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桥梁深水基础施工技术

来源:小奈知识网
科技信息 榀梁流水基础胞工技术 中铁十七局集团有限公司 孙爱义 [摘 要]新建南京至杭州铁路长兴特大桥跨越一条城市主航道:李湖南线,主跨长度为80m。铁路与航道之间夹角为33度.在水面上 投影长度为69 3m。李湖南线拓宽规划为河底宽4()m,河底高程一1.84m,设计水位3 99m,通航水位2.66m,主墩558 、559 墩承台处平 均水深5 83m,处于航运发达的V级航道,承台基坑开挖施工难度大、技术含量高、安全隐惠大。 [关键词]桥梁 深水基础 施工技术 1.工程概况 t抖 卿 第一 支抒 “ I剖 新建南京至杭州铁路长兴特大桥跨越一条城市主航道:李湖南线, 主跨长度为80m。铁路与航道之间夹角为33度,在水面上投影长度为 69.3m。连续梁设计采用(48+80+48)m一联三跨结构,全长177.7m。 558 、559 墩为跨越李湖南线大桥主墩,且均位于河道边侧,见下图l、图 2;主墩主墩基础为15根钻孑L桩,桩径1.5m,设计桩长为65.5m。主墩承 台分二层,下层大承台尺寸为10.4m×18.2m×5.5m矩形承台,上层小承 台尺寸为6m×11m×1.5m矩形承台,558 下层大承台底标高一8.526m,顶 标高一3.026m,上层小承台顶标高为一1.526m;559 下层大承台底标 高一7.070m,顶标高一1.570m,上层小承台顶标高为一0.070m。 图1深水墩台与航道平面位置图 同2深水墩台处航道 李湖南线拓宽规划为河底宽40m,河底高程一1.84m,设计水位 3 99m,通航水位2.66m,主墩558 、559 墩承台处平均水深5.83m,处于 航运发达的V级航道,承台基坑开挖施工难度大、技术含量高、安全隐 患大, 2.钢板桩围堰布置 558 、559 主墩基础拟采用钢板桩围堰法施工。钢板桩采用拉森Ⅵ 型,材质为SY295,长度为20m。 558 、559 墩钢板桩嗣堰平面尺寸均为2O.4×13.2m.共设置三道内 支撑. 558 墩同堰顶高程为+46m,嗣堰底高程为一15.4m,封底混凝土 厚度为2.5m 559 墩围堰顶高程为+5.6m,围堰底高程为一14.4m,封底 混凝土厚度为2.0m。 下面拟以558 墩为例,对钢板桩围堰的施工进行详细叙述。钢板 桩同堰具体布置如下图3: 蝮立面图 #似 + l m 』 ∽ 二 囊 l辑 锅 搏王点曼十2蜘 ’。 *  .i # ll。 ■ —F1 墨 2呖H鹕蟾j 6 研一l I章{ 碴鲞蔗鞲  ,南☆旌杯岛一 026m 螽-; - 封域缱底酥岛9 52晰 -———430--—— 图3钢板桩围堰布置图 3.钢板桩围堰检算 3.1基本参数及计算假设 3.1.1土层参数 根据提供的地质资料报告,取值如下: 表1土层参数取值表 序号 土层名称 土层顶 土层底 容重 内摩擦角 粘聚 标高(m) 标高(m) (kNhn ) (。1 (kPa) l 淤泥 一1.5 —11.1 l8.5 5.77 7 57 2 粉质粘土 一l1.1 —15.1 19 1 14.8 46.5 3.1.2围堰计算参数表 表2围堰计算参数表 墩号 计算水位 同堰顶标高 围堰底标高 承台底标高 河床标商 558 +2.6 +4.6 —15.4 -7.026 —1.5 3.1.3钢板桩截面参数 X × 图4 表3钢板桩截面参数表 Dimensions Per Liner Meter of Wall Width Height Thickness Sectional Moment of Sec[Ion Section Type Area Inertia Modulu B H t A IX ZX mm mm mm cm2/m cnl /m (1in /m SKSP—SX27 600 210 l8 225.5 56700 2700 3.1.4计算假设 考虑封底砼顶面存在浮浆,假设围堰内抽光水后封底砼对钢板桩 支撑点位于封底砼面以下50era。 