水中圆形钢板桩围堰施工技术

#南京长江隧道工程江心洲右汊大桥建设专题#收稿日期:20090717水中圆形钢板桩围堰施工技术乐早发(中铁十五局集团有限公司南京公司南京210019)南京长江隧道工程右汊大桥为独塔自锚式悬索桥,主塔基础(10号)在水中,为142.5m钻孔桩,桩长87m,主塔承台为八角形,横桥向总宽度20.7m,顺桥向总宽度19.226m,厚5m。结合工程实际,主塔承台采用圆形钢板桩围堰施工,圆满完成了承台的施工。水中承台圆形钢板桩围檩钢支撑合龙封底U445.4B100924539(2009)1020045206ConstructionTechnologyofRoundSteelSheetPileCofferdamUnderwaterLeZaofa(ChinaRailway15thBureauGroupCo.Ltd.,Nanjing210019,China)AbstractTheright2branchingbridgeofNanjingYangtzeRiverTunnelisaself2anchoredsuspensionbridgewithsingletower.Themaintowerbaseisinwaterwith142.5mboredpilesand872meterpiles.Themaintowerhasanoctagonalcap,whosecross2bridgewidthis20.7meters,cis2bridgewidth19.226metersandthickness5meters.Inlightofengineer2ingpractice,aroundsteelsheetpilecofferdamwasusedinthemaintowercapsandtheconstructionofpilecapwassuc2cessfullycompleted.Keywordsunderwatercaps;roundsteelsheetpile;cofferdam;steelbracing;closure;backcover1右汊桥梁主桥主塔基础(10号)采用142.5m钻孔灌注桩,按柱桩设计,桩中心距5.5m,桩长87m,桩身进入粉细沙层及16-1层弱风化粉砂质泥岩,入岩深度均不小于38m,主塔承台为八角形,厚5m,横桥向总宽度20.7m,顺桥向总宽度19.226m,承台底标高-0.655m,承台顶标高4.345m。承台封底混凝土厚2m。10号主墩基础设计在江中,墩位处水深4.5m,承台顶面距水面3m,需打设钢板桩围堰施工。主桥10号墩14根桩基直径大,入岩深,桩间距小,钻机摆放及钻孔顺序复杂,施工难度较大。地质概况:场地表层分布有/硬壳层0,顶部一般为素填土,上部为第四系全新统冲积流塑淤泥质亚黏土、亚黏土夹亚砂土、粉砂等,中部第四系全新统中密~密实粉细砂,下部上更新统砾砂;下伏白垩系/红层0。全部为不透水层。水文概况:历年最高水位为8.31m,最低潮位为-0.37m,平均水位在5~6m,施工水位按照6.5m,河床面标高为1~+4.5m,按照测时水位,墩位范围水深最深处在5m左右。受潮水影响,经监测,每天潮水影响水位0.5m。梅子洲右汊夹江水道为长江干流支汊航道,河身狭窄、弯曲,水流较缓,河床无冲刷。目前夹江水道已禁航,无运输船舶通行。10号主塔基础紧临临江子堤,选择在枯水期施工,以避开汛期。2目前水中承台施工可以采用筑岛围堰、有底套箱、无底套箱与双壁钢围堰及钢板桩围堰等施工方案,根据本工程桥位所处地层及地理位置、场地及水文条件、施工工期要求,选择圆形钢板桩围堰施工,其优点如下:施工周期短,施工所需设备、材料较少,操作简单,可大大提高施工效率。见图1。45铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009(10)#南京长江隧道工程江心洲右汊大桥建设专题#110(1)相对于双壁钢围堰具有如下优点:节约大量人力、物力,经济适用、操作简单、缩短工期。