水中圆形钢板桩围堰施工技术

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1、#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)摘 要 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 14 1 . 3钢板桩围堰整体稳定。3. 2. 2 封底混凝土强度计算封底砼采用 C20 , 按四边固接双向板计算lx= 3 000 , ly= 5 500,lx ly=3 000 5 500= 0 . 545 ,q = 10 . 345- 4 . 6 = 5 . 745( t/m2)W =1 6300 2002= 3 666 667 cm3查表得M

2、x= (0 . 038 65+ 0 . 15 0 . 005 42) 5 . 745 32= 2 . 04( t# m)My= (0 . 005 42+ 0 . 15 0 . 038 65) 5 . 745 32= 0 . 58( t# m)M0 x= ( 0 . 038 65+ 0. 15 0 . 057 1) 5 . 745 32= 2 . 44( t# m)M0 y= ( 0 . 057 1+ 0 . 15 0 . 038 65) 5 . 745 32= 3 . 25( t# m)封底砼所受拉应力:Rmax= R0 y=3 . 25 10 000 100 3 666 667= 0 . 0

3、16MPa R = 0. 4MPa3 . 2 . 3 围檩及支撑计算根据钢板桩的设计, 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 . 8 t/m, 河侧受力是 6 . 7 t/m 。第二道围檩支撑: 岸侧受力是 25 . 6 t/m , 河侧受力是 12. 9 t/m 。第三道围檩支撑: 岸侧受力是 21 . 1 t/m , 河侧受力是 18. 3 t/m 。从受力情况可以看出, 钢板

4、桩围堰内的围檩支47铁道建筑技术 RAI L W AYCONSTRUCTI ON TECHNOLOGY 2009( 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 . 8 t/m, 河侧受力 6 . 7 t/m。根据受力及结构模型计算可得: 围檩最大应力是 101MPa ; 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 .

5、6 t/m, 河侧受力 12 . 9 t/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: 围檩最大应力为 186 MPa , 则单道围檩受力为 93MPa; 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 . 1 t/m, 河侧受力 18 . 3 t/m。根据受力及结构模型计算可得: 围檩最大应力为 137MPa ; 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 7 m 。内支撑钢管直径为 52

6、9 mm, 壁厚为 12 mm , 根据计算, 其回转半径为 i= 18 . 28 c m, 压杆按照两端铰接, 则K= 700 cm/18 . 28 c m= 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= 2 500 cm/18 . 28 cm= 138 , 查表得 = 0 . 353 , 稳定折减应力为 198MPa 200MPa)。3. 2. 4 内支撑内框架牛腿计算每层内支撑内框架牛腿均焊接在钢护筒上, 每层

7、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 14 t 。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 8 mm, 焊缝长度为25 cm, 则 受 力 焊 缝 的 总 长 度 为100c m, 即1 000mm 。焊缝抗剪受力, 抗剪面积为 1 000mm 8mm 0 . 7= 5 600 mm2。牛腿焊缝的剪切应力为140 000N /5 600 mm2= 25MPa R = 100MPa 。牛腿的设计

8、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 33 t 。支撑钢管的应力是: 330 000N /9 111 mm2=36MPa支撑钢管高度按 5 m计算, 该钢管的回转半径是 10 . 26 cm , 其柔度 K= 500 cm/10 . 26 c m= 49 , 查表得 = 0 . 861。稳定折减应力 36 MPa/0 . 861=42MPan 140MPa 。综上所述, 计算结果都满足要求。3 . 3 钢板桩围堰施工钢板桩施工程序见图 3 。3 . 3 .

9、1 插打钢板桩按照设计图纸, 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 RAI L W AY CONSTRUCTI ON TECHNOLOGY 2009( 10)#南京长江隧道

10、工程江心洲右汊大桥建设专题#图 3 钢板桩围堰施工步骤钢板桩为圆形, 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 保证合龙处围堰不漏水, 将合龙段设在岸侧, 使合 龙段处于无水状态下, 同时在合龙处钢板桩外侧增 打 4 5块钢板桩, 将该处加强, 避免合龙处受力减 弱和从缝隙里渗水和流沙。 3. 3. 2 围堰内抽水 钢板桩插打完后, 钢板桩围堰内抽水, 设置好 第一道内支撑, 抽水开挖到标高 + 3 . 20m; 设置第二 道内支撑, 中心线标高 + 3 . 70 m; 抽水开挖到标高 + 1 . 70m, 设置好第三道支撑, 支撑中心线标高 + 2 . 20

11、 m。 围堰漏水时, 主要集中在锁口接缝处, 此时采 用棉絮或锯末进行封堵。 3. 3. 3 围堰内清基 在钢板桩围堰内整平清基工作采用长臂挖机 和砂石泵进行, 在靠近钢板桩附近的泥砂较难挖 出, 可由水工以高压水将泥砂冲积至吸泥机附近吸出, 清基至封底砼底面标高 ( - 1 . 655 m)位置, 围堰 内经过整平后灌注封底砼。 因承台场地出主要为粉细沙, 且为不透水层, 清基时以无水干挖为主, 采用长臂挖机进行开挖, 承台中间处及临水处机械开挖不到的位置, 用高压 水将粉细沙冲至挖机开挖的深坑内, 用砂石泵将其排出。 3 . 3 . 4 灌注封底砼封底砼混凝土采用 C20混凝土, 原设计为