3.2围堰钢板桩及内支撑计算 3-2.1主、被动土压力计算 目前,应用较为普遍的土压力计算公式主要有库仑土压力公式和 朗肯土压力公式。库仑理论假设粘聚力c=0,考虑了墙体与土体之间的 摩擦作用,并考虑了墙体的倾斜,但对于粘性土必须采用等代摩擦角, 层状土需简化成匀质土才能计算;而朗肯土压力理论不论对于砂性土、 粘性土、匀质土或层状土均可适用,也适用于地下水及渗流效应的情 况。但由于没有考虑墙体与土体之间的摩擦力,使得主动土压力偏大, 被动土压力偏小,在采用等值梁法计算时,需将被动土压力加以提高修 正。 计算结果如下 r --4~~ n~ —M  }~一一… 一、、\ 一 t :: 一 / ~~ / / 变形图 { \ \、 \ 一 蚕 \  、\ \ \ 一 ~。 一 / / …/ / 一~一 ~一 器四r一 朗肯土压力公式:主动土压力:Pa=Kayh一2c√K口被动土压力: Pp=K 7h+2c Kp, 其中:Ka=tg2(45一 ) Kp=tg2(45+吾) 考虑到墩位处地质为透水性较强的淤泥层、粉质粘土层,水压力计 一 1// 一 睡 算时采用水土分算法(即土压力为按土的浮容重计算的有效土压力与 土体间孔隙水的水压力之和)。 表4主、被动土压力系数及被动土压力修正系数表 序号 土层名称 Ka √K Kp √ K 1 淤泥 O_817 0.904 1.224 1.106 1.12 2 粉质粘土 0.593 0.770 1.686 1.299 1_38 主动土压力计算 在计算各高度点的土压力时,因在土层分界处 、c的不同,故分 (上)、(下)。 Pa(+2.6m)=0 Pa(一1.5m1=Kayh一2c√K“+7水h=10×4.1=41 kN/m pa(一11.1m)上=Ka7h一2c√K口+y水h=O.817×8.5×9.6—2× 7.57×0.904+10×13.7=53+137=190 kN/m pa(一11.1m)下=Ka7h 2c√K口 7水h=0.593×8.5×9.6—2× 46.5×0.770+10×13.7=0+137=137 kN/m Pa(一15.1m)=Kayh一2c√K +7水h=O.593×(8.5×9.6+9.1× 41—2×46.5×O.770+10×17.7=0+177=177 kN/m 3.2.2内支撑及圈梁应力计算 取上述工况计算中每道支撑的最大受力值作为支撑设计荷载,围 堰内支撑圈梁采用H588型钢,支撑采用I 45和 630x10钢管,材料截 面参数如下表: 表5材料截面参数表 截面参数 A(mm ) Ix(mm ) ly(mm ) Wx(mm ) Wy(mm ) HW588截面 19250 l1 800OO0o0 90200000 4013605 601333 2HW588截面 38500 2360000000 1046601659 8027210 3488672 2 I 45 22200 675200000 17880000 30【砌000 236000 630x10钢管 19477.9 936155320 936155320 2971921.7 2971921.7 第一道内支撑受力较小,作为钢板桩的插打导向,需要有足够的刚 度,在此就不作详细计算,第二、i道内支撑结构布置相同,取受力较大 的第二道内支撑进行计算。 取第二道内支撑采用MIDAS 2006建模如下: 图5 弯矩图 , 叫 一 =。 