蘭文斌

(銀川科技學(xué)院 銀川 750001)

隨著中國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，也帶動了橋梁工程施工技術(shù)的變革。而橋梁工程中的鋼板樁圍堰技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，但發(fā)展總會遇到問題，鋼板樁圍堰技術(shù)隨著橋梁工程施工的難度越來越大，遇到的工程難題也越來越多，急需解決的問題也層出不窮，比如：季風(fēng)對鋼板樁圍堰施工的影響問題，水流力的問題等等，只有解決好施工中的問題，才能讓鋼板樁圍堰技術(shù)取得長足的發(fā)展和突破。

1 工程概況

黃河鐵路特大橋全長4910.36m，中心里程樁號為DK69+585.92，該橋在DK69+130.2～DK69+374.2段跨越黃河主河道。鐵路為國家I級雙線，設(shè)計速度為160km/h，跨黃河主河道的主橋結(jié)構(gòu)形式為(98 + 5×168 + 98)m連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)箱梁采用掛籃懸臂澆筑施工，下部結(jié)構(gòu)為圓端型橋墩配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，大體積承臺，主橋所有樁基承臺均位于黃河的主河道和漫灘內(nèi)，其中41#、42#墩為水中墩。水中橋墩起止里程DK69+206.19～DK69+374.19(41#、42#墩)，基礎(chǔ)基坑采用拉森鋼板樁圍堰施工。

2 鋼圍堰具體參數(shù)

(1)鋼板樁采用新日鐵FSP-IV型，材質(zhì)Q295，每米鋼板樁截面特性：W=2270cm3。

(2)第一、二層圈梁采用2工45a型鋼，第三、四層圈梁采用3工45a型鋼。第一層～第四層內(nèi)支撐斜撐均采用Φ630×10鋼管，其余采用2工45a型鋼，其構(gòu)件材質(zhì)均為Q235B。詳見圖1、圖2、圖3。

(3)水位：鋼板樁圍堰最大設(shè)防水位為+985.0m，最大抽水水位+983.97m，圍堰頂面+988.17m。

圖1 鋼板樁圍堰立面布置圖

圖2 第一層圈梁內(nèi)支撐平面布置圖(cm)

圖3 第二、三、四層圈梁內(nèi)支撐平面布置圖(cm)

3 鋼板樁結(jié)構(gòu)驗算

(1)建模思路及邊界條件

在本次設(shè)計中，主要采用的設(shè)計軟件為Midas/civil，利用它的三維仿真技術(shù)對鋼板樁建立模型并進(jìn)行分析和計算，如圖4所示。

在建模的過程中分成兩個單元體進(jìn)行設(shè)計，一個單元體是以鋼板樁組成體系中的圍檁，縱向水平支撐和橫向支撐進(jìn)行設(shè)計的單元體，一個是以工程現(xiàn)場實際需要的圍堰土層和封底混凝土作為實體模型設(shè)計。在計算模擬過程中，將鋼板樁模擬成矩形截面的鋼板，用4節(jié)點板單元模擬，結(jié)合本次工程的實際情況，在橫向支撐和縱向支撐的連結(jié)點上加入加勁板的設(shè)計，用來滿足縱向截面變形量大的問題[1-4]。

圖4 鋼板樁圍堰有限元模型

在施工中關(guān)于荷載的分析，本次模型建立僅僅考慮了靜水壓力和土壓力的相關(guān)荷載影響，對風(fēng)荷載和水流力等活荷載產(chǎn)生的相關(guān)影響并沒有考慮。

在建模計算的過程中，取1m寬鋼板樁，在圈梁位置處，以彈性支座進(jìn)行模擬設(shè)計，其中第一層內(nèi)支撐SDx=17kN/mm，第二層內(nèi)支撐SDx=22kN/mm，第三、四層內(nèi)支撐SDx=34kN/mm，根據(jù)內(nèi)支撐平面模型加載后求得數(shù)據(jù)來參考彈性支撐參數(shù)。

(2)鋼板樁圍堰驗算

①基坑底管涌驗算

不產(chǎn)生管涌的安全條件為：

式中：K——抗基坑底管涌安全系數(shù)；

γw——水容重，γw=10kN/m3；

γb——土的浮容重，γb=9.6kN/m3；

j——最大滲流力(動水壓力)，j=i·γw；

h——水位至坑底的距離，h=10.412m；

t——鋼板樁的入土深度，t=15m。

經(jīng)計算，K=3.69，故不會發(fā)生基坑底管涌。

②封底混凝土厚度計算

鋼板樁施工作業(yè)過程中，混凝土封底作業(yè)對混凝土結(jié)構(gòu)強度保證，抵抗水底壓力有很重要的作用，并且封底作業(yè)完成后，水中施工作業(yè)的工序就不會受到黃河水汛期的影響，可以保證工程正常進(jìn)行，不影響工期的安排，所以對封底混凝土厚度的確定就顯得比較關(guān)鍵，一般情況下要滿足混凝土封底強度所需的厚度應(yīng)大于水的垂直滲透力，安全條件如下式：

