陡河2號(hào)特大橋陡河水庫(kù)段鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

馮樂(lè)平

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建福州 350014)

1 概況

1.1 概述

新建津秦鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)陡河2號(hào)特大橋起點(diǎn)里程DK153+ 902.6，終點(diǎn)里程DK163+917.24，中心里程DK158+909.92，線(xiàn)路主要在唐山市灤縣境內(nèi)，線(xiàn)路全長(zhǎng)10 015 m。其中DK156+140～DK156+477段線(xiàn)路經(jīng)過(guò)唐山市陡河水庫(kù)，DK158+610～DK158+ 690段經(jīng)過(guò)唐山市陡河水庫(kù)支管灣河，均為水源二級(jí)保護(hù)區(qū)。

水中墩為69號(hào)～79號(hào)、143號(hào)～144號(hào)計(jì)12個(gè)，均為低樁承臺(tái)鉆孔樁基礎(chǔ)，承臺(tái)最大厚度為3.5 m。

1.2 工程條件

水庫(kù)蓄水變化-2 m～+4.5 m，其中每月中期為高水位，最高水位為+4.5 m。水中段上覆砂礫層、卵石土層，下伏花崗閃長(zhǎng)巖，地質(zhì)較穩(wěn)定但滲流較大。

1.3 方案選擇

目前，圍堰主要有以下幾種:土石圍堰、木質(zhì)圍堰、鋼板樁圍堰、混凝土圍堰、鋼套箱圍堰以及鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)圍堰。針對(duì)橋墩處承臺(tái)埋深低、水位高的特點(diǎn)，土石圍堰、木質(zhì)圍堰不適合使用。混凝土圍堰自重大、不便于吊裝或浮運(yùn)且較不經(jīng)濟(jì)，混凝土圍堰方案難以實(shí)施。鋼套箱圍堰以及鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)圍堰施工工藝復(fù)雜，組拼、下沉工期長(zhǎng)且不經(jīng)濟(jì)，也不適合使用。由于河床覆蓋層厚、基巖面低，承臺(tái)底距基巖面均在20 m以上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采取施工簡(jiǎn)單、快捷、成本較低的鋼板樁圍堰。

2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)原則

1)根據(jù)施工水位、承臺(tái)底標(biāo)高和水壓力、土壓力大小情況，確定鋼板樁類(lèi)型與樁長(zhǎng);2)圍堰頂面應(yīng)高出施工期間最高水位0.5 m～0.7 m;3)圍堰內(nèi)面積應(yīng)滿(mǎn)足基礎(chǔ)施工空間(主要由基礎(chǔ)尺寸決定)的要求。

2.2 設(shè)計(jì)思路

常規(guī)思路是鋼板樁打設(shè)完成，邊開(kāi)挖、降水邊安裝內(nèi)支撐?？紤]到橋墩處地質(zhì)為透水層、滲流較大，未水下封底進(jìn)行降水施工難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)根據(jù)蓄水特點(diǎn)，可先封底后趁低水位安裝最下層內(nèi)支撐，從而實(shí)現(xiàn)承臺(tái)一次澆筑施工。因此設(shè)計(jì)思路為:鋼板樁打設(shè)合龍→低水位安裝第一、二道內(nèi)支撐→鋼板樁設(shè)置連通孔→不排水開(kāi)挖至封底混凝土底面標(biāo)高→水下封底混凝土施工→最低水位安裝第三道內(nèi)支撐。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

以陡河2號(hào)特大橋陡河水庫(kù)河段69號(hào)墩為例，其他墩臺(tái)類(lèi)似。采取結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器檢算鋼板樁及內(nèi)支撐強(qiáng)度，Midas6.7.1有限元檢算封底混凝土強(qiáng)度。

2.3.1 設(shè)計(jì)資料

1)施工水位:高水位+4.5 m，一般低水位-0.5 m，最低水位-2.0 m;2)承臺(tái)底標(biāo)高為:-7.5 m;3)地質(zhì)情況:礫砂:-2.0 m～-13.0 m，深11 m，γ=1.95 t/m3，φ=30°;4)承臺(tái)尺寸:16.7 m× 12.2 m×4 m;5)鋼板樁圍堰平面尺寸:18.8 m×14.0 m，鋼板樁長(zhǎng)18 m，鋼板樁頂標(biāo)高+5.0 m，底標(biāo)高-13.0 m;6)鉆孔樁: 12φ2.0 m;7)鋼板樁:德國(guó)拉森Ⅳ，寬40 cm，W=2 370 cm3/m;8)型鋼:A3，［σ］=170 MPa，［σw］=180 MPa;9)封底混凝土:強(qiáng)度C20，厚2.0 m，彎曲壓應(yīng)力［σw］=7 MPa，彎曲拉應(yīng)力［σwl］= 0.4 MPa，粘結(jié)力［c］=0.67 MPa。