剪力图 辩 l l 岁《l  — 彰赫一 一 磊 轴力图 鸶 ∥ 圈睡 陵 组合 宴… 矿/ 、 一 ~ 应力图 l i lt ̄m ~- 由计算可知:圈梁2H588型钢的最大组合应力为132.1MPa,支撑型 钢2 I 45b最大组合应力为137.4MPa,支撑钢管中630—10的最大组合应 力为122.6MPa,均满足要求1 3.3围堰整体抗浮验算 3.3.1计算参数 封底混凝土有效计算厚度2.0m,围堰尺寸:20.4m×13.2m; 桩基外径为1.5m,共15根; 钢与 昆凝土、混凝土与混凝土粘结力:一般取100~200kN/m。,这里 取120 kN/m : 混凝土容重:23kN/m ; 围堰封底混凝土底标高:一9.526m; 7J(的 孚力P=J0g缸=1000×9.8×12.126×(20.4×13.2—15×3.14× O.752)=2885.it 封底砼自重G=p =2-3×(20.4×13.2—15×3.14×0.752)×2.0= 11】6.8t --——431--—— 技信息 封底砼与桩基的粘聚力N1=2 x 3.14 X 0.75 X 2.0×12×15=1695 61 封底砼与钢板桩的粘聚力N2=(20.4+13.2)×2 X 2×12=1612.81 G+Nl+N2=1 l l6.8+1695.6+1612.8=4425.2 t 在工况二下围堰内抽水、吸泥至一3.3m标高时,围堰内外水头差为 5.9m,可能发生管涌或流砂现象,因此需对此: :况下基坑底进行管涌验算。 围堰内不发生管涌的条件为: K: y叫 则抗浮安全系数为: K=(G+NI+N2)/P=4425.2/28851=1.5>1.1,抗浮满足要求1 3.3.2护筒粘结力验算 取3.9m X 3.9m的一个区域内护筒承受的剪力为: Q=[1o X 12 126—23 X 2.0】X(3.9×3.9—3.14×0.752)=101 1.8kN T=Q/A=101 1 8/(2.0×2×3.14 X 0.75)=107.4 kN/m ̄,护筒粘结力满足 ≥t.5 在工况二下: K:—x85_43(5.9+ 2 x 12.1).≥1.5,满足要求1 0. ^JU 4.钢板桩围堰施工方案 要求1 3_33封底混凝土托应力 封底砼按承受均布荷载的三边简支、一边固定的面板结构计算。 作用荷载:p=10 X 12.126—23×2.0=75.26 kN/m Mx:0.0319 0l :0.03l9×75.26×3.9 2:36.5kN.m Mv:0.0243 0 0:0.0243 X 75.26 X 3.92:27.8kN.m W,=w 3900x2000z ——=2.6×l09mm ̄ M 。 一 :2.6×10 0.014MPa<[(丁]:0.65MP ,混凝土拉应力满 ’ 足要求1 3-4基坑底土抗隆起验算 在_丁况三下围堰内吸泥、清淤到一9.526m标高时,需验算坑底的承 载力,如承载力不足,将导致坑底土的隆起。 本工程基底抗隆起计算参照Prandtl(普朗德尔)和Terzaghi(太沙 基)的地基承载力公式,并将桩墙底面的平面作为极限承载力的基准 面,承载力安全系数的验算公式如下: z 式中 ——、 按Prandtl公式时, Nq—tan。(45 + /2).e ,』v=(Nq一1)/tan ; c——土的粘聚力(kPa); 由——土的内摩擦角(。); y——土的重度(kN/m ); g——支护结构人土深度(m); h——基坑开挖深度(m); q——地面荷载(kPa)。 