吳淞江特大橋圍堰設(shè)計(jì)與施工(拉森鋼板樁)

深深水圍堰設(shè)計(jì)與施工一、吳淞江特大橋主墩簡(jiǎn)價(jià)二、幾種方案的可行性比較三、圍堰的組成結(jié)構(gòu)五、圍堰施工吳淞江特大橋深水圍堰設(shè)計(jì)與施工一、吳淞江特大橋主墩簡(jiǎn)介吳淞江特大橋位于蘇州繞城高速公路東南段至上海段，全橋長(zhǎng)878.1米，分上、下兩幅，主橋?yàn)?0+100+60連續(xù)變截面箱式結(jié)構(gòu)采用掛藍(lán)施工。引橋?yàn)橐?0m空心箱梁為主的先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。吳淞江航運(yùn)比較繁忙，屬于超五級(jí)航道，規(guī)劃四級(jí)。為了使橋主跨與航道平行，保證通航寬度，該橋與吳淞江成斜交形成角度為55。，其主橋上、下兩幅橋墩設(shè)置的樁號(hào)不同，相差近12m左右。四個(gè)主墩均位于吳淞江中，距岸邊分別30m和70m，主墩樁基礎(chǔ)是由8根Φ2.5m的群樁組成上接大體積砼承臺(tái)，承臺(tái)位于河床下4.0m，水深近5.0m，屬于深水，長(zhǎng)樁施工。吳淞江特大橋主墩編號(hào)為68號(hào)與69號(hào)，主墩都位于主河道內(nèi)，距岸邊分別為70米和40米，上游側(cè)與便橋相臨，相距7.0米，目前水深4.0m，水流較緩慢流速1.5m/s。江水漲落不大，在豐水期水深5.0m，漲幅1.0m，據(jù)統(tǒng)計(jì)沒有海水的頂拖現(xiàn)象。主墩承臺(tái)底標(biāo)高上下游不同，68號(hào)墩承臺(tái)底標(biāo)高分別為-5.8m和-3.7m，下游幅較深。69號(hào)墩上下游承臺(tái)底標(biāo)高分別為-4.88m與-3.97m。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)資料，河床地質(zhì)為粘土和亞粘土相間分層，厚度不一，滲透力差。二、幾種方案的可行性比較1．雙壁鋼圍堰總結(jié)我國橋梁深水基礎(chǔ)施工中的各種圍堰類型，根據(jù)圍堰的特點(diǎn)可知：雙壁鋼圍堰的剛度大，能承受向內(nèi)向外的壓力，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，也能為頂部施工平臺(tái)提供支撐條件，但相對(duì)費(fèi)用比較昂貴，回收率不高。根據(jù)以上對(duì)主墩地質(zhì)情況分析，10m范圍內(nèi)全部為淤泥質(zhì)粘土，標(biāo)高變更后降低，這就增加了圍堰高度，一次投入資金比較大，根據(jù)吳淞江地理環(huán)境，航運(yùn)比較繁忙，而且主墩臨近主航道，鋼圍堰的就位、安裝非常困難。2．鋼管樁鎖口圍堰根據(jù)原我局深水基礎(chǔ)的施工總結(jié)，鋼管樁圍堰縱向剛度比較大，而且施工中也容易使鋼管下打到地層中，但鎖口封水比較難，安全系數(shù)不大。但是3．鋼板樁圍堰鋼板樁圍堰是深水基礎(chǔ)、基坑支護(hù)的很有效的，施工比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)受力明確的一種圍堰形式。根據(jù)以上地質(zhì)情況，淤泥層較厚，水深為4.0m，采用鋼板樁圍堰，施工中下打方便，靠鎖口于淤泥中封水比較容易，成功率大，較以上兩種費(fèi)用低。而且吳淞江水位變化不明顯，也沒有海水的頂推，因此向外壓力不用考慮。這也是鋼板樁圍堰與鋼套箱圍堰的差別。只是鋼板樁圍堰同以上兩種方案比，鋼板樁剛度小，需加強(qiáng)密內(nèi)支撐。