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海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术

海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术



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海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术


陈进楷


摘  要


摘要:漳州开发区陆岛连接桥设计为独塔斜拉索桥,其主墩基础承台设计为直径为18.5m的圆形承台,采用直径为21.6m的圆形钢板桩围堰进行承台和下塔柱的施工。结合该工程实例,主要介绍了圆形钢板桩围堰的适用性、设计要点及施工工艺,总结了施工过程中出现的一些问题及采用的措施,用以提高钢板桩围堰的施工质量及施工进度,为同类工程提供借鉴。


关键词:圆形钢板桩围堰;适用范围;设计要点;围堰止水;结构优化;施工技术



钢板桩围堰是国内外软弱土地基上建造桥梁承台、码头、船坞时广泛应用的深基坑围护形式之一。在20世纪50年代,我国首次在桥梁围堰施工中使用钢板桩,20世纪60年代在葛洲坝使用钢板桩作围堰,随着20世纪90年代我国经济快速发展,国家基础建设也随之发展,而地域广阔,地质结构复杂多变的中国,具有应用钢板桩的广泛需求。与双壁钢套箱、锁扣钢管桩等围堰形式比较,圆形无内撑钢板桩围堰具有使用材料少、加工简易、插打快、机动灵活、可全部回收重复使用的优点,在工程应用当中具有较大的优势。


海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术

葛洲坝水利枢导流格型钢板桩围堰


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工程概况


1.1 工程简介

漳州开发区陆岛连接桥为海上斜拉桥,连接漳州开发区南滨大道和双鱼岛主干道,主桥为独塔双索面斜拉桥,跨径组成为36m十2X66m+36 m=204m。索塔采用A形钢壳混凝土塔,塔高90m,布置44根斜拉索,索塔基础设计为直径18.5 m的圆形台。桥梁全景如图1所示 。

 海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术

图1 桥梁全景


1.2 工程地质条件

本工程原始地貌为滨海海积地貌。勘察结果表明,岩土层分布较有规律,水域上部为海相成因的淤泥、砂砾,层厚0.4〜5.2m;中部为海陆交互相的粉质黏土、残积性砂质黏土,层厚1 8〜13.5 m,局部有孤石;下部为全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。本工程地处厦门湾内,处于亚热带海洋性气候,受季风的影响十分明显,风浪大且为台风高发地区。在设计钢板桩围堰时,要充分考虑风浪、台风对于围堰产生的影响,采取一定的加强措施保证围堰施工。


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承台钢板桩围堰设计及适用性分析


2.1 承台钢板桩围堰设计

根据现场地质条件和施工条件,经过多种方案研究比较,最终确定该主墩承台采用近似圆形(正16边形)钢板桩围堰进行施工,其设计图及围堰完工后的实拍照片分别如图2和图3所示。


海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术

图2 钢板桩围堰设计


海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术

图3 圆形钢板桩围堰现场照片


围堰采用U形FSP-IV拉森IV型钢板桩,钢板桩长度为15m,截面尺寸及截面特征见表1。围堰结构为近似圆形的单壁钢板桩围堰,顶高程为@5 m,桩底高程为-10 m,钢板桩入土深度约为6.7 m。围堰设4层围棟体系,第1层和第2层采用单层工32a钢,第3层和第4层采用双拼工32a钢,具体标高位置如图2所示。


海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术


采用Midas-Civil软件建立/形钢板桩围堰空间整体模型,利用Midas有限元分析软件对圆形钢板桩围堰进行空间和平面分析。第4层围棟安装完成后,计算得到钢板桩外缘的应力为21.5 MPa,在A3级钢的容许应力之内,结构应力满足要求。结构的屈曲模态计算结果如图4所示,结构的屈曲模态值69.5>5,结构的整体稳定性能满足要求。


海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术图4 结构屈曲模态


2.2 圆形无内撑钢板桩围堰适用性分析

钢板桩围堰是一种施工简单、快捷、成本较低的围堰形式,可减少材料占用量,缩短承台工期,减小施工平台作业面积。以往采用的钢板桩基坑施工围堰通常设计为矩形结构形式,内部根据基坑深度、地质条件及水位情况设置多层纵、横及对角支撑,这种结构受力情况、边界条件都非常明晰,结构稳定计算也相对比较简单,施工非常方便、可靠,因而在工程中被广泛采用。但矩形结构围堰在实用中也有其局限性,特别是对于超大型基坑,由于围堰对撑及角撑太长、太密,对基坑开挖及结构施工会造成很大地干扰。因而,很多超大型基坑(特别是水上施工)往往选择圆形钢板桩围堰,而放弃采用矩形结构钢板桩围堰。