Ks·i·ρw·g<ρc·g·x

式中：Ks——安全系數(shù)，取1.05；

ρw、ρc——分別為水與混凝土密度；

其中：ρw=1000kg/m3，ρc=2350kg/m3；

h——水位至坑底的距離，h=10.412m；

t——鋼板樁的入土深度，t=15m。

則：

得：x>11.5cm，取封底混凝土厚度25cm，滿足條件。

已知39#(40#)墩承臺底標(biāo)高為+975.87m，根據(jù)地質(zhì)資料，承臺底面及以下土層均為泥巖或砂巖，假定其不透水，根據(jù)計算當(dāng)開挖至承臺底面以下50cm時，澆筑25cm厚混凝土墊層。

③抗滑移穩(wěn)定性驗算

為保證鋼板樁的抗滑穩(wěn)定性，在土壓力及其他外力作用下，基底摩阻力抵抗鋼板樁滑移的能力，用抗滑系數(shù)Kc表示，即抗滑力與滑動力之比?？够禂?shù)為：

(1)

式中：G——鋼板樁自重；

Ex、Ey——鋼板樁樁背土壓力的水平分力和垂直分力；

f——基底摩阻系數(shù)，取0.45；

[Kc] ——容許抗滑穩(wěn)定性系數(shù)，在此[Kc] = 1.3。

當(dāng)土體處于靜土壓力平衡狀態(tài)時，有

E0=G×0.3 = 0.761×4×23×0.3 = 21.0

當(dāng)滑動面處于靜止土壓力狀態(tài)時，由式(1)式得：

=1.714 ≥ [Kc] = 1.3

所以，由上式可得鋼板樁滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

④鋼板樁抗傾覆穩(wěn)定性驗算

為保證鋼板樁的抗傾覆穩(wěn)定性需驗算墻身繞墻趾向外轉(zhuǎn)動傾覆的能力，用抗傾覆系數(shù)K0表示，對于墻趾的總穩(wěn)定力矩ΣMy與總傾覆力矩ΣM0之比，如下式：

(2)

式中：[K0]——容許抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取1.3。

將已知數(shù)據(jù)帶入式(3)得：

(3)

滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。

4 鋼板樁圍堰施工技術(shù)難點及解決措施

(1)鋼板樁圍堰的施工步驟

鋼板樁圍堰的施工步驟如圖5所示。

1)在第一道圍囹支撐安裝完畢以后，鋼板樁施工過程中的導(dǎo)向基本就位，可以采用旋挖鉆孔技術(shù)進(jìn)行引孔；

2)根據(jù)鋼板樁施工順序的要求，依次開始插打鋼板樁直至合攏；

3)鋼板樁合攏以后，在第一道圍囹支撐底面的-0.5m位置處，利用機械作業(yè)即刻開始安裝第一道內(nèi)支撐，以保證“開槽支撐，先撐后挖的原則”；

4)由于圍堰內(nèi)開挖后會有大量的積水或坑底滲水，需要利用水泵快速排水，必要時需采用降水井的方式或者是井點降水的方式快速排水，以緩解基坑內(nèi)的水壓力。待滲水問題解決以后，根據(jù)施工要求，在開挖至第二道圍囹支撐底面-0.5m位置處，按設(shè)計要求安裝第二道內(nèi)支撐；

5)按照設(shè)計要求繼續(xù)開挖第三道和第四道圍囹支撐，在圍囹支撐底面-0.5m位置處，安裝最后二道內(nèi)支撐；

6)開挖過程中，隨著土的級別越來越高，施工的難度也越來越大，在開挖的后期需動用大量的機械設(shè)備來解決人力挖掘無法解決的問題；

7)開挖完成后要對基坑底部進(jìn)行硬化處理；

8)下層承臺模板拆除后，向鋼板樁與承臺間回填細(xì)砂并灌水使其沉降密實，然后拆除第四(三)道內(nèi)支撐，施工上層承臺(即加臺)，拆除模板后，同上回填并拆除第二道內(nèi)支撐，進(jìn)行墩身混凝土澆筑施工；

9)墩身底部模板拆除后，需回填土至接近第一道支撐的高程位置，然后拆除第一道內(nèi)支撐；

10)當(dāng)回填土達(dá)到外地面設(shè)計高程后，開始按照施工順序依次拔出鋼板樁[5-7]。

圖5 內(nèi)支撐整體安裝順作法施工流程圖

(2)鋼圍堰施工中的技術(shù)難點及解決措施

1)插打過程中鋼板樁貫入度異常

在施工到16#樁時，鋼板樁在入土深度僅為3m的情況下，出現(xiàn)了鋼板樁貫入度異常情況，經(jīng)開挖之后發(fā)掘此處土質(zhì)條件為5m的中粗砂層，鋼板樁難以深入。

解決措施：向樁底內(nèi)部注入高壓水。在16#樁的樁壁兩側(cè)隨樁下放鋼管，在到達(dá)中粗砂層后，采用高壓水泵通過鋼管注入高壓水，利用鋼管前端的橡膠管反復(fù)沖洗鋼板樁底部中粗砂區(qū)，隨沖隨打，直到完全通過該不良地質(zhì)區(qū)域。

