大青沟特大桥是永城国道343项目关键控制性工程, 桥梁全长1 201m, 主桥为 (47+80+47) m预应力混凝土连续箱梁, 桥墩采用薄壁空心墩。主墩承台结构尺寸25.1m×10.6m×3.5m。

该桥主墩承台部分位于主河道内, 承台位于新规划河床底部, 河床地质为黏土层, 根据水位标高筑捣施工平台, 开挖深度约7m, 根据现场实际情况及方案对比, 优先采用拉森Ⅳ型钢板桩围堰施工。

根据总工期要求, 结合工程特点及环境因素并考虑材料利用, 经与土袋围堰方案比选, 钢板桩兼具安全可靠、重复利用、施工便捷、防水效果好等诸多优点, 因此, 基坑防护采用钢板桩围堰施工方案。

承台基坑开挖时钢板桩围堰起到支护作用, 防止土方坍塌、止水、防水作用, 主要由4部分组成:钢板桩、腰梁、支撑体系、混凝土封底。钢板桩围堰结构如图1所示。

围堰的两端设计为2K型支撑体系, 增强了围堰整体稳定性, 保证结构安全。采用容许应力法对围堰结构进行计算, 利用Midas Civil软件进行有限元分析, 其中钢板桩的入土 (岩) 约束条件按照m法, 加设拉森Ⅳ型钢板桩按每米板宽参数建立15m长梁单元模型。

主动土压力荷载:粉质黏土和粉砂层采用水土合算法, 其余土层采用水土分算法, 荷载组合:土压力+水压力。

Q235钢材的容许应力[σ]=1.2×140.0=168.0MPa, U型钢板桩容许应力值为200MPa, 惯性矩为3.86×108mm⁴, 截面模量W_x=2.27×106mm³, 面积A=24 250mm²。

1) 工况1插打钢板桩至围堰合龙, 围堰内开挖至-3.400m。

2) 工况2安装腰梁及内支撑, 围堰内开挖至基坑底-6.900m。

工况1钢板桩最大弯曲应力σ=30.4MPa<200MPa, 满足要求, 钢板桩顶最大变形21.3mm, 坑底变形13.6mm。工况2钢板桩最大弯曲应力σ=121.4MPa<200MPa, 满足要求, 坑底最大变形18.8mm, 腰梁及支撑反力N=151kN。

围堰共设1层腰梁及内支撑, 腰梁支撑在牛腿上, 采用2HN600×200型钢, 内支撑采用2[36b。经计算, 腰梁及内支撑最大应力为106.7MPa<168MPa, 满足要求。内支撑ZC1最大轴力为745.4kN、内支撑ZC2最大轴力为355.2kN、内支撑ZC3最大轴力为681.1kN, ZC1最大弯矩11.1kN·m, ZC2最大弯矩10.5kN·m, ZC3最大弯矩7.2kN·m。ZC1, ZC2, ZC3作用平面内 (外) 稳定性满足要求。

按最不利工况2进行检算, 主动土压力和被动土压力分别对+29.200m (腰梁中心线) 处取矩。倾覆力矩:M₁=11 033.4kN·m, 抗倾覆力矩:M₂=14 044.4kN·m, 抗倾覆稳定系数=M₁/M₂=1.27>1.2, 倾覆满足要求。

基坑抗隆起安全系数:

由于地基土为不透水的黏土层, 土的摩擦力大, 传统的直接插打钢板桩方法出现了插打困难、进度慢等情况。经过多次试验, 采取“水引法”插打钢板桩方案。

钢板桩围堰横向长度28m, 一次封底难度大, 为确保围堰安全, 充分利用黏土触变效应, 底层土方分块开挖到设计标高后, 快速分块浇筑混凝土, 平衡外侧土压力, 即保证围堰安全, 又起到防水的作用。

近年来, 逐根式打桩法因其施工简便、迅速、不需要其他辅助等特点越来越受欢迎, 新开发的打桩设备也能很好地控制打桩质量, 在合适的土质条件及施工环境中, 能够实现打桩效率最大化。根据主墩的地质条件, 采用逐根式与屏风式打桩相结合插打方案。