2.3.2 設(shè)計(jì)圖

平面圖見(jiàn)圖1，立面圖見(jiàn)圖2。

圖1 鋼板樁平面圖（單位：cm）

2.3.3 強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算

1)物理力學(xué)指標(biāo)。

根據(jù)《陡河2號(hào)特大橋工程地質(zhì)勘察報(bào)告》砂礫層物理力學(xué)指標(biāo):

圖2 鋼板樁立面圖（單位：cm）

2)檢算工況。

a.工況一:利用鋼護(hù)筒設(shè)置導(dǎo)向架打設(shè)鋼板樁。

因?yàn)閮?nèi)外覆蓋層及水位相平，鋼板樁荷載相等，不需檢算。

b.工況二:鋼板樁施打合龍，在低水位安裝第一、二道內(nèi)支撐后，鋼板樁在標(biāo)高0 m處設(shè)置連通孔保持內(nèi)外水位相平開(kāi)挖或抽沙至封底混凝土底標(biāo)高處，即-9.5 m。立面圖見(jiàn)圖3。

圖3 工況二立面圖（單位：m）

鋼板樁外荷載:

鋼板樁內(nèi)荷載:

求得D1=3.2 m(L=0.5+0.8+3.5+9.7+3.2=17.7 m＜18 m)。

鋼板樁強(qiáng)度:

c.工況三:封底施工完成后，待封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，待退到低水位時(shí)，放置8臺(tái)抽水泵同時(shí)抽水至-3.6 m標(biāo)高處，即第三道內(nèi)支撐以下0.8 m處。立面圖見(jiàn)圖4。

圖4 工況三立面圖（單位：m）

已經(jīng)封底，穩(wěn)定性免計(jì)算。

鋼板樁強(qiáng)度:

σ=31.2×105/2 037=1 532 kg/cm2＜2 600 kg/cm2(安全)。

d.工況四:第三道內(nèi)支撐安裝完成，封堵連通孔和鋼板樁堵水，抽水至封底混凝土頂面，進(jìn)行承臺(tái)施工。立面圖見(jiàn)圖5。

已經(jīng)封底，穩(wěn)定性免計(jì)算。

鋼板樁強(qiáng)度:

圖5 工況四立面圖（單位：m）

2.3.4 基底抗隆起檢算

封底前，鋼板樁內(nèi)外水位始終相平，h1=0。

得j=0。

K=γ浮/j→無(wú)窮大，基底不會(huì)隆起。

2.3.5 抗浮檢算

作用于封底混凝土底面的上浮力:

封底混凝土與鋼護(hù)筒間的粘結(jié)力，［c］=6.7 kg/cm2。

2.3.6 內(nèi)支撐選用

1)內(nèi)支撐反力。第一道內(nèi)支撐:q1=9.9 t/m;第二道內(nèi)支撐: q2=53.48 t/m;第三道內(nèi)支撐:q3=48.82 t/m。

2)計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

圖6 計(jì)算模型

3)計(jì)算內(nèi)力表格見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算內(nèi)力表

4)內(nèi)支撐選用。a.第一道內(nèi)支撐:支撐梁采用工字鋼2Ⅰ36a，支撐桿采用φ530×9 mm螺旋焊管。b.第二、三道內(nèi)支撐:支撐梁采用焊接工字鋼2Ⅰ450(400×16/400×25)，支撐桿采用φ630×10 mm螺旋焊管。c.計(jì)算應(yīng)力表格見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算應(yīng)力表 MPa

2.3.7 封底混凝土檢算

1)邊界條件。鋼板樁位置為砂礫層，較干凈，見(jiàn)圖7。而且進(jìn)行封底混凝土施工前封底混凝土段鋼板樁與鋼護(hù)筒潛水員用鋼絲刷清理干凈。封底混凝土與鋼護(hù)筒、鋼板樁內(nèi)側(cè)連接可似為固結(jié)。

圖7 邊界條件立面圖

2)封底混凝土底面水壓。

3)計(jì)算結(jié)果。封底混凝土最大彎拉應(yīng)力σWL=20.2 t/m2= 0.202 MPa＜［σwL］=0.4 MPa(安全)。

3 結(jié)語(yǔ)

陡河2號(hào)特大橋陡河水庫(kù)河段鋼板樁設(shè)計(jì)方案是結(jié)合蓄水水位標(biāo)高、河床標(biāo)高、河床地質(zhì)等多種因素決定的。經(jīng)實(shí)踐證明合理可行、極大的發(fā)揮了鋼板樁圍堰的優(yōu)勢(shì)，希望能為今后同類(lèi)型橋梁基礎(chǔ)施工提供有益借鑒。

［1］ 中鐵三院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.陡河2號(hào)特大橋設(shè)計(jì)圖(B段)［Z］.2008.

［2］ 中鐵三院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.陡河2號(hào)特大橋工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.2007.

［3］ 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)泰.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［4］ GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.