钢板桩围堰施工技术

李迎九

(上海铁路局,上海200071)

摘 要:我国深水基础的应用始于20世纪50年代,从基础尺寸、使用材料、结构形式等方面叙述深水基础发展和应用主要经历的3个阶段,即管柱基础、沉井基础和钻孔灌注桩基础、复合基础和特殊基础。钢板桩围堰是目前极具优势的深水基础围堰施工技术,在客运专线和高速铁路桥梁建设中有广泛应用。其设计计算方法大多基于简化计算和工程经验;围堰施工技术的关键在于空间定位、超深钢板桩快速插打及止水等方面;通过对围堰施工过程的实时监控,可以检验施工效果和设计的合理性、及时掌握围堰的受力和变形情况,对施工中出现的异常情况采取措施。

关键词:深水基础;钢板桩;围堰;施工技术;设计;计算方法中图分类号:U445.4;U445.55

文献标志码:A

Construction Techniques of Steel Sheet Pile Cofferdams

LI Ying j iu

(Shanghai Ra ilw ay A dministrat ion,Shanghai 200071,China)

Abstract:T he application o f deepw ater fo undations in China dates back to 1950s.T he three stages,from the cylindrical shaft foundation,open caisson fo undation and bored pile foundation to the co mbined foundation and special fo undation,that the developm ent and application of the deepw ater foundations m ainly g oes thr ough ar e described fro m aspect of the foundation scale,ma terial utilization and str uctural types.T he technique of the steel sheet pile co ffer dams is currently a technique that has ex tr em e advantag e for construction of the deepw ater foundations and has been w idely applied to the construction of bridges on passenger dedicated railw ays and hig h speed railw ays.T he desig n and calculation metho ds for the technique are mo stly based on the simplified calculation and eng ineering ex periences.T he key o f the technique lies in the spatial positioning of the cofferdam s,rapid inserting and driving o f the very deep sheet piles and w ater stoppage inside the cofferdam s.The construction effect and design rationality o f the cofferdams can be checked by the real time mo nitoring and control o f the co nstructio n pro cess of the cofferdams,the me chanical behavior and deformation o f the cofferdam s can be timely know n and the measur es can be taken in case o f abnorm ality in the construction process.

Key words:deepw ater foundation;steel sheet pile;cofferdam;co nstr uctio n technique;de sign;calculatio n method

收稿日期:2011-01-31

作者简介:李迎九(1969-),男,高级工程师,1990年毕业于上海铁道大学工业与民用建筑专业,工学学士,2008年毕业于清华大学工商管理专业,工商硕士(liy j.07@sem.ts inghua.edu.cn)。

1 引 言

目前,国内桥梁深水基础主要形式有管柱(桩)、

钻孔灌注桩和沉井,施工时主要难点在于防水、防流砂,同时还要考虑冲刷、滑坡等因素。修建过程中采

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2 桥梁深水基础的发展状况

我国桥梁深水基础的应用始于20世纪50年代。深水基础在我国的应用及发展可分为以下3个阶段[1]。

2.1 管柱基础阶段

1957年建成的武汉长江大桥,首次采用了直径1.55m的管柱基础,克服了水深40m的施工困难。此后,管柱直径逐步发展到3.0,3.6,5.8m;并由普通钢筋混凝土管柱发展到预应力钢筋混凝土管柱和钢管柱。

1958年建成的郑州黄河大桥新桥的管柱基础直径为3.6m。1962年建成的向九铁路南昌赣江公铁两用桥,其管柱基础直径达5.8m,是当前国内直径最大的管柱基础。1968年建成的南京长江大桥管柱基础直径为3.6m,首次采用预应力钢筋混凝土大型管柱。1995年建成的武汉长江二桥,主塔墩采用管柱基础,直径2.5m,最大深度达水下m。