12、 2 m 厚封底混凝土, 根据现场实际情况, 基地全部为粉 细沙, 密实、 不透水, 承载力较大, 故将封底厚度改 为 1m, 缩短了围堰施工时间。 混凝土由拌和站拌制, 混凝土输送车运输, 汽 车泵泵送。封底砼的强度达到 90 % 以上时, 进行桩 头破除和承台钢筋绑扎施工。 3 . 3 . 5 承台施工 因承台 5 m高, 按照大体积混凝土进行施工, 将 承台分 2层灌注, 每层布置冷却管和测温元件 (温 度应变计 )。承台施工完第一层后, 拆除模板, 立即 将承台与钢板桩围堰见的间隙用粉细沙回填, 为保 证围堰稳定, 在第一层承台顶部一下浇筑厚 0 . 5 m 厚圈砼, 中心线标高 +

13、1 . 595m, 拆除第二道支撑, 继 续承台上半部分的承台混凝土灌注施工。承台施 工完毕后, 将承台和钢板桩围堰的间隙用粉细沙填实, 且用水进行密实, 拆除顶部第一道内支撑, 进行 塔座的施工。塔座施工完毕后, 拆除钢板桩围堰。 承台混凝土选择低水化热水泥, 掺入粉煤灰和 高效减水剂, 减少水化热, 同时降低混凝土入模温 度。根据测温元件温度控制, 对冷却管及时进行通 水降温, 降低混凝土内外温差, 防止裂纹。冷却管49铁道建筑技术 RAI L W AYCONSTRUCTI ON TECHNOLOGY 2009( 10)#南京长江隧道工程江心洲右汊大桥建设专题#采用直径 40的钢管, 间距

14、左右上下均为 1 m, 因承 台面积较大, 按照 2个进水口、 2个出水口布设。承 台施工完毕后, 对冷却管进行压浆封堵。4 注意事项钢板桩插打时, 除严格按照钢板桩规定的要求 执行外, 在本桥圆形钢板桩施工时, 为了增强钢板桩围堰的稳定性, 在岸侧临子堤处, 将河床面标高 尽量降低, 并将河侧河床标高回填至 + 4 . 00m, 使钢 板桩围堰两侧土压力平衡, 同时, 钢板桩围堰上下游河床也要进行挖泥清淤, 使上下游河床标高与岸 侧河床标高一致 ( + 4 . 50 m), 挖出的河床淤泥不 要堆砌在开挖面附近, 尽量往离钢板桩围堰远处 堆砌。在加内支撑前, 需要在钢护筒上焊接 4个牛腿,

15、用以支撑内框架。钢护筒上焊接竖向二道牛腿, 分 别支撑围堰内支撑的内框架。待封底混凝土浇筑 完成后, 用 4根 300mm- 10钢管支撑在封底混凝 土底面, 上面支撑住各道内支撑, 此时可以割掉牛腿及护筒。(上接第 23页 )3 施工有散索套线形, 即为在架设主缆时, 散索套重 量 ( 40 t)已经施加在主缆索股上, 但在实际安装时, 散索套盖板未盖上, 主缆索股只是在散索套鞍槽内 通过, 散索套重量并未施加在主缆索股上。为实现 有散索套线形, 需采取外力置换方法进行主缆架设。 在散索套与锚固管之间主缆索股发散的空隙 部位, 采用在每根主缆索股上施加外力将主缆索股 靠外力拉至与散索套鞍槽密

16、贴, 并符合预定线形, 2 根主缆 110股索股所施加的外力之和为散索套总重 量。主缆架设完毕后, 盖好散索套盖板, 放松外力, 去除散索套临时钢架支撑, 使散索套自由悬浮。 散索套重 40 , t 理论上 110根索股每根平均承 受 364 kg的重量。但实际情况是: 在散索套处索股 发散角不同, 所施加的外力根据角度也不同, 中心 索股以下的索股向下发散, 受力小, 中心索股以上 向上发散, 受力较大, 总的受力为散索套总重。为此, 选择直径 6 mm的钢丝绳, 在散索套发散处, 将需安装的主缆索股用钢丝绳捆扎后下拉, 待线形符合要求后, 将钢丝绳锚固在地面的混凝土地锚上, 其外力置换见图 4 。依此方法将 110根主缆安装完毕后, 填筑填锌块, 盖盖板, 脱掉临时钢架支撑。图 4 外力置换示意主缆架设完毕后, 拆除散索套临时固定支架,拆除钢丝外力, 对主缆线形进行了测量, 与监控的有散索套下线形对比, 见表 2 。表 2 主缆外力置换前后线形对比位置 坐标监控主缆有套线形外力条件下安装线形外力