三、圍堰的組成結(jié)構(gòu)鋼板樁圍堰是由封底砼、內(nèi)支撐、圍囹堰體、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)圖紙?zhí)峁┑馁Y料，承臺(tái)底標(biāo)高在淤泥層下3.5m，而且淤泥質(zhì)亞粘土層深為10.3m水深4.0m。因此設(shè)鋼板樁穿過淤泥，進(jìn)入亞砂土4.2m進(jìn)行驗(yàn)算，內(nèi)支撐按堰體等彎矩并結(jié)合承臺(tái)施工的實(shí)際情況分布。水流及行船浪擊堰體按動(dòng)水壓力考慮。封底砼用1.2m厚C20。 1．根據(jù)地理、地質(zhì)情況，對(duì)圍堰的受力情況進(jìn)行分析：(1)動(dòng)水壓力，取安全系數(shù)2。A、圍堰受力分析（1）圍堰施工時(shí)，捶打鋼板樁，內(nèi)外壓力相等。當(dāng)圍堰合攏后，圍堰將水體分成內(nèi)外兩部分，外側(cè)水為流動(dòng)水，內(nèi)側(cè)為靜水，圍堰受外側(cè)動(dòng)水壓力和浪擊壓。（2）當(dāng)圍堰施工完成后，進(jìn)行清淤到封底砼底標(biāo)高，這時(shí)圍堰除受外側(cè)動(dòng)水浪擊壓力外，還我內(nèi)外淤泥壓力差。而且堰體存在由內(nèi)外壓力形成的傾翻力矩作用，為施工安全起見考慮圍堰合攏后第一道支撐。（3）當(dāng)水位到第二道支撐標(biāo)高時(shí)，圍堰反支撐受力穩(wěn)定情況。（4）清淤、抽水到第三道支撐標(biāo)高時(shí)，圍堰及支撐受力穩(wěn)定（5）封底砼施工完成后，等強(qiáng)度達(dá)到要求后，體的受力情況與支撐結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算。（6）封底穩(wěn)定包括：水的筒圍堰內(nèi)側(cè)的粘結(jié)情況，砼形成板的穩(wěn)定。根據(jù)吳淞江設(shè)計(jì)資料提供的水流速度V=1.5m/s驗(yàn)算每米鋼板村承受的力：2/2g×B×DK為安全系數(shù)取2.0H為水深V=1.5m/sg為重力加速度9.8m/s2B樁板寬1.0mD水的密度P=2×4×1.52/(9.8×2)×1×1=0.918t水根據(jù)圍堰設(shè)計(jì)資料及橋涵2-2-60資料，確定動(dòng)水作用集中點(diǎn)為水面下水深1/3計(jì)算。Hc=1/3×4.0=1.33m，即：P作用于堰體標(biāo)高為-0.1m位置處,根據(jù)結(jié)構(gòu)在P作用下，圍堰平衡只能由打入樁一定深度的被動(dòng)土壓力完成。 為了施工安全起見，施工時(shí)采用先由平臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁加一層橫梁作為臨時(shí)內(nèi)支撐。C、圍堰板樁插打完成后，及時(shí)支頂最上一層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐的材料采用Φ80的鋼管成425×425方格形式布置，然后再進(jìn)行清淤，清淤結(jié)束后，驗(yàn)算由內(nèi)外形成的壓差及動(dòng)水壓力作用時(shí)圍堰的受力情況。計(jì)算外側(cè)主動(dòng)土村力及其作用點(diǎn)亞粘土的粘聚力5Kpa容重=17KN/m3275m△△內(nèi)摩擦角：粘土、亞砂土φ=20°淤泥質(zhì)亞粘土：φ=5°8淤泥質(zhì)亞粘土:C=2Kpa將外側(cè)淤泥層上的水視為當(dāng)量厚度的淤泥質(zhì)亞粘土厚2/γ水=4×10/17=2.35m承臺(tái)的底標(biāo)高按-5.8米計(jì)，清淤底標(biāo)高按-7.3米計(jì)。