(2)相对于方形钢板桩围堰具有如下优点:结构受力稳定、安全可靠、经济适用。圆形钢板桩采用拉森Ô型钢板桩施工,材质Q345,按照长江枯水期施工水位+6.50m,钢板桩顶标高+7.0m。流速0.5m/s。承台顶面标高+4.345m,承台底面标高-1.655m(1m厚C20封底混凝土)。33.1考虑到钢板桩围堰施工围檩的宽度和浇筑承台工人的施工空间等各因素,钢板桩围堰为圆形,平面尺寸为直径25.100m。钢板桩采用德国LarssenÔ型,长度18.00m,钢板桩顶标高7m,底面标高-11m,钢板桩下端在封底砼底面以下8.345m。支撑钢管采用426@10mm螺旋焊钢管,定位桩长度根据现场地形情况确定。围堰从上到下设三道支撑,最上面一道为第一道内支撑,围檩为工400@20/550@20/400@20焊接工字钢,支撑中心线标高+6.50m,支撑钢管采用426@10mm螺旋焊钢管。第二道内支撑中心线标高为+3.70m,围檩为2工400@20/550@20/400@20拼成组合箱形截面,支撑钢管采用529@10mm螺旋焊钢管。第三道内支撑,围檩为工400@20/550@20/400@20焊接工字钢,支撑中心线标高+2.20m,如图2所示。246铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009(10)#南京长江隧道工程江心洲右汊大桥建设专题#3.23.2.1钢板桩所受主动土压力为E1=12@0.80@15.52@Ka-2@0.89@15.5@Ka=72.6-24=48.6(t/m2)E2=12@(0.80@8.345+4.6)@Ka@8.345-2@0.89@8.345@Ka=35.6-12.9=22.7(t/m2)主动土压力侧水压力为EW1=12@17.52=153.1(t/m2)EW2=12@8.3452=34.8(t/m2)钢板桩围堰所受被动土压力为E3=12@(0.8@8.345+4.6)@Kp@8.345+2@0.89@8.345@Kp=62.3+17.1=79.4tE4=12@0.8@142@Kp+2@0.89@14@Kp=103.8+28.7=132.5(t)被动土压力侧水压力为EW3=12@8.3452t=34.8tEW4=12@17.52t=153.1t所有力对桩底取矩,有k=E3@8.3453+E4@123+EW3@8.3453+EW4@17.53E1@15.53+E2@8.3453+EW1@17.53+EW2@8.3453=79.4@2.782+132.5@4.667+34.8@2.782+153.1@5.83348.6@5.17+22.7@2.782+153.1@5.833+34.8@2.782=1829.111304.26=1.401.3钢板桩围堰整体稳定。3.2.2封底砼采用C20,按四边固接双向板计算lx=3000,ly=5500,lxly=30005500=0.545,q=10.345-4.6=5.745(t/m2)W=16@300@2002=3@666667cm3查表得Mx=(0.03865+0.15@0.00542)@5.745@32=2.04(t#m)My=(0.00542+0.15@0.03865)@5.745@32=0.58(t#m)M0x=(0.03865+0.15@0.0571)@5.745@32=2.44(t#m)M0y=(0.0571+0.15@0.03865)@5.745@32=3.25(t#m)封底砼所受拉应力:Rmax=R0y=3.25@10000@1003@666667=0.016MPa[R]=0.4MPa3.2.3根据钢板桩的设计,围檩是圆形结构,在围檩内设置内支撑。为施工方便,将内支撑和钢护筒避开,以免施工内支撑时切割钢护筒。围檩为工字钢结构;支撑为钢管;内框架为工字钢结构,截面同围檩。根据钢板桩围堰的受力计算可知,围檩的受力如下。第一道围檩支撑:岸侧受力是4.8t/m,河侧受力是6.7t/m。