随着工程机械化程度的不断提高, 智能型机械在工程领域被广泛应用, 打桩机械采用500型履带式插板机, 具有吊装、插打、调平等多项功能。

施工工艺流程:施工准备→测量放线→施工定位桩→安装导向架→开挖水引槽→插打钢板桩→合龙→第1次基坑开挖→安装腰梁及支撑→第2次开挖→混凝土封底→钢板桩围堰监控→承台施工→承台四周第1次回填→拆除腰梁及内支撑→第2次回填→拔桩。

精确定位后, 插打426钢管桩, 作为钢板桩的定位桩, 为钢板桩竖向平面提供支撑力、防止侧向挠曲、控制桩翼缘平行度、减少锁口扰动, 从而减少摩擦力, 保证钢板桩插打精度。

水引槽注满水后, 先插打角桩, 插打角桩时, 一定要慢速插打, 第1根桩非常重要, 必须精确控制其轴线方向和垂直轴线方向的垂直度, 在定位和打桩阶段必须实时控制垂直度, 从角桩开始逐根插打, 每根钢板桩连续插打, 插打过程中, 水引槽内的水随钢板桩一起插入土层内, 水对钢板桩起到润滑作用, 同时对钢板桩周边土起到湿润的作用, 降低土对钢板桩摩擦力, 加快钢板桩插打速度。

逐根插打完成后, 剩余最后20根采用屏风式插打, 精度至关重要, 才能确保钢板桩精确合龙。打桩之前, 在导向架内把钢板桩预先拼装一面屏风, 这种情况下, 两侧锁口在没有打桩之前就咬合在一起, 因此两侧摩阻力是平衡的, 从而最大限度地确保了桩的精度, 分阶段依次打入土中, 最后精确合龙。

施工前, 锁口内涂以黄油混合物油膏以减少插打时的摩阻力, 起到止水、防渗的作用。施工完成后, 发生锁口变形情况, 出现漏水现象, 在钢板桩顶锁口的位置投撒黄砂, 黄砂沉至漏水位置, 即可起到止水作用。

钢腰梁及支撑在钢结构加工场加工合格后, 进行预拼, 第1次开挖到腰梁设计标高处焊接牛腿, 与钢板桩焊接成整体, 间距2.4m, 焊缝验收合格后, 拼装腰梁, 安装内支撑。第2次开挖之前, 全面检查, 特别是要检查腰梁与钢板桩之间是否密贴, 使钢板桩受力均匀, 保证结构安全。

围堰合龙后, 对基坑内土方进行清底, 根据现场实际情况和土质条件, 可采取直接排水开挖, 分台阶、分段开挖, 分段混凝土封底。要求当天开挖的必须当天混凝土封底, 防止土体因时间效应发生蠕变, 造成变形漏水。

钢板桩围堰施工过程中, 内支撑拆除过程危险程度比安装时多。为了安全, 拆除支撑时严格按照从下到上逐层回填到腰梁位置, 逐步释放内应力的原则, 对内支撑及腰梁进行拆除, 继续回填离板顶50cm位置, 进行拔桩。

根据钢板桩容许应力和Q235钢材的容许应力, 钢板桩容许应力达到200MPa, 腰梁及内支撑容许应力达到168MPa, 启动预警。当监控钢板桩变形>40mm时, 应采取加密观测。当累计变形超过50mm, 启动预警, 应停止施工。

通过该桥主墩钢板桩围堰的设计与施工实践, 总结以下几点经验: (1) 利用Midas civil软件建立钢板桩围堰结构模型进行钢板桩受力分析计算, 可以更好地模拟复杂作用下围堰受力状态, 计算结果安全可靠。 (2) 逐根式插打与屏风式插打方法相结合, 解决了钢板桩难合龙的问题。 (3) 单桩的锁口内, 涂以黄油混合物油膏, 锁口止水, 防渗效果显著。 (4) 充分利用土体蠕变时间滞后效应, 分块取土, 分块干封混凝土, 缩短了地基土的暴露时间, 实现快速施工, 确保围堰安全。 (5) 采用水引法插打比直接插打工期缩短6d, 为后续施工争取了宝贵时间, 同时节约施工成本28.5万元, 取得了很好的社会效益和经济效益。