計變化速度的合理范圍為2～4 mm/d;垂直位移累計值范圍為15～20 mm,垂直累計變化速度的合理范圍為2～3 mm/d。本工程通過對基坑進行嚴密監測,每項檢測內容均在鋼板樁的頂端和內部支撐、圍護結構頂部等部位監測,并計算平均值,監測結果顯示水平位移累計值為(23.24±2.17) mm,水平累計變化速度為(2.34±0.12) mm/d,垂直位移累計值為(17.24±1.52) mm,垂直累計變化速度為(2.46±0.23) mm/d,上述各檢測結果數值均控制在標準范圍內,證明基坑穩定,承臺質量也達到了施工預期。

5 結 語

磴口黃河特大橋55#墩承臺深基坑采用鋼板樁圍堰施工技術進行施工,通過做好鋼板樁的試樁、捶打,鋼圍堰施工及監測后,能夠達到了理想的防水效果,為水下施工創建嚴密穩定的無水圍護結構,有效保障施工質量和施工安全,可供同類大型跨河鐵路橋梁工程參考借鑒,值得推廣。