图6 对于工况三进行验算, 基地土层加权平均值为: ),一18.9kN/m 一12.250 Nq=tanZ(45+奚)P M:3.05 [ (L、崎1)/tan :9.43 Nfc_LN !yr 9 43x 兰墨:曼±兰:Q曼 量:望 :璺Z =y(h+f)+g一8 9×f8.026+5.874) 4>1.2,满足抗 隆起稳定性要求1 3.5基坑底管涌验算 图7 -——432・-—— 4.1插打钢板桩前的准备工作 (1)每个墩的钻孔桩完成后,对钻孔平台进行整改、加固; (2)对河床进行清理:在桩基施J-完成后 利用挖机对嗣堰范同内 进行清理,避免在钢板桩插打位置遇到障碍物; (3)钢板桩变形检查:因钢板桩在装卸、运输过程会出现撞伤、弯扭 及锁口变形等现象,因此,钢板桩在插打前有必要对其进行变形检查。 对变形严重的钢板桩进行校正并做销口通过检查。锁口检查方法:用 一块长约2m的同类型、同规格的钢板桩作标准,采用卷扬机拉动标准 钢板桩平车,从桩头至桩尾作锁口通过检查,对于检查通过的投人使 用,不合格的再进行校正或淘汰不用。钢板桩的其它检查:剔除钢板桩 前期使用后表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤; (4)振动锤检查:振动锤是打拔钢板桩的关键设备,在打拔前一定 要进行专门检查,确保线路畅通,功能正常,振动锤的端电压要达到 380V--420V,而夹板牙齿不能有太多磨损; (5)涂刷黄油混合物油膏:为了减少插打时锁口间的摩擦和减少钢 板桩围堰的渗漏,在钢板桩锁口内涂抹黄油混合物油膏。 4.2钢板桩围堰的捕打 钢板桩插打利用50t浮吊作为起吊设备,配合DZ90型振动锤的施 _[方法逐片插打。 (1)安装钢板桩插打导向:钢板桩插打之前,在钻孔桩外侧的钢护 筒上焊接牛腿,安装第一道支撑圈梁,作为钢板桩插打时的导向架,以 控制钢板桩的平面尺寸和垂直度; (2)为了确保每一片钢板桩插打准确,第一片钢板桩是插打的关 键,在插打前5根钢板桩前,先按钢板桩宽度在圈梁上画出每根钢板桩 的边线,然后在圈梁上焊接长约4m的导向桁架(如图8),在导向架上、 下边上设置限位装制,大小比钢板桩每边放大lem,插打时,钢板桩桩 背紧靠导向架,边插边将吊钩缓慢下放,这时在相互垂直的两个方向用 锤球进行观测,以确保钢板桩插正、捕直; 铜板桩 腿 井导向 一 \第一道支撑 图8钢板桩导向桁架图 (3)通过检测,确定第一片钢板桩插打合格后,然后以第一根钢板 桩为基准,再向两边对称插打每一根钢板桩到设计位置。整个施T过 程中,要用锤球始终控制每片桩的垂直度,及时调整; (4)每一片钢板桩先利用自重下插,当自重不能下插时,才进行加 压: (5)钢板桩插打至设计标高后,立即与导向架进行焊接,以抵抗水 流冲 . (6)插打过程中,需遵守“插桩正直,分散即纠,调整合拢”的施下要 点。 4.3围堰内抽水、吸泥、安装内支撑及水下封底 (t)钢板桩插打完成后,吸泥、抽水至一0.2m,在+O.6m处安装第二道 内支撑; (2)继续吸泥、抽水至一3.3m,在一2.5m处安装第三道内支撑; (3)向围堰内注水至围堰外水位,水下吸泥、清淤至一9.526m; (4)为保证封底砼的厚度及封底砼与钢护筒、钢板桩间的粘结力, 在浇筑水下封底砼前,派潜水员对河床底进行找平,并将封底高度范嗣 内的钢护筒、钢板桩冲洗干净,对局部不能冲洗干净的,采用钢刷刷净; (5)搭设封底平台、布置封底砼导管,水下浇注封底砼; 水下吸泥、清淤到设计标高后,即可进行水下封底砼施1二,封底砼 标号为C25,封底厚度为2,5m。 4.3.1封底砼导管的选择及布置 . (1)导管采用qb325mm钢管。导管在使用前须进行水密试验,导管 (2)向围堰内注水至一0.2m,拆除第二道内支撑; 安装时,每个接头需预紧检查,下放固定时,导管下口悬空15~20cm。 (3)继续向围堰内注水至围堰外水位,拆除第一道内支撑; (2)导管的布置、固定利用原先的钻孔平台,每根导管的作业半径 (4)依次拔出钢板桩; 按4m考虑,则每个墩需布置8套导管。 (5)钢板桩拔除方法:先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动lmin~ 4.3.2封底砼的浇注 2rain,使钢板桩周围的土松动,产生“液化”,减少土对桩的摩阻力,然后 (1)封底砼需一次性浇注先成。砼采用后场拌合站集中拌制,由砼 慢慢的往上振拔,拔桩时注意桩机的负荷情况,发现上拔困难或拔不上 罐车运至现场并通过汽车泵泵送。 来时,停止拔桩,可先行往下施打少许,再往上拨,如此反复可将桩拔出 (2)首批砼灌注时,先用10方集料斗储料,待储料斗满后,拔球浇 来。 注首批砼,首批砼浇注后,导管埋深应不小于0.6~0.8m。砼浇注前,在 7.钢板桩囤堰施工中的安全措施 每个导管处布置--lb型门架,在门架上挂上倒链。砼浇注过程中,导管 为确保施工中的安全,在进行钢板桩围堰施工时,必须将安全工作 应随砼面的上升而提升,导管的提升由倒链控制。 放在首位,预防为主,在施工过程中应注意如下几点: (3)封底砼的浇注顺序:先低处,后高处(先将低处砼灌高,避免高 (1)对操作人员进行安全思想教育,提高操作人员安全意识,实行 处灌注的砼往低处流,使导管底口脱空而进水或导管埋深过浅)。砼的 培训持证上岗制度,不经培训或无证者,不得进行上岗操作; 浇注应先从一侧向另一侧进行,并确保砼的表面大致水平。 (2)建立好钢板桩安全管理制度,完善好安全管理体制,编制好钢 (4)在砼的浇注过程中,由技术人员负责测量砼的浇注高度和砼扩 板桩安全施工应急方案; 展情况,正确指挥施工人员调整导管的埋深,并及时与实验室联系控制 (3)用吊车进行水平和垂直起吊时,对吊车起吊能力和吊起后是否 砼的坍落度。 稳定进行实测,保证在起吊时安全可靠,防止发生意外安全事故; (5)砼浇注将近结束时,重点对导管与导管的中心处、护筒四周及 (4)在钢板桩插打过程中,要设专人指挥,避免人多时乱指挥,出现 钢板桩壁等部位进行高程的测量,确保砼面的标高达到设计要求。 意外安全事故; (6)由于浇注水下封底时,砼表面无法达到比较平整的要求,所以 (5)在钢板桩围堰开始抽水时,要派人定时进行观检,时刻注意并 在砼浇注时,将砼顶面标高控制在设计标高下20cm左右,待砼达到强 记录钢围堰变化情况; 度,围堰内抽水后,再补浇20era砼垫层。 (6)钢板桩围堰内支撑一定要按设计进行施工,施工焊缝一定要牢 (7)待水下封底砼达到设计强度后,抽除围堰内的水,浇注砼垫层, 固,断面尺寸和数量要符合设计要求; 并在围堰四周作积水坑。在钢围堰抽水过程中,设置专人观察钢围堰 (7)对所有滑轮和钢丝绳每天进行检查,特别是要注意滑轮的轴和 变形情况。 钢丝绳摩损情况,危及安全的要及时维修、更换。 5.承台、墩柱施工 8.结束语 (1)抽出围堰内的水后,切割护筒、凿除桩头、绑扎钢筋、安装承台 目前中铁十七局对于桥梁深水基坑施工的技术还不成熟,大多数 模板、浇注承台砼; 工程项目依靠外聘专家制定方案,本项目经过充分论证及深入研究调 (2)承台施工完成后,进行墩柱及墩旁支架的施工。 查,结合施工实际情况采用20m拉森Ⅵ型钢板桩进行围堰施工,同等条 6.围堰的拆除 件下与钢套箱比较,节约了材料投入、降低了施工成本、加快了施工进 (1)下层承台模板拆除后,向钢板桩与承台间内回填细砂并在顶部 度,安全便捷的完成了施工,桥梁深水基础施工技术还是个难题,有待 浇注30cm厚C30砼圈梁,拆除第三道内支撑,施工墩身及O 块托架; 于我们去进一步探索、去总结经验。 (上接第429页) 成的注浆系统对土层进行分次注浆。