乌海黄河特大桥深水基础超长钢板桩围堰设计与施工研究

乌海黄河特大桥深水基础超长钢板桩围堰设计与施工研究

马凌冲

中铁一局集团桥梁工程有限公司，重庆 401121

摘要：为解决钢板桩难以插入泥岩层及大粒径卵石层等问题,提出运用大吨位履带吊配合振动锤打设钢板桩解决复杂地质下钢板桩插打的技术难题。相关技术应用于乌海黄河特大桥深水基础1号墩和2号墩深基坑水中承台钢板桩围堰施工,成功实现了深基坑水中承台钢板桩围堰合龙。该项技术对同类型复杂地质下钢板桩围堰施工具有借鉴和参考意义。

关键词：大桥；深水基础；超长钢板桩；围堰；设计；施工

1.工程概述

乌海黄河特大桥东起于规划中的110国道K1105+050.12与109国道之间的连接线LK19+400处、设置起点互通一座。在乌达铁路新桥下游1.2Km处向西跨越黄河，终点位于110国道K1107+700处。项目计算起始里程K1104+345.8～K1107+700，全长约3.3542km。大桥采用上跨形式穿过东岸海渤湾-海南的快速通道，设置互通立交一座。互通立交匝道离东侧海公扩能铁路最近距离15.0m。主桥跨径布置为120m+220m+120m中央索面部分斜拉桥，全长460.0m，整幅桥面宽33.5m，设1.5%的双向横坡。主梁为混凝土连续箱梁，截面采用整幅断面；主塔采用钢筋砼截面，塔梁固结，自桥面以上，主塔有效高度40m（不含装饰区）；索面布置在中央分隔带上，采用环氧喷涂钢绞线，每个塔柱设12对斜拉索，每对斜拉索横向并排布置两根，斜拉索呈扇形布置；基础采用钻孔灌注桩基础。由于本桥所在区域抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度较大，梁与桥墩之间设置双曲面球型减隔震支座。乌海黄河特大桥设计平面图见下图1所示。

图1  乌海黄河特大桥设计平面图

1.1地形地貌

乌海市地形地貌分为山地、丘陵、黄河冲积洪积平原、冲积阶地四部分。山地主要由河东的甘德尔山和河西的五虎山构成，两山均呈南北走向，山间有峡谷和降谷。山区剥蚀作用强烈，风蚀和风积地形明显。山势高耸，基岩裸露，水源涵养极差，一般植被很少，只有缓坡和山顶有些植物。山地区面积167.8平方公里，占全市总面积的10.0%。 丘陵区，主要有甘德尔山东麓与卓子山之间宽约3-6km的宽谷洼地及其南部垅岗状剥蚀残山和低矮丘陵，其它丘陵地势较低，起伏不大，多为北东南西向浅而平直的沟谷。平均海拔高程1260m。丘陵区植被稀疏，覆盖率为5-40%，水分涵养差，面积911.9平方公里，占全市土地面积的54.1%。冲积洪积平原，由河东、河西两部分组成。其中：从黄河东岸的冲积阶地至山麓为海勃湾冲积洪积平原，黄河西岸的冲积阶地至五虎山东麓为乌达冲积洪积平原。两个冲积洪积平原宽均约4-8公里，被若干山洪沟分隔成扇型，并从山麓至黄河冲积阶地向下倾斜，地面坡度一般为1-1.6%，整个冲积洪积平原地势比较平坦，海拔高程1080-1300m之间。面积384.8平方公里，占全市总面积的22.8%。

黄河冲积阶地分布在黄河东、西两岸至冲积洪积平原1-3公里的狭窄地带和黄河小岛。主要包括王元地、乌兰木头、黄柏茨湾、巴音陶亥湾和大中滩、李华中滩等黄河小岛等地。海拔高程一般1068-1080m，总面积220.5平方公里，占全市总面积的13.1%。本工程（乌海黄河特大桥）跨越的黄河河段水流方向由南向北，河段东岸，从乌海市劳动教育管理所到原110国道乌海黄河公路桥，侧向侵蚀严重，岸坡形成了比较高的陡坎；河段西岸，从乌达铁路旧桥至其下游约900m处，该段当前岸坡较陡，岸坡上为居民区，并且居民区紧挨着陡坎前缘。