圆形钢板桩围堰结构采用的是环形支撑。环形支撑具有将弯矩转换为轴力的力学特征,从根本上改变了常规的支撑结构方式。因为内部没有密集的支撑,环形支撑极大地方便了基坑开挖及结构施工。

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施工技术


3.1 施工要点


3.1.1 施工准备

在进行圆形钢板桩围堰施工前,需要做好各项施工准备工作,主要包括以下几项。


(1) 预留吊、拔桩用孔。在钢板桩端头翼板处开孔,在吊装过程中通过卡环与钢丝绳直接连接。此法不仅可以防止钢板桩在吊装过程中发生意外滑脱现象,还可以大大增加钢板桩吊装速率。


(2) 选择施工机械。由于场地限制,本工程采用了两种施工机械组合进行钢板桩围堰施工,第一种组合为70 t履带吊机和DZ90振动锤配合施工,第二种组合为液压振动锤(激振力相当于DZ45振动锤)取代460挖掘机的挖斗。两种施工机械施工效率与所用人工对比见表2(以本工程P10钢板桩围堰施工作为对比模型,P10钢板桩围堰为矩形,尺寸为9.5mX 9.5 m)。

海中圆形无内撑钢板桩围堰施工技术


由于460打拔机由挖掘机改造而成,移动灵活,夹桩速度快,所以70t履带吊机和DZ90振动锤配合施工效率只是460插板机的一半,而且所需人工成本是460打拔机的两倍。但是460打拔机竖向压载力会小于DZ90振动锤的竖向压载力。以本工程为例,在陆上施打单根钢板桩时,两种机械均可达到设计标高;在施打陆上成排钢板桩时,施打过程中除了克服土体带来的阻力,还要克服相邻钢板桩锁口带来的摩擦力,这时460打拔机很难达到设计标高。但在海上施工时,由于入土深度浅460打拔机效率更优。


3.1.2 钢板桩施打

该围堰的钢板桩全部采用新轧制的定长产品,材料进场后及时检查,板桩顶部加焊钢板,防止夹桩、沉桩时变形,影响后续钢板桩的施工。为了钢板桩能顺利插拔,并增加钢板桩在使用时的防水性能,每片钢板桩锁口都需均匀涂抹黄油。采用460打桩机逐根插打钢板桩,作业距离较远的钢板桩则采用70t 履带吊和60kW电动锤插打。插打时,在第1层和第2层围棟焊接开缺口的槽钢,作为插打钢板桩的导向和限位。钢板桩插打时,首先精确施打第一根板桩位置,首根钢板桩插打十分重要,插打过程中严格控制垂直度及平面位置。施工过程中,严格控制钢板桩的插打垂直度和高程,后续钢板桩与先沉入桩的锁口应可靠连接。插打过程遵守“插桩正直、分散偏差、有偏即纠、调整合龙”的原则,记录钢板桩插打情况,掌握钢板桩的垂直度和入土深度,使其符合设计要求。钢板桩围堰施打图如图5所示。

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图5 钢板桩围堰施打

 

该围堰钢板桩的插打顺序大致可分(a)、(b)和(c)3种,如图6所示。(a)和(b)工序都是沿一个始点向两侧插打,只有一个合龙点,但(b)工序的起打阶段、合龙阶段受潮水影响较明显,可能会造成起始插打的钢板桩晃动或者较难合龙的后果。(c)工序虽可以解决(b)工序的问题,但是多了一个合龙点,增加合龙的工作量。因此,该围堰钢板桩最终采用(a)工序进行插打。

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图6 钢板桩围堰施打顺序


钢板桩围堰接近合龙时,测量邻近钢板桩距离距离,根据宽度计算所需片数,然后确定是采用增加钢板桩还是向外绕圆弧的插打方案。本项目第一个围堰是在接近合龙时采用外绕弧的方法合龙,第二个围堰是接近合龙前,准确计算所需的钢板桩片数进行合龙。为了方便钢板桩围堰的合龙,在合龙前剩余 3〜4 m时,对未插打的若干钢板桩进行间距及倾角调整,以满足最后一根钢板桩的顺利插打。合龙钢板桩两侧的钢板桩设置高差,以便于合龙钢板桩与两侧钢板桩锁扣咬合,具体如图7所示 。


