軟弱地質(zhì)條件下鋼板樁圍堰安全性分析

蔣暉 李志勁 李沛洪

廣州市第二市政工程有限公司 510060

引言

承臺作為橋梁承受荷載的重要結(jié)構(gòu)之一，其施工是橋梁施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此需要對承臺施工進行質(zhì)量控制，其中鋼圍堰作為承臺施工的輔助設(shè)施需要得到必要的關(guān)注。眾多學者對承臺施工展開研究，例如黃松雄、張志安等對深水圍堰施工技術(shù)進行研究［1-4］，蔡曉男、戴良軍等對特殊地質(zhì)條件雙壁圍堰施工進行研究［5-10］。深大承臺施工越來越廣泛，隨著鋼圍堰施工出現(xiàn)的風險如鋼板樁變形垮塌、漏水現(xiàn)象時常發(fā)生［11-13］，作為承臺施工的先行環(huán)節(jié)鋼圍堰安全性值得深入研究。本文針對處于潮汐變化、淤泥質(zhì)砂和強風化泥巖的軟弱地質(zhì)條件鋼板樁圍堰進行安全性分析，采用有限元軟件建立鋼板樁圍堰，設(shè)置邊界、荷載、工況條件，分析危險工況條件下鋼板樁圍堰變形和受力特性，在計算結(jié)果滿足規(guī)范要求條件下進行圍堰施工，保證了工程的安全，為同類型項目施工提供經(jīng)驗。

1 工程及地質(zhì)概況

南浦三橋主橋跨越大石水道，寬約160m，河床底標高介于-0.86m ～2.42m。由于大石水道屬感潮河道，潮汐類型為不規(guī)則半日潮，每日有兩漲兩落，往復(fù)流明顯，其水位主要受潮流控制，河道水位標高介于4.36m ～6.04m 之間。主橋的8＃、9＃樁位河床標高分別為1.949m ～2.42m、1.865m ～2.215m 之間，漲潮時水深約2.5m ～4.2m之間，本工程主橋8＃軸至9＃軸樁基礎(chǔ)及承臺采用鋼平臺及鋼板樁圍堰施工。主橋8＃軸至9＃軸承臺尺寸9.1m×9.1m×4m，屬于大體積混凝土，鋼圍堰設(shè)計寬度12m × 12m，采用18mFSPIVa型密扣拉森鋼板樁，轉(zhuǎn)角異型密扣拉森鋼板樁，圍檁采用2＠45a 組合工字鋼，內(nèi)支撐采用平放2＠45a 拼焊工字鋼，斜撐采用2＠45a拼焊工字鋼，腳撐采用L75 ×8＠2000 角鋼，豎向斜撐采用160mm ×160mm 十字撐，鋼圍堰立面見圖1。

圖1 鋼圍堰立面（單位： mm）Fig.1 Elevation of steel cofferdam（unit：mm）

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，河床的地質(zhì)情況由上至下分別是：淤泥質(zhì)砂、強風化泥質(zhì)粉砂巖。各土層的工程力學性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 工程地質(zhì)情況Tab.1 Engineering geological condition

2 鋼板樁圍堰有限元模型建立

2.1 節(jié)點及單元模型簡化

采用Midas軟件進行建模，圍堰有限元模型單元簡化如下：鋼板樁采用厚度為13mm 板單元，劃分尺寸為500mm ×100mm；圍檁及支撐簡化為梁單元；封底混凝土簡化為1000mm 四邊形劃分的實體單元，采用線彈性本構(gòu)模型進行分析。圍堰模型見圖2。

圖2 圍堰模型Fig.2 Cofferdam model

2.2 邊界條件設(shè)置

鋼板樁底約束：一般支承DZ；封底混凝土底約束：一般支承D-all；圍檁與鋼板樁之間連接：一般彈性連接僅受壓SDX＝1000kN／mm；圍檁與承托牛腿之間連接SDX＝1000kN／mm，SDY＝10kN／mm，SDZ＝1000kN／mm，SRX＝0rad，SRY＝0rad，SRZ＝0rad。

2.3 荷載組設(shè)置

根據(jù)圍堰施工過程的各種工況，本模型共設(shè)置包括自重，第一、第二、第三、第四、第五道支撐（封底混凝土）設(shè)置時的水壓力，第三、第四、第五道支撐（封底混凝土）抽水開挖時的鋼板樁外側(cè)主動土壓力共九組施工荷載。其中，假設(shè)封底混凝土底下的坑內(nèi)被動土壓力和鋼板樁外側(cè)的主動土壓力相平衡。

