拉森Ⅵ型钢板桩在强涌潮地区施工关键技术(修改稿

1、文章编号：1003-4722（2009）05-000强涌潮地区拉森型钢板桩围堰施工计算方法 陈长明（中铁大桥局集团第二工程有限公司,江苏 南京 ） 摘 要：新建杭州钱江铁路新桥位于钱塘江强涌潮地区，该桥部份墩采用拉森型钢板桩围堰施工水下承台基础。拉森型钢板桩贯性矩大，适合作为较深水深的防水围堰结构；钢板桩施工时插大和拔除均较为方便，锁口水密性能较好，可以多次反复使用。该文结合钱江铁路新桥钢板桩围堰施工提出了采用静止土压力代替传统主动土压力计算钢板桩围堰及静止土压力计算方法和计算取值；钢板桩与围堰封底混凝土支撑计算方法及模型、强涌潮下钢板桩围堰计算方法及模型等；可供同类桥梁基础及其他基坑施工计算

2、参考。关键词： 铁路桥；强涌潮；钢板桩；围堰；计算；施工 中图分类号：U443.162 文献标志码：ALarsen Type Steel Sheet Pile Cofferdam Construction Method Of calculating In Strong Tidal Bore AreaChen Chang Ming（The 2nd Engineering Company Limited of China Zhongtie Major Bridge Engineering Group ，Jiangshu,Nanjing,）Abstract: The Hangzhou Qiantan

3、gjiang new railway bridge at The strong tidal bore region, part of the bridge pier used Larsentype steel sheet pile cofferdam construction underwater pile cap foundation. Larsen type steel sheet pile moment of Inertia is bigger , and suitable for the deeper water depth Waterproof cofferdam structure

4、; and Driving or Pull-out are more convenient, Locking and Watertight performance better. In this paper, The Combination of Qiantangjiang railway bridge made of steel sheet pile cofferdam construction , Put forward the use of static earth pressure to replace the traditional active earth pressure; ca

5、lculation method and value of steel sheet pile cofferdam static earth pressure; the calculation method and model of the back cover bracing of steel sheet pile cofferdam; the calculation method and model under strong tidal bore of steel sheet pile cofferdam. The basis for similar bridges and other fo

6、undation construction reference calculation.Key words: Railway Bridge, Strong tidal bore, Steel Sheet Pile , Cofferdam ,Construction scheme, Calculated 1工程概况新建杭州钱江铁路新桥为18跨一联铁路四线预应力混凝土连续梁，大桥位于钱塘江干流杭州市河段，北岸为杭州市彭埠镇，南岸为杭州市萧山区。主桥44号60号共17个主墩均布置在钱塘江内，其中45号51号、53号59号墩为八边形承台厚4m，下部为17根2.0m钻孔桩，呈梅花形布置。制动墩52号墩为

7、八边形承台厚5m，下部为14根2.5m钻孔桩，呈梅花形布置。承台、桩基础混凝土标号均为C40。 在桥址位置，百年一遇最大涌潮高度2.45m，涌潮压力49kN/m2；十年一遇最大涌潮高度1.96m，涌潮压力32kN/m2。涌潮压力分布形式，在低潮位以上沿垂线方向差别不大，可按矩形分布；在低潮位以下水深范围内按零处理。2桥位地质及岩土力学性能 56墩桥位上部土层为粉土，其下为约1m厚的淤泥质粉质黏土层，土层分布见附图1。粉土层，黄灰色，潮湿、饱和，稍密中密，稍具层理，夹少量薄层黏性土，含少量云母碎片，摇震反应迅速。0100kPa，标准贯入试验7.78击。淤泥质粉质黏土，灰色，流塑，含大量贝壳碎屑及

8、少量腐植质，局部夹粉土薄层，属高压缩性土。080kPa，标准贯入试验4.48击。56号墩上部主要岩土力学值见表1.表1岩土层力学试验值墩号地层名称快剪固结快剪内摩擦角(度)凝聚力C(kPa)内摩擦角(度)凝聚力(kPa)56号粉土26.1416.0328.6113.243施工方案选择由于原钱江二桥施工时遗留下的部份栈桥预应力管桩与钱江铁路新桥部份承台施工双壁钢围堰重叠，且原钱江二桥施工时抛填片石及其他遗留物较多；本工程承台均埋于河床下，承台施工时若采用双壁钢围堰，则其下沉过程中将会遇到大量障碍物而导致钢围堰下沉困难。拉森钢板桩围堰能较方便地转向，遇片石或其它障碍物时可以适当避让；考虑本工程位于