第二道围檩支撑:岸侧受力是25.6t/m,河侧受力是12.9t/m。第三道围檩支撑:岸侧受力是21.1t/m,河侧受力是18.3t/m。从受力情况可以看出,钢板桩围堰内的围檩支47铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009(10)#南京长江隧道工程江心洲右汊大桥建设专题#撑承受河岸与河侧的不均匀压力,这是围檩受力的最不利工况。实际施工中,由于不均匀受力,钢板桩变形会达到内支撑的基本均匀受力。中心点作为无位移的边界条件。下面分别对三道围檩支撑进行受力检算。(1)第一道围檩支撑受力检算。岸侧受力4.8t/m,河侧受力6.7t/m。根据受力及结构模型计算可得:¹围檩最大应力是101MPa;º钢管支撑最大应力是34MPa。(2)第二道围檩支撑受力检算。岸侧受力25.6t/m,河侧受力12.9t/m。第二道支撑实际为两道围檩,单道支撑,只不过是紧挨在一起,根据受力及结构模型计算可得:¹围檩最大应力为186MPa,则单道围檩受力为93MPa;º钢管支撑最大应力为70MPa。(3)第三道围檩支撑受力检算岸侧受力21.1t/m,河侧受力18.3t/m。根据受力及结构模型计算可得:¹围檩最大应力为137MPa;º钢管支撑最大应力为39MPa。(4)内支撑钢管的受压稳定计算施工中将围檩上下节点间焊接起来,行成整体框架,那么支撑钢管的受压长度可按节点间长度计算,最长为7m。内支撑钢管直径为529mm,壁厚为12mm,根据计算,其回转半径为i=18.28cm,压杆按照两端铰接,则K=700cm/18.28cm=38.3根据钢结构设计规范,螺旋焊接钢管为b类压杆,折减系数查表得=0.905。从上面的计算可知,钢管撑杆的应力均在70MPa以下,进行折减后能够满足受力要求(若按25m自由长度计算,则K=2500cm/18.28cm=138,查表得=0.353,稳定折减应力为198MPa200MPa)。3.2.4每层内支撑内框架牛腿均焊接在钢护筒上,每层共4个牛腿。计算时忽略钢板桩牛腿的支撑作用。第二道内支撑的围檩是两层工字钢组合结构,其总重量是40,t钢管总重量是16,t因此第二道内支撑的总重量为56,t则每个牛腿的荷载为14t。牛腿采用两块钢板焊接,钢板厚度为16mm,采用双面角焊缝,焊缝高度为8mm,焊缝长度为25cm,则受力焊缝的总长度为100cm,即1000mm。焊缝抗剪受力,抗剪面积为1000mm@8mm@0.7=5600mm2。牛腿焊缝的剪切应力为140000N/5600mm2=25MPa[R]=100MPa。牛腿的设计能够满足支撑要求。当封底混凝土浇筑完成后,用300-10的钢管代替牛腿将三道内支撑直接支撑在封底混凝土顶面。三道内支撑的总重量为132,t那么每根钢管的支撑力是33t。支撑钢管的应力是:330000N/9111mm2=36MPa支撑钢管高度按5m计算,该钢管的回转半径是10.26cm,其柔度K=500cm/10.26cm=49,查表得=0.861。稳定折减应力36MPa/0.861=42MPan140MPa。综上所述,计算结果都满足要求。3.3钢板桩施工程序见图3。3.3.1按照设计图纸,首先插打定位钢管桩,焊接安装钢板桩插打内外导向框架,使钢板桩沿导向框架垂直打入。第一根定位钢板桩插打时,将钢板桩位置固定垂直后再进行插打,在插打过程中应及时认真地检查其垂直度。第一根定位钢板桩插打合格后,再在另一侧插打钢板桩,在施工中要求钢板桩插打垂直,分散偏差,有偏即纠,调整合龙。钢板桩插打前在锁口内涂黄油、填塞锯末等混合物用来止水;组拼钢板桩时,用油灰和棉花捻缝,以防漏水。插打时在桩头处加焊钢板,以保护钢板桩头。48铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009(10)#南京长江隧道工程江心洲右汊大桥建设专题#3钢板桩为圆形,钢板桩插打顺序为从第一根定位钢板桩开始,沿周长方向左右两侧同时进行。为