2.4 工況設(shè)置

根據(jù)施工過程，確保圍堰在實施抽水和開挖河床土方過程中堰體安全穩(wěn)定，結(jié)合支撐的先后安裝順序，將圍堰分成11 個工況進行分析，如表2 所示。本文假設(shè)在承臺施工完畢后，將圍堰下方土壓力及水壓力轉(zhuǎn)換至橋梁承臺結(jié)構(gòu)，再實施墩柱施工。

表2 工況設(shè)定Tab.2 Setting of working conditions

續(xù)表

3 工況分析

工況分析主要關(guān)注鋼板樁圍堰變形及鋼結(jié)構(gòu)圍檁支撐的應(yīng)力變化，要求整個堰體水平變形小于作為二級基坑監(jiān)測規(guī)范要求。根據(jù)《深基坑工程設(shè)計施工手冊》規(guī)定二級基坑支護結(jié)構(gòu)最大水平位移允許值取Mmax＝0.005H＝0.005×18000 ＝90mm，其中H為圍堰高度取18m，為便于及時發(fā)現(xiàn)過大水平位移，取水平位移警戒值M警戒＝50mm。

圍堰施工過程中，最大風險在于抽水開挖過程，由于下層支撐未實施，增加的水壓力和土壓力導致圍堰本身變形，圍檁彎曲應(yīng)力、支撐軸力增加。通過使用有限元軟件，對風險的施工階段進行模擬計算，求出變形值和應(yīng)力值見圖3，用于結(jié)構(gòu)驗算與指導施工。

圖3 抽水開挖過程的力學計算結(jié)果Fig.3 Mechanical calculation results of pumping excavation process

經(jīng)建模計算分析，圍堰在各種工況下，水平最大變形f＝31mm ＜水平位移警戒值M警戒＝50mm，能滿足變形要求。圍檁及支撐最大軸力出現(xiàn)在封底混凝土層開挖及抽水施工過程，但由于各層安裝支撐的原因，圍堰壓力被較好地分散到二、三、四層支撐結(jié)構(gòu)上，使最后一次封底層開挖軸力沒有明顯增大，也較好地控制了圍檁及支撐的應(yīng)力，保證了承臺及墩柱施工安全。整個工況分析中，堰內(nèi)抽水及開挖至封底混凝土底標高時鋼板樁最大彎曲應(yīng)力控制σ ＝167MPa ＜215MPa，圍檁支撐的最大組合應(yīng)力σ ＝73.4MPa＜215MPa，均滿足Q235 鋼材215MPa 的應(yīng)力控制要求，受力情況如圖4 所示。

圖4 鋼板樁應(yīng)力情況Fig.4 Stress of steel sheet pile

根據(jù)圖3 和圖4，圍堰的安全系數(shù)有富余，變形及內(nèi)力均能較好地控制在安全范圍內(nèi)。圍堰的結(jié)構(gòu)布置能夠使各層圍檁和支撐較好地分擔水土對堰體的壓力，確保施工過程安全。

在計算過程中，計算結(jié)果呈現(xiàn)一定規(guī)律性：（1）最大支撐軸力始終發(fā)生在第二層圍檁支撐，下層增加的圍檁支撐較好地降低了上層圍檁支撐的壓力負擔；（2）鋼板樁圍堰在水頭壓力下，最大變形發(fā)生在二、三層圍檁支撐之間，因為鋼板樁入土有足夠深度，封底混凝土下方土層能夠提供足夠的土彈簧剛度，另外封底混凝土的強大剛度導致鋼板樁最大變形發(fā)生在圍堰基坑中上部，而不是土壓力及水壓力最大的圍堰基坑下部；此外在施工過程中，需要注意圍堰中上部的止水封堵，可以采取潛水員用止水布塞堵鋼板樁鎖扣的辦法提升鋼板樁止水效果。

4 鋼圍堰整體穩(wěn)定、抗管涌及抗浮分析

4.1 整體穩(wěn)定性

整體穩(wěn)定性采用瑞典圓弧滑動面條分法，土條寬度為0.40m?；衙鏀?shù)據(jù)：圓弧半徑R＝12.913m，圓心坐標X＝ - 1.341m，圓心坐標Y＝9.615m。經(jīng)計算整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks＝3.517 ＞1.30，滿足規(guī)范要求。