1.2水文、工程地质

（1）地下水类型及其特征

① 地表水

黄河河水年平均流量1018m3/s，最高洪峰流量5820m3/s，年最小水流量60.8m3/s，丰水季节为每年的5～8月，枯水季节持续时间较长。

② 地下水

上层滞水：主要赋存于表层人工填土、种殖土中，受降雨及人工补给，水量较小。

孔隙式潜水：主要赋存于砂类土中，受黄河水补给，水量丰富，是场区主要含水层。

③ 地表水与地下水状态变化

黄河河床下切，河床已切入含水层中，因而地下水与河水存在互补关系，水力联系密切。当在丰水季节，当河水位高于地下水位时，地下水接受河水补给；当在枯水季节，当河水位低于地下水位时，地下水补给河水。乌海市地下水年蒸发量远大于年降水量，故通过蒸发为地下水排泄的重要途径，在桥址区较低区域的地下水埋深较浅，不断蒸发地下水已引起了较为严重的土地盐碱化。所以桥址区地下水主要是通过黄河水的补给，辅以降水补给；通过蒸发及地下径流排泄。

（2）环境水对建筑材料的腐蚀性

① 地下水、地表水对建筑材料的腐蚀性

桥址区内地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中钢筋有弱腐蚀性，地表水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中钢筋有微腐蚀性。

② 土对建筑材料的腐蚀性

桥址区东岸（海渤湾区）浅层盐碱化土对混凝土结构、钢筋混凝土结构中钢筋有中等腐蚀性，西岸（乌达区）浅层盐碱化土对混凝土结构、钢筋混凝土结构中钢筋有强腐蚀性。

1.3气象

乌海市地处大陆腹地，受大陆季风气流的控制，呈现干旱半干旱大陆性温带气候特征。四季分明，春季干旱多风沙；夏季短促炎热，雨水相对集中；秋季气候干燥，风沙较大。冬季干燥、严寒而漫长。桥址处太阳辐射强烈，日照时间长，昼夜温差变化大，降水量少，蒸发量大。

2钢板桩围堰总体施工方案

乌海黄河特大桥钢板桩围堰包含水中墩2个（主桥1#、2#墩），大桥水中1-2号墩钻孔桩施工已完成，在钻孔平台上预留出承台位置，平台两侧作为履带吊作业平台，然后通过履带吊插打钢板桩围堰进行承台施工。围堰封底混凝土采用水下封底法（封底成功后再抽干水）。

2.1施工作业面及任务划分

根据施工现场布置情况和本工程特点，打设钢板桩围堰时分2个作业面进行。1#号作业面由一台35T履带吊配合90kw振动锤打设钢板桩；2#号作业面由一台50T履带吊配合120kw振动锤打设钢板桩。

2.2钢板桩围堰总体设计方案

2.2.1 钢板桩围堰结构设计

乌海黄河特大桥1#、2#号墩拟采用施打钢板桩围堰干作业的方法进行施工。根据承台的大小分别设计钢板桩围堰的尺寸：1号墩钢板桩围堰平面尺寸为37.2m×20.4m，考虑汛期墩身施工，结构受力检算按最高水位按1073m控制，钢板桩入土深度按钢板桩围堰在板桩插打至封底混凝土完成期间施工水位1071m计算。拟采用SKSP－SX27型21m长钢板桩，共投入21m普桩188片，角桩4片。河床标高为1067.5m，围堰桩顶标高为1076m，桩底标高为1055m。围堰内设三道内支撑及一道临时支撑，第一道内支撑边梁为双拼I56a卧置，斜撑采用双拼I56a，直撑采用Φ630×10mm螺旋管；第二道内支撑边梁为四拼I56a卧置，直撑采用Φ630×10mm，斜撑采用三拼I56a；第三道内支撑边梁为四拼I56a卧置，直撑采用Φ630×10mm，斜撑采用三拼I56a；第四道内临时支撑边梁为四拼I56a卧置，直撑采用Φ630×10mm，斜撑采用三拼I56a。2号墩钢板桩围堰平面尺寸同1号相同，采用同种施工工艺及措施。