9、强涌潮地区涌潮压力大，若采用钢板桩围堰则其钢板桩自身刚度要大、要具有较强的抗潮能力。拉森钢板桩为近期从日本引进的新型材料，该钢板桩每米板面惯性矩Ix=56700cm4；拉森钢板桩每米板面惯性矩Ix=38600cm4。拉森钢板桩较国内常用的其他钢板桩截面抗弯模量大、锁口水密性能较好、钢板桩施工时插打和拔除均较为方便；因此本桥钱塘江中部份承台选用拉森型钢板桩围堰施工承台的方案。4钢板桩围堰施工布置及步骤56号墩承台为八边形，平面尺寸为18.4m23.9m4m(顺桥向宽横桥向宽高)，承台底标高-3.575m。在距承台边净距约为1m外设置钢板桩围堰。钢板桩围堰顺桥向由32根宽度为0.6m及两根0.3m

10、转角钢板桩组成；横桥向由45根宽度为0.6m钢板桩组成；转角处钢板桩与另一根钢板桩焊成直角桩，便于钢板桩围堰方向转变。施工期水位为5.0m，钢板桩围堰顶按6m设置。钢板桩围堰设两层支撑，第一层支撑在5.5m，第二层支撑设置在2.5m处。钢板桩围堰平面及立面布置详见附图2、3。钢护筒插打完成后，在5.5m标高处钢护筒上焊接牛腿, 将附图2、3中第一层围檩设置好，然后再安装第一层内支撑。沿围第一层檩周围开始插打钢板桩直至形成闭合围堰，进行不排水取土至封底标高，水下混凝土封底；待封底混凝土达到设计强度后，抽水至标高+2.0m，在+2.5m处钢板桩围堰上的设置的牛腿上，安装第二层围檩并设置好第二层内支

11、撑。抽除围堰内的水，破除桩头，然后进行承台、墩身的施工。墩身施工完成后向围堰内注水至2.0处，拆除第二层内支撑及围檩，继续注水至4.5处，拆除第一层内支撑及围檩，拔除钢板桩。5强涌潮地区拉森钢板桩围堰计算5.1钢板桩围堰施工期间的土压力计算及取用值钢板桩围堰施工中经常出现的问题是钢板桩整体失稳致使钢板桩围堰向内包裹将施工人员及设备整体掩埋在基坑内俗称“包饺子”。从力学分析来看，造成钢板桩围堰包饺子的主要原因是对钢板桩围堰的土压力和水压力计算取值不足，造成设计的钢板桩围堰及其内支撑刚度不足、应力过大导致结构整体失稳或破坏。在钢板桩围堰工程设计计算前，应当对支护的土体具有较准确的把握，同时应当对所

12、采用的计算公式及计算模型的假设前提条件是否与本工程一致要有清楚的认识。传统上钢板桩围堰土压力计算通常采用朗金土压力理论中的主动土压力和被动土压力计算；对于挡土墙后土体表面下深度z处的微小单元体的应力状态其变化过程为：（1）主动土压力为：挡土墙在土压力作用下离开土体向前位移，当位移达到某一量值后，墙后土体达到主动极限平衡状态，土压力不再随位移的增大而减小，此时，作用在墙背的土压力称为主动土压力;（2）被动土压力：挡土墙在外力作用下推挤土体向后位移时，当位移达到某一量值后，墙后土体达到被动极限平衡状态，土压力不再随位移的增大而增加，此时，作用在墙上的土压力称为被动土压力；（3）静止土压力：挡土墙不

13、发生位移时所对应的土压力。对于钢板桩围堰当围堰内取土后，钢板桩将向内发生位移，围堰外的土体随板桩变形，在变形过程中土体短时间内在土体结构构成不发生变化时，当钢板桩位移量达到某一量值后，土压力为主动土压力；但由于钢板桩围堰刚度较小，且钢板桩围堰施工时一般土体中富含水分，在钢板桩围堰施工过程中的一段时间内，由于土体中水的流动将造成土体结构状态发生变化，因此土体对钢板桩的作用力，其最终平衡状态为土体和钢板桩的静止平衡状态，故钢板桩外侧土体压力应采用静止土压力进行计算，钢板桩内侧采用被动土压力较为妥当。钢板桩的静止土压力计算时其土压力系数取K0=1sin()；主动土压力系数取；被动土压力系数取。具体计

