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锁口钢管桩围堰在城市水中桥梁的应用

作者: 文章来源:中国水运 日期:2016年02月17日

工程概况及地质情况

武汉藏龙二桥位于江夏区藏龙岛,横跨汤逊湖湖汊。藏龙二桥全长744.5m,桥梁分左右两幅。主桥为6#墩~11#墩,位于汤逊湖水中,基础均采用11根φ1.2m钻孔灌注桩基础,呈梅花形布置,顺桥向3排;承台为矩形承台,单幅承台尺寸均为11.2m×7.4m×3m。勘测期间测得湖水位标高18.60m,历史最高水位22.19m。

地质资料显示主墩处地质情况依次为:淤泥、粘土、含角砾粘土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。

围堰方案选择

1、围堰形式选择

根据现场施工条件,结合水文地质条件及水中承台的结构形式特点、工期等来进行围堰形式的选择。藏龙二桥是区重点工程,水上主墩施工是整座桥梁的控制工程,基础施工速度直接影响到上部现浇箱梁的施工进度,工程量大,工期紧张,要求桩基及承台的施工要在保证安全、质量的前提下,达到最短的工期。将钢板桩围堰与锁口钢管桩围堰进行比选:

钢板桩围堰:整体刚度小,容易变形。由于内支撑数量多,影响承台基坑的开挖及钢筋绑扎,给施工造成了很大的困难,不利于施工。由于墩位处不同位置地质情况差异较大,对地质较硬墩位采用钢板桩围堰入土深度达不到要求,且施工复杂,安全系数低。插打过程容易造成钢板桩变形,材料损耗大。

锁扣钢管桩围堰:加工制作简单快速,整体刚度大,不易变形,长度灵活选用。因内支撑少,围堰内施工空间大,可加缩短施工周期。设备式投入,可重复利用,材料回收利用率高,且根据地质情况可适当接长或截短,适用范围广,经济效果明显。

经过比较分析,锁口钢管桩围堰刚度大、安全程度高,地质情况适应性强,技术可行性强、施工周期短、经济环保,考虑藏龙二桥实际地质情况及工期,决定采用锁口钢管桩围堰。

2、锁口形式的选择

钢管桩的连接形式是设计中的重要步骤,既要考虑到施工方便,保证插打过程中定位的准确性,还要考虑到节约成本和止水效果,更重要的是刚度够大,不易变形,减少倒用过程中的维修。我们把工程中常用锁口形式进行了比较。

C-T型锁口:便于插打嵌合,各管桩之间链接牢固,锁口空隙大,便于填充止水材料。但是插打过程不能准确定位,不利于围堰合拢。

C-O型锁口:节省材料,增大锁口空间,利于填充止水材料。锁口强度小,插打过程中锁口部位容易破坏,锁口之间活动量小,不便于各管桩之间的微调,不利于合拢

考虑快速施工,围堰可多次倒用次数等原因,结合以上两种锁口形式的优缺点,重新设计了一种L-T型锁口。该锁口刚度较大,定位性好,利于插打和围堰合拢,且可多次倒用不易破坏。

钢管桩围堰设计及检算

1、锁口钢管桩设计

围堰按单幅设置,锁口钢管桩与承台净距83cm,距离围堰顶50cm设置一道内支撑,承台内支撑采用单根H588型钢。锁口钢管桩采用φ630*10mm螺旋钢管和角钢制作,每根桩长10.5m,桩底部50cm范围内设置防水锁口。

2、锁口钢管桩围堰检算

2.1设计参数的选取

钢管桩总长度为10.5m,清淤后实际入土深度为2.966m,粘土层为不透水,计算时取饱和容重20kN/m3,钢管桩入土深度范围内土层加权平均等效内摩擦角为19.5°。

被动土压力系数:

主动土压力系数:

2.2计算工况

工况一:内支撑已安装,吸泥完成,准备打垫层混凝土;

工况二:垫层混凝土施工完成,安装内支撑撑杆,抽干围堰内积水,准备施工承台;

工况三:承台施工完成,向围堰内灌水至承台下20cm处,拆除内支撑撑杆,准备施工墩身。

2.3钢管桩计算

2.3.1钢管桩入土深度计算

按工况一计算钢管桩入土深度,其它工况不控制入土深度。按下端为简支的自由支撑法检算钢管桩入土深度是否满足要求,1根钢管桩承受0.75m范围内的土压力和水压力。

A、当围堰外为主动土压力,围堰内为被动土压力时

围堰外侧压力、内侧压力对钢管桩绕内支撑点产生的转动弯矩分别为:

围堰内侧土、水压力抵抗钢管桩转动的安全系数为2.53,入土深度满足要求。

B、当围堰外为被动土压力,围堰内为主动土压力时

围堰外侧压力、内侧压力对钢管桩绕内支撑点产生的转动弯矩分别为:

围堰外侧土、水压力抵抗钢管桩转动的安全系数为3.78,入土深度满足要求。

由上述计算可知,当围堰内清淤完成,围堰在内外水土压力作用下的稳定性满足要求。

2.3.2钢管桩强度计算

在工况一中,钢管桩内外压力基本平衡,其强度不受此工况控制,故仅计算在工况二、工况三作用时的钢管桩强度,此时围堰外侧为主动土压力,假定钢管桩在垫层混凝土顶面往下0.5m处铰接,内支撑为只受压支座。

用Midas建立单根钢管桩计算模型,计算单根钢管桩在工况二和工况三作用时的弯矩和内支撑反力,计算结果如下表:

表1 钢管桩弯矩和内支撑反力

项目

工况二

工况三

钢管桩最大弯矩(kN.m)

128

108

内支撑反力(kN)

52

47

钢管桩最大弯曲正应力为:

钢管桩受力满足要求。

锁口钢管桩围堰的施工及应用

1、施工工艺流程

施工主要流程如下:施工准备→插打定位桩→安装圈梁→打入锁口钢管桩→搭设钻孔平台→插打钢护筒→钻孔桩施工→拆除钻孔平台→基坑带水开挖→混凝土封底→设置顶部横撑→围堰抽水→安装第二道圈梁→围堰止水堵漏→凿除桩头→施工承台→施工第一节墩柱→施工第二节墩柱→拆除围堰。

2、围堰施工

钢管桩围堰施工主要采用75t履带吊机配合DZJ90振动锤进行插打。

围堰施工前,先插打4根钢管桩作为定位桩,将圈梁固定在定位桩上作为围堰施工的导向;插打紧挨角桩的一根普通桩,然后依次将剩余普通桩及角桩插打到合拢。首根钢管桩的垂直度影响到整个围堰其他钢管桩的垂直度,其打入时要缓慢些,打入到2/3设计深度时,检查桩身的倾斜度是否超过桩长的0.2%,如满足要求则继续开启振动锤沉桩;否则拔出重打。其他钢管桩每插打10根做一次检查,保证桩身的倾斜度不超过桩长的0.2%。

3、桩基施工

围堰施工完毕,在围堰上接长作为钻孔平台的基础桩,铺设分配梁及贝雷片及型钢,搭设钻孔平台,钻孔平台可同时进行三根桩基的钻孔工作。

同时将围堰作为钻孔施工过程中的泥浆池,在围堰内进行造浆及泥浆循环,既解决了水上施工泥浆排放问题,又减少了制作泥浆箱的费用,既环保又经济。通过实践,在围堰内进行泥浆循环基本满足钻孔施工的要求。

4、关键技术要点

钢管桩定位合拢。围堰施工关键环节:①定位桩及导向圈梁的位置要准确,先进行紧挨角桩的管桩插打,并紧贴定位圈梁依次插打;②管桩插打过程中要随时监测,确保插打定位准确并保证垂直度,插打时出现偏桩,及时拔除重新定位。③在锁扣钢管桩即将合拢的时候要将最后合拢的钢管桩一起先安装到预先设计的位置,再依次插打到位。

止水堵漏。作为承台施工的临时结构,围堰止水是最重要的一项工作。锁口能否止水是围堰成败的关键之一,为确保围堰锁口能够止水,须做到:角钢、T钢和钢管的焊缝要饱满,保证焊接质量。在漏水部位还要进行堵漏处理,由于汤逊湖河床有2m多厚的淤泥层,经过调查及实践,我们采用了工地常用的养护毯等材料进行锁口位置的封堵,在漏水部位用长钢筋将养护毯填塞到锁口内,可以穿过淤泥层,达到了止水的效果。

结语

通过对施工围堰方案的比选及锁口钢管桩的设计施工和应用,解决了藏龙二桥工程主桥基础施工中由于地质局限而产生的基坑支护问题锁口钢管桩刚度大,强度高,可保证施工质量,确保安全,因其损耗小,可多次倒用,也降低了工程造价。采用先围堰后平台的形式缩短了施工周期,确保了工程的顺利进行,在今后的城市水中桥梁中的应用有一定的借鉴意义。 (作者单位:中铁大桥局第七工程有限公司)

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