廣州獵德大橋水中橋墩支護(hù)方案研究

廣州獵德大橋水中橋墩支護(hù)方案研究

1單壁鋼板樁+鋼支撐方案廣州市穗德橋位于廣州市海珠區(qū)甘德村南側(cè)，海心沙以東，北起臨江大道以東，橫跨珠江，南連磨沙沙，連接珠江新城和海珠區(qū)紅港。大橋近南北走向,全長為742m,采用自錨式懸索橋方案。江中共有5個橋墩(見圖1)。其中7#墩為主墩,由24根樁及承臺構(gòu)成,承臺尺寸為16.50m×64.25m×8.00m(順橋向×橫橋向×承臺高),承臺下混凝土墊層厚為0.5m,墊層底面高程為-5.575m(廣州市政高程,下同)。橋墩所在處河底面高程約為1.0m(見圖2),江水位受潮汐影響,水深為4.0~5.8m,挖土深度為6~7m,總深度在最高潮位時為12.4m。為保證承臺開挖施工和澆筑混凝土,必須修筑圍堰。通?？捎脝伪阡摪鍢秶摺㈦p壁鋼板樁圍堰、鋼吊箱、土石圍堰等方法。根據(jù)地質(zhì)情況、現(xiàn)場環(huán)境及工期要求,通過比較,考慮到造價和施工條件等因素,選擇了單壁鋼板樁+鋼支撐形式的施工圍堰。5#,6#,8#和9#墩為副墩,其平面尺寸及開挖深度均較7#墩小。以下主要介紹7#墩的鋼板樁圍堰設(shè)計和監(jiān)測情況。2項目總結(jié)2.1低水文化條件分析施工場地位于珠江江中,江水位受潮汐影響每日約2次漲潮。5a一遇水位為6.8m,低潮水位常在5m以下。水流特點是低潮位時流速較大,高潮位時流速很小,有時甚至有較小的逆向流動。分析計算時按最不利條件:水位為6.8m,流速為0進(jìn)行。根據(jù)水位觀測數(shù)據(jù),江水位在一天的大部分時間低于5.5m,該高程可作為抽水前的施工作業(yè)面控制值。2.2地質(zhì)剖面特征根據(jù)勘察報告和地形測量,7#墩河床高程為0.53~2.22m,基巖頂層高程為-3.71~-12.46m。鉆孔資料揭示7#墩場地分布土層主要為:海陸交互相沉積層(Q4mc)、殘積亞黏土層(Qel)、上白堊統(tǒng)基巖(K2)。場地地層自上而下分布為:淤泥、淤泥質(zhì)亞黏土、亞黏土、淤泥質(zhì)粉砂、中砂、亞砂土、硬塑狀殘積亞黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。圖2所示為7#墩承臺北側(cè)的一個地質(zhì)剖面。5#,6#,8#和9#墩場地的地質(zhì)情況與7#墩類似。2.3頂面“u3000”鋼板樁用于河床上圍堰施工已是成熟技術(shù),對于鋼板樁的受力性能已有不少研究,一般工程中要求鋼板樁有一定嵌入深度[3~6],但對于獵德大橋場地,巖層埋藏較淺(見圖2),強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的頂面一般僅比墊層底面低1~4m,局部已接近墊層底面。由于鋼板樁不易打入強(qiáng)風(fēng)化巖層,部分地段鋼板樁可能因嵌固深度不夠而使其樁底位移過大,發(fā)生“踢腳”破壞。針對這一問題,必須在結(jié)構(gòu)工藝方面采取措施避免“踢腳”破壞,在監(jiān)測方面找到可行的方法盡早發(fā)現(xiàn)“踢腳”破壞的跡象以保證安全。為此也必須在分析計算方法方面做出相應(yīng)改進(jìn)。另外,由于本工程圍堰尺寸很大,開挖較深,圍堰內(nèi)外壓力大,且嵌固深度不夠,按常規(guī)設(shè)計,支撐會很密,對工程施工帶來很大的不便,如何在保證圍堰安全的前提下,優(yōu)化支撐體系,提供較好施工條件,也是圍堰設(shè)計中需要考慮的重要問題。3鋼渣防護(hù)設(shè)計3.1實際鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)體系的確定施工場地位于珠江江中,需考慮江水位漲落、水流沖擊、施工及航運船只對圍堰體系的撞擊等不利因素的影響,同時施工期跨越珠江的汛期,考慮留有一定超高,確定圍堰頂高程不低于8m。