2)鋼板樁在深水區(qū)受水流力沖刷，樁入水垂直度難以保證

在施工38#、39#、40#、41#深水區(qū)鋼板樁施工作業(yè)時，由于受到黃河水的沖刷，鋼板樁入水后垂直度出現(xiàn)了大于規(guī)范允許的偏差，施工難度較大。

解決措施：鋼圍堰入水后，應(yīng)嚴(yán)格控制其下沉速度，避免下沉速度過快導(dǎo)致的鋼板樁過大的位移。利用起重設(shè)備將第一節(jié)鋼圍堰整體施工吊入水中，讓其自浮于水面之上。圍堰下沉的作業(yè)過程中，除了向圍堰壁艙內(nèi)注水或灌注混凝土控制鋼圍堰的下沉高度外(使水平焊縫位置高于操作平臺1.4～1.5m為宜)，用以控制圍堰的拼裝高度，還可以同時采用錨定系統(tǒng)控制鋼圍堰的擺動和扭轉(zhuǎn)。

3)在施工24#樁時出現(xiàn)了樁底局部坑底隆起現(xiàn)象，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是樁底局部為2m深的泥巖構(gòu)造，導(dǎo)致鋼板樁樁底應(yīng)力發(fā)生不均勻變形，出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

解決措施：經(jīng)與設(shè)計單位溝通后，采用鋼板樁施工前引樁的方式完成，即先采用直徑分別為1.0m和1.15m的鉆孔樁，通過鉆孔樁通過泥巖層，再進(jìn)行孔內(nèi)回填，待回填強度達(dá)到設(shè)計要求時，完成鋼板樁的相關(guān)施工工作。

4)沉樁過程中樁身傾斜

在施工過程中，在黃河淺灘處出現(xiàn)了多次鋼板樁樁身傾斜的問題，經(jīng)相關(guān)技術(shù)部門檢測，該淺灘區(qū)有大量的孤石存在，所以易導(dǎo)致樁身傾斜。

解決措施：由于淺灘區(qū)孤石較多，因此決定先進(jìn)行樁身位置勘測，判定孤石位置，進(jìn)行土方開挖清除孤石，回填完成后再進(jìn)行鋼板樁施工。

5)鋼板樁局部沉降變形

在進(jìn)行36#樁的施工時，鋼板樁的右側(cè)2根鋼板發(fā)生了局部位移沉降。產(chǎn)生的原因是鋼板樁未打到穩(wěn)定的持力層。

解決措施：在施工鋼板樁時，應(yīng)盡可能控制最后貫入度達(dá)到設(shè)計要求，以保證每根樁都到達(dá)穩(wěn)定的巖層，避免沉降的發(fā)生。

(3)圍堰施工中結(jié)構(gòu)危險部位應(yīng)力應(yīng)變的判定

抽水完成后鋼板樁墻跨中和邊角部位移變化如圖6示。

圖6 跨中和邊角部位移變化曲線

由圖6可知，鋼板樁墻的邊角部位位移值比跨中的小，鋼板樁長方向的位移變化依然很??；從鋼板樁底到鋼板樁頂?shù)奈灰谱兓闆r來看，位移變化也趨于減小，且位移減小的部位正好是鋼板樁設(shè)置支撐的位置，這一變化印證了內(nèi)支撐對水平位移的限制作用，在第二道和第三道支撐之間產(chǎn)生的是最大位移[8]。

鋼板樁墻跨中和邊角部的沿X軸和沿Y軸的的應(yīng)力變化曲線如圖7、圖8所示。由圖可看出，鋼板樁墻的跨中和邊角處在X軸和Y軸方向上的應(yīng)力變化趨勢是一致的，樁底的應(yīng)力值比樁頂?shù)囊?；但是邊角處的?yīng)力值較其他部位要大，且鋼板樁墻四邊中間處有負(fù)應(yīng)力；跨中應(yīng)力最大處的高程比邊角處應(yīng)力最大處的高程高。結(jié)合位移曲線和應(yīng)力曲線可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力和最大位移都發(fā)生在鋼板樁墻的不同部位[9-10]。

圖7 跨中和邊角部沿X軸應(yīng)力變化曲線 圖8 跨中和邊角部沿Y軸應(yīng)力變化曲線

綜上所述，可以確定鋼板樁墻的跨中和邊角部就是圍堰施工過程中最危險的部位，施工時應(yīng)特別注意該部位鋼板樁墻的連接和現(xiàn)場監(jiān)測。

5 結(jié)語

鋼板樁圍堰技術(shù)是近幾年橋梁工程深水基坑圍堰施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文主要介紹了利用Midas/civil軟件建模分析了鋼板樁圍堰施工的安全性，以及介紹了鋼板樁圍堰施工的安裝過程，并對鋼板樁圍堰施工中技術(shù)難點做出了剖析并提出了解決措施，對今后類似工程的鋼板樁施工安裝起到一定的安全提示作用。本文僅僅分析了鋼板樁安裝過程可能存在的問題，對風(fēng)荷載和水流力對鋼板樁影響并沒過多涉入，在后續(xù)的研究中需對此類問題做出分析和說明。