京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术东合南岩土.docx

1、京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术东合南岩土#桥 梁# 收稿日期:2009-11-02;修回日期:2010-01-22作者简介:景兆德(1978,男,工程师,2000年毕业于北京交通大学土木工程专业,工学学士。京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术景兆德1,2(11中铁一局集团有限公司,西安 710054;21北京交通大学,北京 100044摘 要:在黄河中下游桥梁基础施工中,针对黄河特殊的水文地质条件,黄河主河道挡水支护围堰和滩地承台基坑开挖的挡土支护是桥梁基础施工最重要的临时结构,是基础施工的关键。结合京沪高速铁路济南黄河大桥主桥基础钢板桩围堰设计与施工,对黄河下游

2、水中和浅滩桥梁基础钢板桩围堰如何结合水文、地质条件合理进行方案比选,对钢板桩围堰的施工设计验算以及对钢板桩围堰施工技术进行详细叙述,对施工中采取的一些简单有效的工艺措施做了说明。关键词:京沪高速铁路;黄河大桥;钢板桩围堰;设计与施工中图分类号:U 238;U 443116+2 文献标识码:B 文章编号:1004-2954(201004-0047-041 工程简介京沪高速铁路济南黄河大桥总长51143km,主桥为(112+3168+112m 下承式等高度连续钢桁梁(图1,在中跨设置加劲拱,桁高16m ,桁宽30m,节间1410m 。主桥墩为05号,其中1、2、3、4号墩各采用28根215m 钻孔

3、灌注桩,承台厚度610m,平面尺寸4215m 2313m 。0、5号墩各采用21根210m 钻孔灌注桩,承台厚度415m,平面尺寸3416m 1318m 。承台混凝土为C45。主桥1、2号墩承台位于主河道(常年有水,其他承台位于南岸滩地浅滩区。0号墩承台顶面高程+33m (地面高程+33150m 、1号墩承台顶面高程+27m 、2号墩承台顶面高程+27m 、3号墩承台顶面高程+27m (地面高程+30114m 、4号墩承台顶面高程+27m (地面高程+29191m 、5号墩承台顶面高程+30m (地面高程+30192m 。图1 济南黄河大桥主桥布置(单位:c m 主桥桥址处河道河流平均流速21

4、07m /s ,黄河枯水期仅主河槽有水,设计施工洪水位3015m,河床高程枯水期为+24m 左右,汛期河床高程为+22+17m 。2 钢板桩围堰设计211 设计思路根据地质详勘资料,黄河大桥主桥3、4、5号墩地处黄河南岸河漫滩,地表以下19m 范围均为富含水的粉土和粉砂层,在其下厚约2m 范围(高程约+9+11m 有一个硬塑状黏土层,分布比较完整且均匀。主桥1、2号墩位于黄河主河道,河床高程+1724m ,表层覆盖层主要是松散的粉砂,在+9+11m 有一个厚约2m 硬塑状黏土层。厚约2m 的硬塑状黏土层在钢护筒施打和钻孔桩施工过程均得到了确认,取出的土样为黏性非常大的硬塑状黏土块。根据详细的施

5、工调查,确定了主桥1、2、3、4号墩承台施工采用钢板桩围堰方案,0、5号墩承台由于开挖深度较浅,采用明挖法开挖基坑、过程防护。212 方案比选21211 方案一(长钢板桩方案主桥基础钢板桩围堰平面为矩形,其内口尺寸为4615m 2813m ,钢板桩单根长24m 。水中1、2号墩钢板桩围堰底口高程为+710m,顶面高程为+31m (承台顶面高程+27m,洪水位高程+3015m ,滩地3、4号墩钢板桩围堰底口高程为+615m ,顶面高程为+3015m 。钢板桩围堰采用德国拉森型钢板桩,由单层钢板桩和3层由钢管和型钢组成的内撑梁组成,钢板桩内支撑圈#桥 梁#景兆德京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设