圍堰內(nèi)第一層支撐是開始抽水的必備條件,需要在水面以上安裝,但從多支撐受力特性方面考慮,高程越低越有效,因此按大部分時間露出水面為準(zhǔn),選擇高程為5.8m。為防止因嵌固深度不足引起的破壞(踢腳),有3種可用方法:(1)將圍堰擴(kuò)大,內(nèi)部放坡;(2)增加支撐層數(shù);(3)加固鋼板樁底。比較3種方法,由于圍堰本身已經(jīng)很大,按方法(1)會導(dǎo)致支撐體系增大造價增加,另外由于5個橋墩同時施工,對渡汛和行船會有影響;按方法(2)則在開挖到接近坑底時支撐層數(shù)大增,后續(xù)澆筑混凝土?xí)r換撐過程復(fù)雜;方法(3)加固鋼板樁底原則上是可行的,但單純用它不足以解決問題。經(jīng)過反復(fù)的研究論證,結(jié)合3種方法的長處,確定了對7#墩鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)體系:(1)鋼板樁墻軸線定在距承臺邊3m處(見圖3),可提供一定的放坡空間,也有利于加固鋼板樁底。鋼板樁型號為FSP-IV,樁長為18m,以振打到巖面或達(dá)到-10m高程為準(zhǔn),圍堰尺寸為70.67m×22.50m(長×寬);(2)布置6層鋼支撐(見表1),上面4層的層間距為2m,下2層加密到1.8和1.6m;(3)在巖面高程高于-7.0m的地段內(nèi)緊貼鋼板樁鉆孔設(shè)置長9m的鋼管樁護(hù)腳(見圖4)。鋼板樁圍堰穩(wěn)定的關(guān)鍵是支撐體系,考慮水位漲落、施工船只?？繑D壓等不利因素,一般需要較大安全儲備。另外,為了便于施工,支撐不能過密。因此本工程采用較強(qiáng)的圍檁(腰梁)和強(qiáng)而疏的支撐。圖3為7#墩鋼板樁圍堰平面布置圖。圍檁和支撐按各層受力不同分別采用:第1層圍檁用2[36a組合梁,支撐用φ530mm×8mm鋼管;第2,3,6層圍檁用2[56a組合梁,支撐用φ800mm×10mm鋼管;第4,5層圍檁用2根I56a工字鋼與2條寬為580mm,厚為14mm的鋼板組成組合箱梁,支撐用φ800mm×12mm鋼管。護(hù)腳的鋼管樁直徑為128mm、壁厚為5mm、長度為9m,采用鉆機(jī)鉆孔,注漿成樁(見圖4)。其他4個墩情況類似,但隨挖深減少,其圍堰尺寸擴(kuò)大量、鋼板樁長以及鋼管樁布置量均相應(yīng)減少。3.2鋼板樁墻剛度的計算計算以陸培炎的研究為基礎(chǔ),以加虛擬拉力的全量方法模擬施工中加支撐的過程。土彈簧的剛度由土的參數(shù)E,μ確定;荷載包括主動土壓力和水壓力,嵌固部分土按被動土壓力作為土彈簧力的上限。施工中若某個支撐設(shè)置前其支撐點已發(fā)生位移s0,設(shè)置支撐后繼續(xù)開挖后的位移達(dá)到s,支撐剛度為k,則支撐軸力為F=k(s-s0),將ks0以虛擬拉力加在支撐點,用全量方法計算可得ks,進(jìn)而算出s與F。鋼板樁墻的剛度在施工中是一個變化的值,計算時須作一定的折減。根據(jù)多個工程的實測資料反算,設(shè)計計算時取鋼板樁銘牌值的50%作為樁墻剛度的設(shè)計值較為合理。有鋼管樁加固的鋼板樁墻計算時將兩者分別考慮:對于鋼管樁,它受到一個由鋼板樁底施加的水平集中力作用;對于鋼板樁,其底部的鋼管樁視為一個變剛度的彈簧(見圖4)。首先計算鋼管樁的水平剛度:對鋼管樁在巖面以上10cm處施加不同大小的集中力F1,F2,可計算出相應(yīng)的位移s1,s2,由此可以算出在相應(yīng)位移區(qū)域的彈簧剛度。將該彈簧加在鋼板樁底10cm處,與其他荷載和土彈簧一道計算,得到的該彈簧的力和位移值并與鋼管樁計算剛度時的力和位移范圍比較,若在范圍內(nèi),則將該力作用在鋼管樁上,計算相應(yīng)的位移。