2.2.2设计说明

1#、2#墩基础施工采用钢板桩围堰法。钢板桩采用拉森NSP—Ⅳ型，单根长度为21m，截面宽度60cm，截面抵抗矩2700cm3/m。围堰平面尺寸为37.8×20.2m，共设置三道内支撑。第一道围囹标高为1072，第二道围囹标高为1069，第三道围囹标高为1066。围堰顶高程为1076m，围堰底高程为1055m。封底混凝土厚2.5m。1#墩钢板桩围堰平面、立面布置图如下图2、图3所示：

图2  1#墩钢板桩围堰平面图

图3  钢板桩围堰立面图

3钢板桩围堰基本参数

根据《地质勘察报告》资料和现场情况，由于1#墩承台比2#承台埋深深度大，比较1#和2#地质情况，选用最不利钻孔编号为DZD1-1地层进行计算围堰受力计算，如下表1所示：

表1 1#墩地质资料及土层参数

4钢板桩受力计算

4.1 围堰的计算

等值梁法计算钢板桩围堰，为简化计算，常用土压力等于零点的位置来代替正负弯矩转折点的位置。

假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩。

因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力（c=0）。

弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支，方便计算。

假设钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结，在MIDAS中限制全部约束。

本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效土压力及有效被动土压力。

在计算钢板桩时分为六种工况：

工况一在钢护筒焊接牛腿安装第一道围囹，围囹标高1072，插打钢板桩，钢板桩插打到位后，用长臂挖机开挖，开挖至卵石层底1063.79。工况二抽水至第二道围囹标高1069，安装围囹支撑。

工况三围堰中注水至1076吸泥开挖，开挖至设计标高1060。工况四浇筑封底混凝土，抽水安装第三道围囹支撑。工况五抽水立模板，承台总高5.5m分两次浇筑，先浇筑3m。工况六等混凝土达到设计强度，拆模后用砂卵石回填至标高1065.2，浇筑30cmC20混凝土，拆除第三道围囹支撑。

4.2 钢板桩、内支撑结构计算

钢板桩围堰采用ф630×10mm的螺旋管作为支撑，分为纵横向三层，层与层之间用自制的十字管扣连接，减小自由长度，并在第一、二、三层之间焊接型钢桁架，增加结构整体刚度，保证结构的安全性。通过计算确定钢板桩围堰内支撑采用三层并确定间距，对钢板桩及围堰内支撑结构按照计算模型分工况分别计算后满足强度和稳定性要求，计算略。在内支撑结构体系中增加了竖向和水平联结，增加了整体稳定性。

5.钢板桩围堰施工

5.1 工艺流程

钢板桩围堰施工工艺流程如下图4所示：

图4  钢板桩施工工艺流程图

5.2 施工要点

5.2.1钢板桩施打

施打采用50t龙门吊配合DZ120液压震动锤进行。首先施打2根钢管桩作为导向架支撑点，安装2I56a导向架。该导向架在钢板桩打设完成后即作为围堰围囹使用。50t履带吊将钢板桩从平台上吊起，然后吊至施打钢板桩的导向装置内，匀速下放，使钢板桩成垂直状态，然后用卡口槽钢卡在导向装置内将钢板桩固定牢固，松开起吊钩，龙门起吊液压震动锤，将钢板桩逐根插打到位。