6、计与施工技术梁为I56组合结构,内支撑为630mm 钢管。岸上钢板桩围堰采用50t 履带吊配合液压振动锤施工、水中钢板桩围堰采用水中平台40t 龙门吊机、20t 浮吊配合液压振动锤施工。岸上围堰内开挖清淤采用长臂挖掘机开挖和高压射水吸泥法配合进行,水中围堰内清淤采用高压射水吸泥法。考虑到钢板桩下口深入到+9+11m 硬塑状黏土层以下,钢板桩围堰内在清淤完成后可以不进行水下封底,而是直接抽干围堰内的水,再浇筑20c m 厚混凝土垫层,然后割除钢护筒、凿除桩头,进行承台施工。方案优点:钢板桩围堰不封底,降低了大面积封底混凝土施工的风险和施工投入,减少了围堰清淤深度,节约了大量的封底混凝土。同时围堰

7、内开挖、清淤、混凝土垫层施工均在干处进行,提高了施工效率,加快了施工进度。方案缺点:钢板桩长度增加了6m ,增加了钢板桩的投入。21212 方案二(短钢板桩方案 采用长18m 的钢板桩,其他同方案一。考虑到钢板桩围堰位于较为松散的粉砂层内,钢板桩围堰内在清淤完成后要进行水下封底,封底混凝土强度满足后抽干围堰内的水,割除钢护筒、凿除桩头,进行承台施工。方案优点:钢板桩减少了6m ,降低了钢板桩的投入。方案缺点:要进行水下混凝土封底,增加了围堰内水中开挖和清淤的施工难度,降低了施工效率。大面积、大方量封底混凝土施工的难度和风险很高,大量的封底混凝土增加施工的不确定性和施工成本。21213 方案选用

8、经过反复的现场调查和方案比选,确定采用方案一。从施工技术和安全可靠性方面考虑,如果按照方案一施工不能抽干围堰内的水,还可以按照方案二施工,不存在太大的风险。从经济角度考虑,方案一施工成本较方案二要低很多,成功实施就意味着大量的成本节约。213 水中钢板桩围堰设计验算水中1、2号墩钢板桩围堰平面为矩形,其内口尺寸为4615m 2813m,钢板桩单根长24m 。钢板桩围堰底口高程为+710m,顶面高程为+31m 。如图2、图3所示。钢板桩施打完成后,安装第1层内支撑结构,然后抽水吸泥至第2层内支撑以下50c m 后安装第2层内支撑结构,继续抽水吸泥至第3层内支撑以下50c m 后安装第3层内支撑结

9、构,内支撑体系安装完成后抽水吸泥至承台底面以下20c m ,浇筑混凝土垫层后进行承台施工。图2 钢板桩围堰立面(单位:cm 图3 钢板桩围堰平面(单位:cm景兆德京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术#桥 梁#21311 设计参数(1主河道内主要为软塑的粉质黏土、黏土,土体力学性能如下。土体容重r =1815kN /m 3,土粒容重r 1=16197k N /m 3,土体内摩擦角U =20b ,土体总应力黏结力C u =12116kPa 。(2钢板桩力学性能钢板桩采用型拉森桩,质量75kg /m,每1m 宽截面模量W =2037c m 3,允许应力为R =210M Pa 。(3型钢力

10、学性能R =145M Pa ,S =85M Pa 。21312 围堰基底设计验算(1抗基底翻起计算基底开挖较深时,当钢板桩背后的土柱重力超过基底底面以下地基土的承载力时,地基的平衡状态受到破坏,在软基条件可能发生基底翻起。根据现场施工钢管桩、钢护筒施打以及钻孔过程中取样验证,在钢板桩下口深入到+9+11m 硬塑状黏土层,非常坚硬且不透水,考虑其作用,基底土体是稳定的。(2基底土体管涌(稳定性检算如图4所示,钢板桩围堰内抽水后水头差为h,由此引起的水渗流,其最短流程为紧靠板桩的(h 1+t+t,故在此流程中,水对土粒渗透的力,其方向应是垂直向上。现近似地以此流程的渗流来检算坑底的涌沙问题,要求垂