內(nèi)外土層高淤泥的強(qiáng)度壓力Pp=γ1=17×(2.35+4.5)×0.84-2×2×0.916=94.15KN/m2Pa=γ1全部主動(dòng)土壓力Ea=1/2(29.894+94.15)×4.5=279.1KN/m水壓力Ea=1/2×10×8.5=361.2KN/m主動(dòng)土壓力點(diǎn)離P點(diǎn)距離=4.5/3×(94.15+2×29.89)/(94.15+29.89)=1.86m若將以上土壓力計(jì)算時(shí)按粘土、亞砂土透水成飽和狀態(tài)考慮，主動(dòng)土壓力應(yīng)計(jì)算其ab-ab-=（17-10）×2.35×0.84-2×2×0.916=10.15KN/m2Pb=γ′1+h1)=(17-10)×6.85×0.84-2×2×0.916=36.614KN/m作用點(diǎn)距底:=4.5/3×(36.614+2×10.15)/(36.314+10.15)=1.827m計(jì)算內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力及其作用點(diǎn):將么層的淤泥層視為亞砂土上的均布荷載,計(jì)算亞砂土的被動(dòng)土壓力:q=(9.1-7.3)×17=30.6KN/m2將其換算為當(dāng)量亞砂土層厚:h′=q/=30.6/25=1.224mγ:亞砂土取17KN/m3被動(dòng)土村力強(qiáng)度:Pa′=2×c×Kp1/2=2×5×tg(45°+20°/2)=10×1.428=14.428KN/m=17×(h1+h11′)·Kp+2cKp1/2=17×(4.2+1.224)×tg2(45+20/2)+2×5×tg(45+20/2)=202.4KN/m被動(dòng)土壓力為:=1/2×17×5.424×2.04+2×5×5.424×1.428=171.5KN被動(dòng)土壓力作用點(diǎn)位置:△△A=-11.4=5.4/3×｛202+2×14.428｝/(202+14)=1.92m根據(jù)主動(dòng)土壓力及位置，被動(dòng)土壓力及位置、動(dòng)主動(dòng)水壓力及位置，驗(yàn)算鋼板樁的入土深度，選擇鋼動(dòng)主=0.918×1.33+105.219×6.7-215.7×10.8要求BL=11.4+1.2=12.6mL1=1.33mL2=5.34mL3=4.1m求支反力RA、RB根據(jù)計(jì)算的主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力，主動(dòng)土壓力及其作用位置，簡(jiǎn)化受力模式如下:F水l1△△33.18t RA=（l1+l2）/（l1+l2+l3）×Ea+（l3+l2）/（l1+l2+l3）×E水=55.6KN/mRB=63KN/m\\鋼板樁型號(hào)的選定:w=22.79t·m/140Mpa=1627.8cm3/查鋼板樁規(guī)格、型號(hào)，可選用德國位森II型，t=15mmb=40mmD、計(jì)算封底砼施工時(shí)，圍堰的受力計(jì)算根據(jù)變更后的地質(zhì)情況和變更后的圖紙，確定如右圖標(biāo)的情況。D、封底砼結(jié)束后，抽水深3.2m時(shí)，即加焊第二道支撐時(shí)，圍圍堰內(nèi)側(cè)抽水深為3.2米時(shí)到標(biāo)高-2.0m，存在內(nèi)外水壓力差，與外側(cè)主動(dòng)土壓力和封底混凝土承受的壓力。水壓力：與以上的動(dòng)水壓力相等。