2.2 沉井和钻孔灌注桩基础阶段

沉井基础承载能力大、刚度大,适用于深水地区。20世纪60年代在修建南京长江大桥过程中,由于施工水深达30.5m,覆盖层最大厚度达54.87 m,采用了重型混凝土沉井、深水浮运钢筋混凝土沉井和钢沉井套管柱基础,沉井开始应用在桥梁深水基础中。20世纪70年代修建的九江公铁两用长江大桥1号墩采用直径20m、高39m的钢筋混凝土沉井基础并辅以泥浆套下沉。20世纪80年代修建的天津永和大桥(主桥为跨度260m的预应力混凝土斜拉桥)主塔墩为圆形沉井基础,采用不排水下沉法施工,后期采用空气幕辅助下沉法施工。1997年完成的江阴长江大桥北锚碇沉井基础尺寸为69m 51m 58m,曾是世界上最大的沉井基础。随着桩基础的广泛采用,沉井基础在桥梁中的应用有所减少,但沉井仍为特大跨径桥梁的主要基础型式。

大直径钻孔灌注桩具有承载力大、刚度大、施工快、造价省的优点。在连续结构、尤其是连拱或连续斜拉桥减少下部构造的水平位移及其引起的附加内力方面,大直径钻孔灌注桩具有明显的优势。1963年河南省安阳冯宿桥第一次成功地将钻孔灌注桩基础应用于公路桥梁,铁路桥梁采用钻孔灌柱桩基础始于成昆线,此后,我国桥梁工程开始广泛采用钻、挖孔灌注桩基础。九江公铁两用长江大桥3号、5~ 7号墩为双壁钢围堰施工的9 2.55m钻孔灌注桩基础。武汉长江二桥[2]正桥0~7号及15,16号墩分别采用直径1.5m和2.5m钻孔灌注桩基础,8号墩采用直径2.2m钻孔钢管桩的高承台基础。我国黄河中下游地区的桥梁多数采用长80m以上的钻孔灌注桩,如滨州黄河大桥桩基础最长120m,最大入土深度达107m。

2.3 复合基础和特殊基础阶段

复合基础是把桩、管柱与沉井或其他围堰相结合的一种深水基础。1936年修建钱塘江大桥时,由于水深、覆盖层厚、地质条件复杂,且受施工能力,将气压沉箱作平底结构,在其上施工桩基础,以接力的方法修筑基础。南京长江大桥采用先下沉钢沉井、再在沉井中下沉管柱的施工方法,3号墩钢沉井平面尺寸为16.19m 25m、高40.8m,内部为直径3m的预应力钢筋混凝土管柱。九江公铁两用长江大桥地质非常复杂,4号墩采用浮运钢沉井钻孔桩基础。1998年建成的广州江村大桥,采用了钢筋混凝土沉井加冲孔灌注桩组合基础,施工水深达30m。随着我国近海和海湾桥梁的大量建设,可以预计各种组合基础和特殊基础会有更多的应用。

3 钢板桩围堰施工技术的发展状况

3.1 钢板桩围堰的特点及其应用

钢板桩是带有锁口的一种型钢,早期钢板桩是用铆钉锁合的,随着轧钢技术的进步,后来制成了更好的截面形式,主要有直板形、槽形及Z形等,有各种尺寸及联锁形式,主要有套形锁口、环形锁口和阴阳锁口三种。套形锁口的防渗性能较好,拉森式钢板桩都采用这种锁口,其优点是强度高、容易打入坚硬土层;可在深水中施工,防水性能好;能按需要组成各种外形的围堰,并可多次重复使用。

钢板桩围堰常用于沉井顶、管柱基础和桩基础承台以及明挖基础等下部结构的施工,多采用单壁封闭式,围堰内有纵、横向支撑,必要时加斜支撑。南京长江大桥的管柱基础,曾使用钢板桩圆形围堰,直径21.9m、长36m,待水下封底混凝土达到强度

东合南岩土 geoseu.cn要求后,抽水浇筑承台及墩身,抽水深度达20m。在客运专线和高速铁路桥梁建设过程中,也广泛采用钢板桩围堰施工深水基础,如位于上海市闵行区的京沪高速铁路跨吴淞江大桥,每个主墩有21根直径为1.5m的群桩基础,采用长24m、直径23.5m 的拉森 型钢板桩围堰结合填芯筑岛技术,成功地将水中钻孔灌注桩和承台施工改变为陆上施工;京沪高速铁路南京南站仙西铁路联络线秦淮河特大桥53号墩深水承台施工采用长24m、平面尺寸21.5 m 14.8m的拉森 型钢板桩围堰;京沪高铁浍河特大桥995号和996号墩均筑岛钻孔成桩,采用钢板桩围堰(平面尺寸25.6m 16m、长15m的拉森 型钢板桩)施工承台;新建的温福铁路宁德特大桥海湾区58号墩承台施工也采用了长16m的拉森 型钢板桩围堰;新建的九江至南昌城际铁路永修特大桥351号和352号墩位于水中,其承台施工采用长18m、平面尺寸为27.2m 12m的德国拉森 型钢板桩围堰干作业法;合宁客运专线店埠河特大桥71号和72号水中墩群桩基础采用筑岛式钢板桩围堰,即先就地筑岛施工钻孔桩,再在岛内插打钢板桩围堰的施工方法。沪杭高铁横潦泾大桥(长29m 的拉森 型钢板桩)、钱江铁路新桥(图1,长20m 的拉森 型钢板桩)和阜六铁路颍河特大桥(图2,长30m的拉森 型钢板桩)均采用钢板桩围堰修建深水基础低桩承台。