14、算数据见表2。5.2 钢板桩围堰计算工况钢板桩围堰施工时有两种工况最为不利，第一种工况：钢板桩围堰吸泥完成到封底前；第二种工况：钢板桩围堰抽水完成后。第一种工况主要确定钢板桩入土深度及验算钢板桩、围檩及内支撑强度和刚度，第二种工况仅验算钢板桩围堰、围檩及内支撑强度和刚度。钢板桩围堰设计时应分别对这两种工况进行分析。5.3 钢板桩围堰吸泥完成后计算模型及钢板桩入土深度计算钢板桩围堰在不排水吸泥过程中，当围堰内吸泥后，内侧土压力减小钢板桩有向内滑移的可能，因此需计算钢板下端入土深度是否满足施工需要，验算钢板桩的强度和刚度；需计算上端支撑力并验算内支撑是否具有足够的强度和刚度。当采用不排水吸泥时，钢

15、板桩围堰内外水压力一致故可不考虑水压力，只需分析钢板桩围堰内外土压力对结构的影响。对于土压力分布型式，尤其是在开挖面以下，朗金土压力理论或者静止土压力理论和建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)第3.4条水平荷载标准值中计算有较大差别。其土压力分布型式见图4和图5。本文图4中E0取静止土压力，图5中根据规程Ea取主动土压力，且基坑底下土压力不再增加。根据5.1条及考虑桥梁钢板桩一般处于水中施工、施工人员较多、安全性尤为重要，因此桥梁基础钢板桩施工计算时采用图4土压力分布进行计算较。由于是水下饱和土体，计算时，不考虑粘聚力，土体重量取浮容重。通过对附图4中静止土压力E0和被动土压力Ep对A点

16、取弯矩平衡求出钢板桩入土深度t0，通过试算t0的深度，确保K1（被动土压力对支撑点A弯矩/静止土压力对支撑点A的弯矩安全系数）1.2，来确定钢板桩最小入土深度；同时计算K2（被动土压力对支撑点A弯矩/主动土压力对支撑点A的弯矩的安全系数），其结果见表2。然后再将入土深度取1.2倍安全系数得出钢板桩实际施工入土深度t。表2钢板桩围堰吸泥计算结果表墩号静止动土压力E0(KN)主动土压力Ea(KN)被动土压力Ep(KN)对支撑力矩安全系数K1对支撑力矩安全系数K256338.5 234.9 452 1.50 2.16 5.4 钢板桩围堰抽水后计算模型钢板桩围堰封底抽水后，由于封底混凝土具有较大的刚度

17、，因此封底混凝土对钢板桩具有刚性支撑作用，且封底混凝土具有一定的握裹力；故封底混凝土与钢板桩底的计算模型模拟具有较大的难度，如何模拟对计算结果有较大的影响。考虑封底混凝土表面不平整，把封底混凝土理论顶面下20cm作为钢板桩下端刚性支撑点；其余封底支点作为受压刚性、受拉在钢板桩的握裹力范围内的刚性支点；底端作为竖向支撑的支点；将每根钢板桩围堰、围檩及所有内支撑共同作为整体模型来进行模拟计算。单根钢板桩围堰计算模型见图6、7。当图7中封底支点2拉力大于其握裹力时，钢板桩封底支点1下钢板桩具有向外变形的趋势，因此其土压力应按照被动土压力进行计算。考虑到钢板桩间的锁口效果一致性不好，围堰围檩与钢板桩间

18、支撑的均匀性难以控制钢板桩竖向刚度及截面抵抗矩均采用0.7倍设计值进行计算，计算最大应力166.3MPa，最大挠度18mm。5.5 强涌潮时钢板桩围堰计算模型强涌潮时其计算模型在钢板桩围堰第二种工况中增加迎潮面涌潮压力，按照整个钢板桩围堰建模进行计算；同时比较计算迎潮面和两侧面三面加涌潮压力计算钢板桩围堰。其计算模型见图8。6 结束语新建杭州钱江铁路新桥通过对钢板桩围堰的关键技术进行仔细的分析和研究，在强涌潮地区成功实现了拉森型钢板桩围堰施工水下承台基础，取得了一定的经验。由于拉森型钢板桩为近期从日本引进的新型材料，比过去的其它类型拉森钢板桩加大了截面抗弯模量，可以作为较深水深的防水围堰结构，钢板桩施工时插大和拔除均较为方便，锁口水密性能