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图7 合龙措施

3.1.3 围標安装

由于钢板桩锁口之间渗水严重,而且施工空间有限,因此第3层、第4层围棟安装的难度较大。在先行施工的主墩右侧围堰施工过程中,不断总结经验,优化施工方法,因此在后来的主墩左侧围堰施工中,效率得到明显的提高。总结两点经验如下。


(1) 围檩在钢平台上加工,待加工成后分节吊装。这种做法既可以提高效率,又可以确保焊接的质量。


(2) 先采用手拉葫芦将第3层、第4层围棟临时固定在钢管桩上,待围堰内降水开挖完成后,再逐层下放到设计位置固定。


3.1.4 围堰止水

该围堰折角较多,围堰止水是施工的关键。围堰止水的时机也很重要,海中钢板桩围堰止水与陆上钢板桩围堰止水有所不同,海中的围堰受风浪影响、潮汐变化的影响,止水的时机不当的话,止水工作是徒劳无功的。最初,在钢板桩围堰刚合龙时即尝试止水,但效果并不佳,在风浪作用下,围堰外侧的止水附着物很容易失效。此外,围堰内的积水应及时排除,否则在低潮时,流水会冲走止水附着物。经施工探索,该钢板桩围堰较佳的止水时机是在第1层和第3层围棟焊接稳固后、堰内水位比堰外水位低时开始进行,在第4层围棟加固后,再进一步检查漏水的部位并及时填补。经过止水处理后,钢板桩拼缝还是存在渗流,但是渗流的积水可采用水泵排除,对下一步的施工影响并不严重。该围堰采用以下方式进行止水。


(1) 制作挂梯,趁低潮时对低潮水位以上的钢板桩锁口连接处填充泡沫填缝剂进行止水。泡沫填缝剂使用简单、控制精确,并且在泡沫打出后膨胀体积可达55倍〜70倍,可以迅速填满钢板桩连接缝,对大多数的基材都能很好地黏接,尤其是湿表面,止水效果较好。


(2) 低潮水位以下钢板桩围堰止水时,由潜水员下潜至漏水区域,采用棉絮或者土工布填充钢板桩连接。


(3) 由于黄油(润滑脂)具有防水、润滑和稠度高的特性,在钢板桩锁口位置涂抹黄油或混合油(可添加锯末或其他材料)来减小钢板桩锁口之间的摩擦力,提高防水性。


在项目初期,项目部曾考虑采用止水薄膜包裹钢板桩围堰或焊接密封的方法进行围堰止水,由于这两种方法造价太咼,最终采取以上3种方式相结合的止水方法,施工成本低,施工速度快。


3.2 围堰监测

为保证围堰施工安全,在圆形钢板桩围堰不同位置安装4根测斜管(编号为B1〜B4),并在各层围棟安装应力计,对围堰进行定时监测,测点布置如图8所示。监测时间自2014年11月19日开始,监测至2015年1月7日,此段时间为承台及墩座施工时间。根据监测资料,B1〜B4测点对应最大位移分别为29.79 mm、42.80 mm、23.25 mm和28.64 mm,最大位移发生时间均为测点区域开挖至承台垫层标高之时,最大位移均小于50 mm,符合二级基坑位移要求,结构稳定、安全。部分监测位移图如图9

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图8 围堰检测布置


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图9 围堰检测布置


3.3 施工工艺优化

根据本工程施工经验,可对围堰采取如下优化措施。


(1) 围堰可设计成圆形,而非本工程的正16边形;围標采用冷弯机弯折成型,围標接头可采用法兰连接,减少现场焊接量,具体施工方法可参考隧道工程钢拱架加工工艺。环形支撑具有将弯矩转换为轴力的力学特征,此法可大大提高围堰强度、稳定性与施工速度。


(2) 第3层和第4层围標的双层工32钢可由等强度H形钢替代,可将双层工32钢的两次焊接减为H形钢的单次焊接,减少围標焊接量与施工难度,提高工程施工效率。


混凝土吊运施工无影响,从而可加快承台施工进度,缩短水下承台施工时间,降低施工成本。在围堰施工过程中,围堰支撑应严格照施工工序进行,并同时进行监测工作,以确保支撑工程的施工安全。实践证明,本工程圆形钢板桩围堰方案设计科学、合理,结构安全可靠,施工方便,可为同类工程提供借鉴。


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结  语

圆形围堰内无横、纵向交错支撑,对承台钢筋和支撑应严格照施工工序进行,并同时进行监测工作,以确保支撑工程的施工安全。实践证明,本工程圆形钢板桩围堰方案设计科学、合理,结构安全可靠,施工方便,可为同类工程提供借鉴。



来源:《公路》

编辑整理:项 敏

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