钢板桩围堰的特点在于施工简便、效率高、成本图1 钱江铁路新桥钢板桩围堰施工

图2 阜六铁路颍河特大桥钢板桩围堰施工低、止水效果满足要求,与双壁钢围堰相比,钢板桩围堰刚度较小、受材质及制造工艺影响,因此具有安全风险大、适用范围较小等缺陷,一般情况下钢板桩围堰在河床面以上部分的长度不超过10m。近年来,由于钢材制造工艺的发展,钢板桩围堰施工技术得到改进,相对于双壁钢围堰,可以节省组拼时间15~20d,同时具有施工灵活的优点,大大节省了工期和工程投入,是当前极具优势的深水围堰施工技术。

3.2 钢板桩围堰设计理论及计算方法

钢板桩围堰的设计理论方面,国内也进行了相关的研究。如在外侧设置钢环的钢板桩围堰,计算时考虑静水压力、水流冲击力、波浪力、风力及漂流物撞击力等外荷载,以单位宽度钢板桩作为计算单元,验算钢板桩的强度以及钢环的强度和稳定性[3]。对钢板桩最小入土深度计算时,在土质不密实或桩的入土较浅时,板桩的下端易变位,通常假定下端为简支状态;当土质密实或桩入土较深时,板桩的下端不易变位,假定下端是弹性嵌固支承状态,此时采用等值梁法计算;考虑整体性时,可把围堰和支撑作为一个整体,简化为一封闭刚架,周边承受均布荷载,并利用对称性取1/4模型进行计算[4,5]。

国外对钢板桩围堰的理论研究较多。Byfield M.P.和Craw ford R.J.[6~8]通过室内试验对钢板桩围堰的受力性能做了研究,同时基于梁的理论,根据相邻钢板桩受力发生时的相对位移,提出了一种数值方法,用于计算特定情况下钢板桩的变形和弯矩,但这种计算方法并不适用于一般工程,准确而实用的方法有待进一步研究。

目前,钢板桩围堰的设计方法大多采用传统的土与围堰结构分离的计算方法,该方法计算简单、概念明确,是钢板桩围堰设计采用的主要方法。计算时,把土和水的作用以压力的形式施加到钢板桩围堰结构上,其中土压力的计算采用朗肯土压力理论;钢板桩围堰内的每道支撑和封底混凝土均作为钢板桩的支撑点,把钢板桩简化成多跨连续梁,取1m 宽度对钢板桩进行结构检算;将支撑反力作为外荷载作用在围囹周侧,并选取受力最大的一道围囹对支撑结构进行分析计算;封底混凝土的厚度必须满足抗浮和抗裂的要求;采用主动土压力和被动土压力相等时的入土深度和钢板桩抗倾覆稳定时的入土深度之和,并结合地基的抗隆起稳定性来确定钢板桩的入土深度;最后,根据整个围堰结构在动水压力作用下的抗倾覆能力验算其整体稳定性。

东合南岩土 geoseu.cn钢板桩围堰的这种设计计算方法是基于简化假定和工程经验,只能在一定程度上满足设计要求,但简化计算不能体现钢板桩围堰施工全过程的应力和变形的变化情况。因此,对于不同工况、不同工序钢板桩围堰施工全过程的应力和变形分析,得到关键部位的应力和变形发展变化规律,对于施工实践尤其是确保安全具有重要的参考价值。