土壓力：外側(cè)土對(duì)圍堰產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力： =7×Z×0.84-2×2×0.916當(dāng)Z=0時(shí)，Pa=-3.664t/m2當(dāng)Z=4.5時(shí)，Pb=22.796t/m2=4/17×0.916=2.155m內(nèi)側(cè)封底砼所受的壓力：根據(jù)上述水壓力與主動(dòng)土壓力：取1/2封底混凝土厚度做為支E水1作用高度：標(biāo)高為-0.93mE水2作用高度：標(biāo)高為-3.52mEa作用用高度：標(biāo)高為-5.03mR混凝土=(2.13+2.59+1.51)/7.75×E水2+2.13/7.75×E水1=0.8038×1/2×22.796×2.155+0.609×1/2×3.2×0.2748×1/2×3.2×3.2=24.85t/m驗(yàn)算嵌入土層深度對(duì)頂支撐處取矩，水產(chǎn)生的力矩與主動(dòng)土壓力產(chǎn)生的力矩×(1.51+2.59+2.13)6.23=10.91+28.7+0.05=39.66t/m封底混凝土產(chǎn)生的力矩：M砼=5.117×7.75=39.656t·m由于封底混凝土產(chǎn)生的力矩完全是由主動(dòng)土壓力與外側(cè)水壓力作用而產(chǎn)生，當(dāng)封底砼結(jié)束后，第一道支撐完成時(shí)，抽水到-2.0m時(shí)，鋼板樁的受力驗(yàn)算：由以上水壓力、主動(dòng)土壓力計(jì)算可知，鋼板樁受力如下情況：鋼板樁型號(hào)、規(guī)格選擇：按對(duì)B點(diǎn)取矩求支反力RaRa=[E動(dòng)水×1.33+E水1×3.46+E水2×6.05+Ea×7.57]/9.08=25.57tRb=9.86tMmax=25.57×1.51+2.262×1.52=42.05tmW=42.05tm/160Mpa=2628cm3＜2962cm3德國拉森V型滿足要求。E、抽水到封底砼時(shí)，即標(biāo)高為-5.8m時(shí)，堰體在外側(cè)水及淤泥的作用下，計(jì)算堰體與支撐受力情況：水壓力強(qiáng)度：P水=γ·h=1t/m3×7.75m=7.75t/m2由上計(jì)算可知：Pa=-3.664t/m2Pb=22.796t/m2△△ 外側(cè)土主動(dòng)土壓力：Ea=1/2×22.796×2.155=24.57t/m荷載近似等量簡(jiǎn)化如圖：Pb=γ·h1=1×3.2=3.2t/m2Pc水=γ1+h2）=1×7.75=7.75t/m2Pc2=22.796t/m2q1=1/2Pb=1/2×3.2t/m2=1.6t/m2q2=(Pc水-Pb)×1/2+3.2+1/2×22.796×2.045/2.25abcA=5.475+10.35=15.83t/m2按兩不等跨連續(xù)梁計(jì)算：n=1.1875按1.2取值A(chǔ)=0.134×15.83×3.82 4×4.25mMb=-0.155×q2·l1=-0.155×15.83 4×4.25m鋼板樁型號(hào)、規(guī)格的確定：w=35.43/160=2214cm3用拉森V型可以滿足要求。綜合以上三種情況對(duì)鋼板樁型號(hào)的計(jì)算，采用德國拉森V型才能滿足VB左=K1=0.655×15.83×3.8=39.4tVB右=K22=0.729×1.6×3.2=3.73tV=VB左+VB右=43.13t/m因此第二層支撐每延米頂力要求Ra=43.13t/m長(zhǎng)邊:20mRb正=20×43.13×=862.6t短邊：18mR′B正=18×43.13=776.34t支撐按4.25m間距布設(shè)。