若鋼管樁的位移與鋼板樁協(xié)調(diào),則計算完成,否則須作迭代調(diào)整。加在鋼板樁上的彈簧,一般可用一層特殊土層代替,其變形模量與鋼管樁的剛度對應(yīng),需迭代決定,其c,?值取大值(不發(fā)生破壞)。3.3樁縫塞堵,放坡、澆筑首先設(shè)置鋼板樁導(dǎo)向架,插打鋼板樁,安裝第一層圍檁及支撐(避開高潮位)。然后試抽水并對河床以上水中樁縫進(jìn)行塞堵。從第2~6層,依次抽水或開挖到待安裝支撐標(biāo)高以下0.5m處,安裝圍檁及支撐。從第5層開始逐步縮小開挖面形成放坡。分區(qū)開挖到墊層底面,澆注混凝土墊層,最終形成完整平底施工面。承臺分4層澆筑,每澆筑完一層,在周邊回填砂后拆除一層支撐。最后2層支撐在澆筑橋墩上部時視需要拆除或換撐。3.47支撐的軸力計算設(shè)計計算時選用場地中地質(zhì)條件較差的幾個鉆孔資料進(jìn)行計算。施工工序分為向下抽水開挖的6步以及澆注拆撐的5步。最危險工況是開挖到底的時候。圖5顯示一個典型斷面(7–2測斜孔)抽水開挖的6步中鋼板樁的彎矩及位移計算結(jié)果。由圖5可見,鋼板樁最大彎矩約為345kN·m,最大彎矩出現(xiàn)的位置隨開挖深度增大而下移,并且出現(xiàn)反向變化。位移的最大處也是下移,最大值約為100mm。從曲線特征看,當(dāng)開挖較深時,鋼板樁下部表現(xiàn)類似簡支梁受分布荷載作用。7#墩各層支撐的軸力計算結(jié)果見表2。最大軸力出現(xiàn)在4,5層支撐。對每一層支撐本身,最大軸力出現(xiàn)在安裝后第一級開挖時。支撐體系需要有足夠大的安全系數(shù),以備各種不確定因素的作用,依工程經(jīng)驗,支撐的安全系數(shù)可取為2。按前述支撐布置,各層支撐的設(shè)計值為:第1層2262kN;第2,3,6層4797kN;第4,5層5742kN。與表2對比,可滿足安全系數(shù)>2的要求。4鋼渣圍堤施工及環(huán)境評價4.1鋼板樁墻變形檢測對本工程,最需要把握的是鋼支撐的軸力、鋼板樁的變形、鋼板樁底的位移等3項內(nèi)容。支撐軸力監(jiān)測采用自制的大標(biāo)距應(yīng)變計進(jìn)行,其結(jié)構(gòu)式:用與支撐相同材料的鋼桿(長約1m),一端焊接固定在支撐表面,另一端托在一個焊接在支撐表面的參考支架上,可自由滑動。只需測量鋼桿自由端與參考支架的相對距離變化,即可換算出支撐由于軸力引起的應(yīng)變。與此同時,由于溫度變化引起的應(yīng)變數(shù)值將自動抵消。該方法簡單、價廉,很適合圍堰的惡劣環(huán)境。測間距由人工用卡尺讀數(shù),精度不高,誤差約為10%。但對工程來說還是可以接受的。鋼板樁的變形用測斜儀測定。將φ75mm鋼管焊在鋼板樁凹槽內(nèi),隨鋼板樁一同振入。將測斜管插入鋼管并用細(xì)砂填充固定。測斜儀可測得水平位移,但對鋼板樁的安全性判別意義不大,這是由于圍堰對位移有很大的容許量(可達(dá)100~300mm)。有意義的是彎曲變形,可以利用測斜數(shù)據(jù)通過數(shù)值微分求得曲率,這是判斷鋼板樁是否達(dá)到塑性變形的可靠判據(jù)[10~12],也可用它與計算結(jié)果中的彎矩進(jìn)行比較,間接獲得鋼板樁墻的組合剛度變化信息。鋼板樁底的位移是判別踢腳破壞的關(guān)鍵信息。由于鋼板樁上部位移很大,不可能采用通常陸上基坑由樁頂向下計算測斜數(shù)據(jù)的方法。因此改利用支撐的剛性,將測斜管布置在有對撐的部位,仍以測斜管底為起點計算位移。由于支撐剛度很大,相對于測斜數(shù)據(jù)可認(rèn)為是不變長度,如果樁底發(fā)生向堰內(nèi)移動,從對應(yīng)2條測斜管測得支撐點位移會出現(xiàn)相對遠(yuǎn)離現(xiàn)象,這個相對位移值就可作為是否踢腳的判據(jù)曲線。