11、直向上的渗透力不超过土在水中的密度,故安全条件如公式所示K s i Q w Q b式中 K s 安全系数,取114;i 流梯度,i =堰外水位-堰内水位最短水流流程;Q w 水的容重;Q b 水的浮容重。图4 钢板桩围堰抗渗流示意由K s i Q w =1143015-2018(312+t+t101697,推出钢板桩不发生管涌的最小入土深度t 812m 。围堰钢板桩实际入土深度为1318m 。计算得安全系数K s =2121,所以不会发生涌沙。21313 钢板桩、内支撑结构计算通过计算确定钢板桩围堰内支撑采用3层并确定间距,对钢板桩及围堰内支撑结构按照计算模型分工况分别计算后满足强度和稳定性要

12、求,计算略。在内支撑结构体系中增加了竖向和水平联结,增加了整体稳定性。214 滩地钢板桩围堰设计验算滩地钢板桩围堰设计和水中钢板桩围堰类似,按照水中钢板桩围堰结构进行验算均能满足要求,验算略。3 钢板桩围堰施工311 水中钢板桩围堰施工主桥水中墩钻孔桩施工完成后,拆除钢板桩顶部范围内的钢平台,给钢板桩打设留出作业空间,平台剩余部分可作为钢板桩临时存放场地。钢板桩施打采用履带吊或平台上的龙门吊配合液压振动锤进行。一边打设一边拆除平台。钢板桩围堰施工工艺流程如下:钻孔桩施工完毕,拆除围堰范围内的平台结构y 钢板桩进场、校正、检验、施工准备、机械进场y 钢板桩定位y 插打钢板桩y 围堰合龙、相邻钢板

13、桩之间进行点焊连接y 围堰内清淤y 安装第1层内支撑y 安装第2层内支撑y 安装第3层内支撑y 清淤至设计高程封底混凝土施工y 准备承台施工。31111 施工准备钢板桩运到工地后,需进行整理。清除锁口内杂物,对于检查出来的缺陷部位须校正后再用标准钢板桩进行检查直到合格。对于桩身残缺、不整齐等都要做全面的检查,并采取相应措施,以确保正常使用。施工前钢板桩应进行锁口润滑及并进行防渗处理。31112 钢板桩的插打插打工作从上游开始,在下游合龙,减小了黄河水流冲刷的影响。首先在原有钻孔钢护筒上焊接牛腿,借助牛腿制作导向架,这样既保证了钢板桩在水中定位准确,打设顺直,同时节省了制作导向架的成本,节约了工

14、期。平台外围不利于起吊设备作业,所以钢板桩打设在平台上进行。打设时平台少部分拆除,利用平台龙门吊机与履带吊机相互配合进行。3111211 钢板桩倾斜预防措施插打钢板桩前,除在锁口内涂以润滑油以减少锁口的摩阻力外,同时在未插套的锁口下端打入铁楔或硬木楔,防止沉入时泥沙堵塞锁口。设置导向结构纠正钢板桩的倾斜。3111212 钢板桩锁口漏水预防措施钢板桩由于插打不当致使锁口发生变形,出现渗透。其补救措施是在漏水锁口处的围堰外侧采用细砂#桥梁#景兆德京沪高速铁路济南黄河大桥钢板桩围堰设计与施工技术和锯末的混合物堵塞漏水。由于水的侧压力,会促使锯末堵住漏水。3111213导向围囹的安装措施为防止围堰的变

15、形,要求将导向工字钢围囹与钢板桩之间的间隙全部用型钢焊接支撑连接,围堰的4个角进行加强。3111214反向牛腿安装为防止钢板桩受力过大后产生上拱,带动围囹朝上滑移,在导向工字钢围囹上侧设置反向牛腿加以固定。3111215钢板桩的合龙钢板桩围堰在合龙时,两侧锁口往往不尽平行,可在钢板桩顶端使用千斤顶互顶或采用倒链向外侧张拉调整至所需间距,然后施打合龙钢板桩。实际施工中由于水流影响或其他原因,采用上述措施钢板桩仍无法合龙时,可以制作异形钢板桩进行合龙。主桥1、2、3、4四个钢板桩围堰施工中采取了有效的措施,在合龙时都能利用倒链和千斤顶顺利调整到位,没有采用异性钢板桩就成功进行了合龙。主要措施:一是