每根支撐力：N=4.25×43.13=183.3t圍堰四周用2H400b做為圈梁，中間用Φ80鋼管，壁厚8mm焊成網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，并將第一層與第二層通過20×20的方鋼焊成整體空間結(jié)構(gòu)，計(jì)算支撐穩(wěn)受壓鋼管按4.5m自由長(zhǎng)度計(jì)，且安全系數(shù)取2.0，受壓穩(wěn)定驗(yàn)算：長(zhǎng)度系數(shù)按兩端鉸接μ=1查表：=0.999δ=N/(Aφ)=183.3t/0.017584m2=103.7Mpa＜140Mpa根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，每根頂撐受壓力為183.3t說明每跨環(huán)梁受均布荷載作用力：q=N/1=43.13t/m2按簡(jiǎn)支梁驗(yàn)算:Mmax=ql2/8=43.13/16/8=86.26t·mτ=N/A=183.3t/(197.8×2cm2)=46.3Mpa總=(δ2+3τ2）1/2=169.56Mpa封底砼結(jié)束后，抽堰內(nèi)外的水、土壓力穩(wěn)定和強(qiáng)度。整體抗浮驗(yàn)算由于圍堰內(nèi)抽干水后，內(nèi)外水壓力差形成的力將對(duì)其產(chǎn)生向上浮力，將由圍堰自重、支護(hù)自重、圍堰與土的摩阻力及混凝土自重來平衡。計(jì)算安全系數(shù)：K=PK總抗浮力/Pf浮力Pf上浮力=V混凝土+V空=18×20×1.5+7.0×18×20=3060tPK總抗浮力=G混凝土+P摩陰力+P錨力=1350+0.4×76×(4.3×10+35×4.2)+0.67×3.14×1.2×1.4×28=1350+5776+99=7225摩阻力按4KN/m2計(jì)代入上式K=PK/Pf=7225/3060=2.36＞1.05安全b、封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算封底混凝土在水壓作用下，可以視為簡(jiǎn)支單向板計(jì)算，封底層頂因下底面水壓向上作用，產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力。取1.0m寬一條作為研究對(duì)象。根據(jù)液體壓強(qiáng)理論，一定深度壓強(qiáng)相同。2/8/w=l2=182×(1t/m3×8.5-2.5×1.5)/(2.25/6/8)=513t/m2=5.31Mpa＞1.2Mpa考慮由于樁的間距比較小，將封底砼分切成若干片，按簡(jiǎn)支的雙向板計(jì)算：lx/ly=1.0，λ0=1=0.0368×γ0×4.75×3.12δ=M/W=1.6798t·m/(1×1.52/6)=0.4479Mpa＜1.2Mpa滿足要求五、圍堰施工的整體安排根據(jù)吳淞江特大橋合同文件中工期的要求，于2004年12月為合同工期，根據(jù)項(xiàng)目生產(chǎn)計(jì)劃安排，要求68號(hào)主墩于2003年12月份結(jié)束水下及主墩身施工，工期十分緊張，按圍堰正常施工工序，搭水中平臺(tái)-----下護(hù)筒----布鉆機(jī)鉆孔----樁砼施工結(jié)束----拆平臺(tái)----圍堰----第一道支撐----清淤泥到標(biāo)高---封底（等砼強(qiáng)度）---抽水----支撐---承臺(tái)墩身施工。為了保證業(yè)主項(xiàng)目的工期，我們將圍堰施工與鉆孔施工工序并行，到平臺(tái)拆除前完成圍堰的下打與第一道頂撐，平臺(tái)拆除后，清淤。2、圍堰施工A、鋼板樁施打前，測(cè)量組放樣定位，控制圍堰長(zhǎng)、短邊的鋼板樁位置，定出圍堰的角點(diǎn)及長(zhǎng)、短邊的是間點(diǎn)。每點(diǎn)處打兩根鋼板樁，兩相鄰點(diǎn)的鋼板樁用槽鋼焊接，做為打鋼板樁的導(dǎo)向。B、施打時(shí)先將鋼板樁逐根施打到穩(wěn)定深度，然后依次打到設(shè)計(jì)深度