通常,每一个 水地层,加固方案采用单排素桩+袖阀管注浆,盾构顺利始发。 工程的地质条件、颗粒粒径、透水性和不同地层之间交互层叠。由于不 6.结语 均匀地层的各层透水性不同,通过注浆所达到的效果也不尽相同,有针 北京位于燕山山脉的山前冲积平原,地质情况相对稳定,施工安全 对性地对注浆地层进行分析,在可注性好的地层进行针对性注浆,不同 具有一定保证,但盾构始发、接收加固区的效果依然不容马虎,经过积 的地层采用不同的注浆材料。有效地填补地层的空隙,使地层得到有 累,作者对在北京常用的几种加固方法的适应性进行了小结,列表如 效的加固处理,达到设计要求。使地层特性达到同性化,并可以通过二 下。 次注浆弥补注浆缺陷。二次注浆时要注意注浆材料的浸透性,注浆速 表2北京常用加固方法分析表 度也要有所重视。 序号 加固方法 适用地层 适用深度 成本 根据规范要求,结合工程类比,初步确定加固帷幕设计参数如表1, 具体施工参数根据现场试验进行局部调整。 单(重1管 砂层、淤泥、粉土、粘土层 ≤20m 低 4.2I3浆液配合比设计 1 加固法 旋喷桩 双(重)管 砂层、淤泥、粉土、粘土层 ≤20m 中 注浆浆液采用素水泥浆,配合比采用水泥:水:1:1,水泥采用 P.0.32.5普通硅酸盐水泥。 三(重)管 砂层、粉土、粘土、砂砾层 ≤20m 高 43素桩加固法 2 深层搅拌桩加固法 淤泥、粘土层和砂层 ≤15m 低 北京地铁l0号线二期草桥站~纪家庙站区间地层以砂卵石为主, 注浆加 袖阀管 砂质地层、砂砾层 ≤40m 中 卵石层较密实,含水介于湿~饱和之间,压缩性低,级配连续,磨圆度中 3 固法 水平注浆 富水砂层、粉土层 , 由 等,一般粒径2~7cm,最大粒径大于10cm,细中砂充填25~35%,局部 夹细砂薄层,局部含漂石,盾构拱部分布一层厚度1.5~2m的粉细砂 4 素桩加固法 各种地层 ≤40m 低 层。 5 素桩+注浆 各种地层 ≤40m 中 静止水位埋深约24.70~26.6O,盾构开挖范围无水。 盾构始发或到达前,必须充分掌握工作井洞口周围地层的土质情 素桩采用两排(b 1000@1000,梅花型布置,为保证桩间咬合,采用 况,明确各层土的主要物理力学性能指标。根据各种土层的特性,认真 顺序施作,混凝土采用clO。 分析不同的施工方法,预测可能发生出洞和进洞施工时的复杂变化,施 5.新方法的选择 工单位对地层的判断和加固工法的选取非常关键,方法的选择直接关 上述的几种加固方法,针对不同地层都有各自的优势,但单一方法 系到端头加固的效果及盾构始发与接收的成败。 的运用,不一定能很好的解决具体问题,因此有必要将若干加固方法结 合运用。究竟采用一种工法还是多种工法相结合,主要取决于地质情 参考文献 况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。同 [1]陈馈,洪开荣,吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版 时考虑安全性、施工方便性、经济性、进度等。 社,2009 在北京地铁工程中,多种方法结合使用,相互弥补单一方法的缺 [2]江玉生盾构始发与到达——端头加固理论研究与工程实践 陷,形成补强,保证了盾构施工的安全。 [M].北京:人民交通出版社,2011 北京地铁10号线二期纪家庙站~樊家村站区间盾构从纪家庙站 [3]JGJ94—2008,建筑桩基技术规范[s] 始发,始发端地层以含砂的砂卵石为主,卵石一般粒径2~7cm,且为无 [4]jGJ120-1999,建筑基坑支护技术[s] ・-——433---—— 

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