钢板桩围堰设计计算的另一种方法是有限元法。计算时建立三维空间模型,在对钢板桩围堰结构进行模拟时把土层也进行模拟,可以很好地模拟桩土间的相互作用。但此法要求较高的计算资源,同时在对土层进行模拟时,单元形式及参数的选择对计算结果的影响比较大。

实际计算中,如何确定钢板桩的力学参数、水和土的压力、钢板桩入床深度、各工况封底混凝土厚度,以及桩与桩之间的接触面模拟,水下封底混凝土的阻水、支撑及垫层的选取等对计算的结果有很大影响。跨海大桥的海洋环境更是一个复杂的随机环境,不仅存在波浪,还存在各种其他荷载,如波浪及其作用方向是随机的,因此围堰的边界条件及其外荷载模拟更加复杂。

牢固的围囹及纵、横钢支撑是钢板桩围堰整体安全性的可靠保证,利用型钢围囹、钢管支撑、立柱组成内部支撑体系以加强钢板桩的刚度,如何确定钢板桩围堰及其支撑体系的合理布置,还需对钢板桩围堰及支撑体系结构部分进行系统分析,研究钢板桩围堰体系的结构特性、力学特点,提出钢板桩围堰及其支撑体系的技术指标。

3.3 施工技术难题

随着围堰结构尺寸的增大,超大型围堰的空间定位问题成为一个难题。在科林斯海湾大桥施工过程中,存在基础下沉时位置出现较大偏差的情况;京九铁路孙口黄河大桥施工过程中,因沉井下沉偏位,纠偏用了3个月左右的时间。对钢板桩围堰,超深钢板桩快速插打及止水也是施工过程中必须注意的问题。杭州湾大桥南岸滩涂区引桥施工时,在进入海中3.2km后,因钢板桩围堰漏水严重,不得不更换吊箱围堰;而在阜六铁路颖河特大桥施工过程中, 30m长的钢板桩插打时也曾出现严重困难。

3.4 施工过程实时监控

深水基础钢板桩围堰施工属特大型基坑施工,安全风险极大,施工中如何解决钢板桩围堰的结构偏差、完成基础施工是工程实践中需要解决的主要问题。施工监控的目的,一方面检验施工工艺的效果和设计的合理性,为今后改进同类工程设计和施工方法提供依据,另一方面及时掌握钢板桩围堰的受力和变形情况,通过监测可及时发现围堰和围囹支撑可能出现的异常情况,以便及时采取应急措施。如何更加合理地对钢板桩围堰及其支撑体系进行内力、位移监测,有必要通过分析研究深水基础施工条件下钢板桩支撑体系内力和位移的变化规律,找出造成钢板桩支撑体系内力和位移发生变化的原因,来确定监控的要素。同时,目前钢板桩围堰的施工监控控制标准还是参考土建结构的基坑监测控制标准,不能考虑不同施工工艺的差异性,因此,钢板桩围堰施工现场监控的控制标准还是比较粗略的,有待于通过研究和积累不断完善。

4 结 语

深水桥梁基础施工应根据各自桥梁基础不同的水文、地质、材料以及设备等条件,综合考虑各种因素进行比选。当前深水围堰技术中的钢板桩和双壁钢围堰技术是比较常用的施工方法,近年来铁路大规模、高标准建设中,大型钢板桩围堰的技术创新体现了又好又快的建设理念。本文综合分析了深水围堰基础的应用实例、研究现状及发展趋势,并对钢板桩围堰结构的理论分析和现场监控提出了需进一步研究完善的问题,具有一定的现实意义。

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(下转第84页)

东合南岩土 geoseu.cnt,顶拉时利用6000kN拉力将钢桁梁拉动,钢桁梁摩擦系数约为7.5%。

斜杆合龙。通过对边墩钢桁梁微调顶落,实现斜杆合龙。

上弦杆合龙。利用高差调节顶座调整合龙口高差,再使用顶拉装置配合。基本步骤同下弦杆合龙。

主桁下弦杆、斜杆、上弦杆合龙完成后,依次架设合龙段桥面板和上平联。

5 结 语

东新赣江特大桥采用浮吊拼装钢桁梁,既节约了成本,又加快了施工进度。同时通过合龙口直接顶拉合龙,不在主墩顶落梁,实现了精确合龙,各项监控数据满足规范及设计文件要求。通过该桥的架设方法及合龙技术的实践,为同类桥梁施工提供了宝贵的实践经验。

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