插打前先将钢板桩做好标识，用吊机的两个吊钩起吊和下放,使钢板桩成垂直状态,脱出小钩移向安插位置,插入导向架内已就位的钢板桩锁口中。插打钢板桩时要紧靠导向架，插打质量要符合下列标准：1）做好钢板桩垂直度的控制，重点是第一根桩要从两个相互垂直的方向同时控制，确保垂直不偏。已插下的钢板桩，对垂直于导梁的倾斜度或对于插桩前进方向的倾斜度小于1:200。2）插入桩位的钢板桩紧靠导向架，即钢板桩沿设计半径垂直插入桩位，如不能靠近时，其间隙应小于20mm。3）每组钢板桩按编号插入，每组偏差确保小于±15mm。

5.2.2围堰合龙

钢板桩围堰在合龙时，两侧锁口往往不尽平行，两端相距在一定范围内时，可参考下列措施进行调整：（1）钢板桩上端向合龙口倾斜时，在钢板桩顶端使用千斤顶互顶或以内两套复式滑车组向外侧张拉调整至所需间距。（2）钢板桩两侧各剩几组即将合龙时，即考虑合龙情况。

5.2.3围堰内清淤及支撑系统

围堰内支撑采用Ф630mm钢管与型钢组合支撑在围囹I56a上，相邻管节之间利用法兰盘连接。各管节按照设计在钢结构加工场加工而成，对加工完成的杆件进行编号后进行试拼装。围堰内清淤采用高压水枪配合吸泥泵进行。清淤工作与内支撑安装工序相互结合，确保施工安全。钢板桩围堰第一道短内支撑标高为1072，在钢板桩合拢完后抽水即可利用龙门进行安装到位。第一层支撑安装完后，采用高压水枪配合吸泥泵清淤，使用清水泵抽水冲起、搅混基底泥沙，使用吸泥泵抽出基坑内浑浊水，清除基底泥沙。清淤至第二道支撑下1m，安装第二道内支撑。同样依此进行第三道内支撑安装。待第三道支撑安装完毕后安装竖向钢桁架连接上下两层内支撑体系。安装完毕后继续清理淤泥至设计基底标高处进行水下混凝土封底。

利用50t龙门将已经加工好的I56a下部支撑牛腿焊接在钢板桩设计位置，焊接完后将成品I56a围囹吊放在牛腿上。然后再焊接I56a上部牛腿将围囹定位卡稳。由于钢板桩施打过程误差I56a围囹会出现局部无法紧贴钢板桩情况，为保证钢板桩围堰不发生变形利用钢板将缝隙填实密贴且I56a围囹四角安装斜向支撑增加稳定性。I56a围囹安装完毕后按照设计点位实际丈量I56a围囹短方向间距，利用龙门将标准节段安装在围囹上，最后安装调节段使其紧贴围囹。安装长内支撑钢管。量取围囹间实际距离，据此确定调整节长度，并在现场加工。安装时先将抱箍放置于各个短支撑上(拉线以保证所有抱箍在一条直线上)，然后整体吊装长支撑钢管。

5.2.4内支撑拆除与钢板桩拔除

承台施工分两层浇筑，第一层承台浇筑2m完成后，在承台与钢板桩间抽水安装圆木支撑，然后再拆除底层内支撑；同理拆除第二层、第三层支撑，最后适时拔除钢板桩。拔桩时，尽量使板桩下部与混凝土脱离，然后再进行拔桩。

6.结束语

通过对黄河下游主河道区特殊水文调查了解和详细的计算分析，结合墩位处地质情况，在黄河主河道内设计采用钢板桩围堰改变传统提高钢板桩围堰设计标高高于洪水位高风险、高投入方法，总结出合理可行的，经济、高效、安全的水中钢板桩围堰施工方法，这套施工工艺为日后同类型围堰施工提供了参考经验并且成功地解决了工期紧张引起的高投入施工模式。

参考文献

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