16、在钢板桩施打前对每个钢板桩进行检查和矫正,确保每个钢板桩顺直无变形;二是在施打过程中在导向架上安装有纵横向双向固定和调节卡具,保证每个钢板桩在施打完成后都保持竖直且位置基本准确;三是在钢板桩围堰合龙口还剩余十多根钢板桩时,在每根钢板桩施打前后都测量合龙口两侧钢板桩的间距并和理论间距比较,适时进行调整,直至最后一根钢板桩,确保了合龙尺寸。31113围堰内支撑结构安装1、2号主墩围堰施工时水位较低,第1道内支撑在钢板桩施打时作为导向围囹同步进行了安装,安装完第1道围囹后需要及时清淤吸泥,到达一定高程后安装第2道内支撑。待第2道内支撑安装完成后继续清淤吸泥,然后安装第3道内围囹及内支撑,并同步安装所

17、有支撑间的竖向、横向联结系。水中钢板桩围堰内支撑结构通过汽车从加工场运输至平台侧的栈桥上,利用龙门吊机安装到位。31114围堰内吸泥清淤根据钢板桩围堰内土层的特点,围堰内清淤工作采用高压水枪配合吸泥机进行。水中钢板桩围堰高压射水吸泥均在干处进行,随着围堰内土体的不断清理,钢板桩围堰四周接缝有局部渗水,通过在外侧抛洒砂和锯末的拌和物都能基本封堵。根据现场对吸泥过程的观测,从吸泥开始到结束,随着围堰内土体面不断下降,从围堰底面渗流的水不断增多,但土体很稳定。经过分析,确定+9+11m硬塑状黏土层起到了关键作用,方案和预想的非常吻合,实施很成功。而围堰底面渗流的水可以断定是围堰外2m硬塑状黏土层以上

18、透水粉砂层经钢板桩间缝隙渗入围堰内。每个围堰内约有4500m3粉砂土体,按照一个围堰内34台吸泥机,6把高压水枪,20个操作人员的配置,水中1号墩累计经过11d全部吸泥清淤至设计位置,2号墩累计经过9d全部吸泥清淤到设计位置,为承台的顺利实施奠定了坚实的基础。31115围堰基底垫层施工钢板桩围堰内吸泥清淤至设计高程后,在围堰4个角埋设4个钢管积水井,利用汽车泵浇筑20c m厚混凝土垫层。312滩地钢板桩围堰施工滩地3、4号墩钢板桩围堰施工条件较水中好,采用50t履带吊进行钢板桩施打,施工过程和水中1、2号墩类似。高压射水吸泥还是在干处进行,没有进行水下混凝土封底施工,整个施工过程比水中效果还好

19、,按照方案顺利实施。4结语黄河大桥主桥钢板桩围堰平面尺寸超大、围堰很深,在国内钢板桩围堰施工中罕见,设计施工中采取了加长钢板桩入土深度,在每个内支撑端部增加八字形撑架,竖向每层撑间增加空间桁架,每层内支撑与钢板桩间设上下限位牛腿等许多有力措施,整体稳定性得到了保障。方案合理利用粉砂层中2m厚硬塑性黏土不透水夹层,将钢板桩深入夹层以下,在工艺上取消了水下吸泥清淤和水下混凝土封底,消除了水下封底施工的难度和风险,减小了施工中的不确定性,降低了施工成本,节约了施工工期。京沪高速铁路济南黄河大桥主体工程已基本完成,工程实践证明,在黄河下游和类似地质地区水中桥梁基础施工中,采用不进行水下混凝土封底的钢板桩围堰,施工方便快捷、安全可靠并节约成本,取得了很好的社会效益和经济效益,也为类似工程的基础施工提供了宝贵经验。参考文献:1陈明宪.斜拉桥建造技术M.北京:人民交通出版社,2003.2余志成,施文华.深基坑支护设计与施工M.北京:中国建筑工业出版社,2005.3刘自明.桥梁深水基础M.北京:人民交通出版社,2003.4钱家欢.土力学M.南京:河海大学出版社,1988.5欧阳效勇,任回兴,徐伟.桥梁深水桩基础施工关键技术M.北京:人民交通出版社,2006.6韩跃国,陈永勇,皮海波.永修大桥主墩钢板桩围堰设计与施工J.铁道标准设计,2008(5.