4.2 抗管涌穩(wěn)定性驗算

基坑以下有50m 以上不透水強風化泥巖，K＝γD／hwγw＝50 ×20.000／117.200 ＝8.53 ＞Kh＝1.10，基坑底部土抗承壓滿足要求。其中：γ 為承壓水含水層頂面至坑底的土層天然重度（kN／m3）；D為承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度（m）；γw為水的重度（kN／m3）；hw為承壓水含水層頂面的壓力水頭高度（m）；Kh為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，取值1.10；K為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)計算值。

4.3 基坑抗浮驗算

在圍堰內(nèi)抽干水而承臺混凝土未澆筑情況下，封底混凝土能克服水浮力而不上浮，不考慮鋼板樁與河床土層的摩擦力，需滿足G＝G1＋G2＋G3≥F＝hγ水（S-4S′）。其中：G1為鋼板樁圍堰自重（包括鋼板樁＋56a工字鋼圍檁、斜撐、對撐）；G2為封底混凝土重量＝tγ混凝土（S-4S′）；G3為封底混凝土與樁身混凝土的黏著力，取偏小值0.3MPa；S為圍堰底面積；S′為樁的截面積。經(jīng)計算：G＝3099t，浮力F＝1929.6t，安全系數(shù)K＝G／F＝3099／1929.6 ＝1.61 ＞1.2，故圍堰抗浮是安全的。

5 鋼圍堰施工流程

在各工況受力滿足安全性要求情況下進行鋼圍堰施工，步驟如下：

（1）當樁基礎(chǔ)澆筑完成后，拆除局部樁基礎(chǔ)施工鋼平臺，用汽車式起重機振打18m密扣拉森鋼板樁FSPⅣ型，形成密封的鋼板樁圍堰，堰內(nèi)抽水至首層支撐底標高，在鋼護筒上面伸出鋼托架，安放、拼裝焊接第一道鋼圍檁，鋼圍檁頂面標高6.80m。并且在鋼板樁圍堰的迎水面水位標高（＋7.60m）下標高為＋5.00m 處設(shè)置導流管法蘭及法蘭開關(guān)，用于后期堰內(nèi)進水。

（2）在鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)邊長12m等分設(shè)5道鋼托架，將鋼圍檁由支承在護筒上的托架轉(zhuǎn)移至支承在鋼板樁內(nèi)側(cè)的托架上。低水位時，拆除護筒上的鋼托架，切割、吊離鋼護筒至標高＋6.15m。利用每日河流兩次漲退潮低水位在＋6.15m 以下時，安裝第一道鋼圍檁內(nèi)側(cè)的首道鋼支撐。

（3）當?shù)谝坏纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標高＋3.50m 處，繼續(xù)切割移走鋼護筒至＋3.50m，然后安裝第二道鋼圍檁和內(nèi)支撐（標高＋4.00m）。當?shù)诙绹鷻_和內(nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后（圖5），打開＋5.00m 處導流管法蘭開關(guān)，讓河水回流到圍堰內(nèi)，當圍堰內(nèi)外水位持平后，開始帶水開挖圍堰內(nèi)土方至-5.8m。關(guān)閉導流管，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到＋0.7m 處，繼續(xù)切割移走露出水面的鋼護筒至＋0.7m處，在鋼板樁上面焊接托架，然后安裝第三道鋼圍檁和內(nèi)支撐（標高＋1.5m）。當?shù)谌纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到標高-1.6m處，繼續(xù)切割移走露出水面的鋼護筒至- 1.6m，在鋼板樁上面焊接托架，然后安裝第四道鋼圍檁和內(nèi)支撐（標高-0.11m）。當?shù)谒牡纼?nèi)支撐安裝調(diào)試完畢后，用C35 混凝土進行1m厚素混凝土封底。當封底混凝土強度達到設(shè)計要求后，用抽水泵將圍堰內(nèi)積水抽到封底混凝土頂面-3.32m處，完成最后的鋼護筒切割和清除以及下一步的主墩承臺施工。

圖5 鋼圍堰施工Fig.5 Construction drawing of steel cofferdam

6 結(jié)語

本文針對軟弱地質(zhì)條件鋼板樁圍堰的安全性，結(jié)合工程實例，采用有限元軟件建立鋼板樁圍堰模型，設(shè)置邊界、荷載、工況條件，分析危險工況條件下鋼板樁圍堰變形和受力特性，得到圍堰在各種工況下水平最大變形小于水平位移警戒值，圍檁及支撐最大軸力發(fā)生在工況封底混凝土層開挖及抽水施工時。圍堰安全系數(shù)有富余，各層圍檁和支撐能夠較好地分擔水土對堰體的壓力，圍堰整體穩(wěn)定、抗管涌及抗浮滿足規(guī)范要求，能夠確保圍堰施工安全。