本圍堰有6層支撐,可利用上面4層進(jìn)行監(jiān)測并相互校對。圖3中顯示了7#墩測點實際布置情況。7#墩共有10個測斜孔,其中有2對可作為鋼板樁底的位移判別;共有36個應(yīng)變計,每層選一個角撐和一個對撐,對撐為圓管,左右各裝一支,角撐為組合工字鋼,需要4支。其他各墩也相應(yīng)作了監(jiān)測布置,數(shù)量相對少些。監(jiān)測從第一層支撐完成時開始,至承臺澆注施工后結(jié)束,歷時約6個月。4.2施工及質(zhì)量監(jiān)測各橋墩圍堰于2005年4月開始插打鋼板樁,2005年12月份拔出鋼板樁。4.2.1支撐后逐漸減弱支撐軸力監(jiān)測是在每層支撐安裝后立刻開始,測試數(shù)據(jù)基本與計算預(yù)測的規(guī)律相符,各層支撐的軸力均表現(xiàn)出開始大,安裝下一層支撐后逐漸減小的特點。限于篇幅,表3僅列出實測軸力最大值與計算值進(jìn)行比較。表中可見,上面3層支撐的軸力與計算值吻合,下面3層有一定差異。這也是合理的,因為上面3層基本位于河床以上的水中,荷載明確。下面3層與實際開挖情況有關(guān),也與計算模式和假定的合理性有關(guān)。實際開挖到底層時分塊開挖比較淺,墊層減薄,放坡也做得較好?？傮w來看,計算結(jié)果還是滿意的。4.2.2鋼板樁嵌固深度圖6(a),(b)分別為位于支撐兩端一對測斜管7–2和7–8(見圖3)的位移測值曲線以及計算出來的曲率曲線(由于曲率計算需要計算點兩端多個點的數(shù)據(jù),剛板樁兩端附近的曲率不能提供)。7–2測斜管處巖面淺(-5.5m),有鋼管樁護(hù)腳。7–8測斜管處巖面深(約為-9m),鋼板樁嵌固深度大,未加鋼管樁。通過比較6(a)和6(b)可明顯看出差異:(1)兩者下半部分的位移曲線不同,7–8測斜管表現(xiàn)為有一定嵌固深度的正常形態(tài),有反彎點,而7–2測斜管不存在反彎,顯出類似于簡支端的性質(zhì),說明其依賴鋼管樁護(hù)腳才能穩(wěn)定。(2)兩者上半部也不同,7–2測斜管在后退而7–8測斜管在向前。這主要是由于支撐連接兩邊,位移協(xié)調(diào)所致。這是鋼板樁圍堰的常見現(xiàn)象。(3)曲率圖也可看出差異。7–8測斜管下半部有著正常的反向曲率,表示嵌固土體在起主要穩(wěn)定作用。7–2測斜管下半部分開始有曲率反向,隨著開挖加深而轉(zhuǎn)為沒有反向,與圖5所示計算預(yù)測情況相合。綜合可見,巖面較淺,嵌固不足,依賴鋼管樁護(hù)腳的現(xiàn)象明顯出現(xiàn)。4.2.3樁底相對位移量的影響圖7為利用7–2和7–8測斜管計算的在各支撐點高程的相對位移。以第3層支撐安裝后為基準(zhǔn)。由圖7可見,在開挖到第4層支撐以下0.5m,開始安裝支撐時,相對位移約有10mm,而進(jìn)一步開挖到第五層支撐以下0.5m并開始安裝支撐時則相對位移增大到約20mm。對照圖6(a),應(yīng)該判斷7–2測斜管所處部位鋼板樁底發(fā)生了移動。在此之后,相對位移趨于穩(wěn)定,圖7中未給出。鋼管樁護(hù)腳要發(fā)生一定的位移方可提供抗力,因此在此期間樁底相對位移量有一定的增加,同時剛板樁底部的抗力由圍堰內(nèi)土體逐步向鋼管樁護(hù)腳提供的轉(zhuǎn)化。當(dāng)剛板樁底部的抗力基本由鋼管樁護(hù)腳提供時,就達(dá)到了新的平衡,樁底相對位移量重新趨于穩(wěn)定。說明采用鋼管樁護(hù)腳的方法發(fā)揮了重要作用。如果相對位移量不穩(wěn)定,繼續(xù)發(fā)展,則應(yīng)考慮發(fā)生踢腳破壞的可能,需要報警并作必要的處置了。5鋼管樁護(hù)腳方案在地質(zhì)條件下的