施工技术评职论文浅谈水中受力分析

　　摘要：结合广乐高速武江特大桥水中墩基础施工实践，阐述贝雷桥、钢板桩围堰的设计方法、施工技术及受力分析，为同类工程提供了指导。

　　关键词：水中墩基础,贝雷桥,钢板桩围堰

　　1 工程概况

　　广乐高速武江特大桥水中共计16墩位，76根钻孔桩，桩径为1.8m、2m和2.8m三种，主墩承台尺寸为10.6m×7m×3m，VI级航道。水流自北向南，西、东岸河槽宽度为40m及50m，中间为沙洲，下游为水电站，水深3m～9.6m,江水流速平缓,卵石土层厚达20m，无淤泥层。

　　2 贝雷桥的特点和类型选择

　　贝雷桥具有结构简单、轻巧、快速、经济、组合结构系统好、互换性强和容易组装等特点，按各种排、层组合，跨度可由9m～69m。拆除后其材料、部件能回收再进行使用，以免浪费。

　　3 贝雷桥及平台设计

　　3.1 贝雷桥设计

　　贝雷桥承载力及通行力满足50t吊车和9m3砼罐车满载通行要求。栈桥总长549m,桥面宽6m，基本跨度为15+9m。

　　栈桥采用2根钢管柱基础，桩顶设两根I36b工字钢横梁，其上铺单层双排贝雷片，横向布置为90cm+370cm+90cm，栈桥设计承重65t。

　　钢管柱直径630mm，厚8 mm，横向间距4.9m。桥面采用6m长Ι25b工字钢作为分配梁，间距按75cm布置，搁置在贝雷梁上;桥面铺设25b槽钢，间距30cm。

　　3.2 平台设计

　　引桥钢平台长24m，宽11m;桥面板及分配梁与栈桥一致;纵梁为单层双排贝雷梁片，搁置在双拼36b工字钢垫梁上;基础为直径ф630mm，壁厚8 mm的钢管，横向布置5.5m×2，纵向12m×2。

　　主墩钢平台长25.5m，宽18m,纵梁采用单层双排贝雷片,基础采用直径ф800，壁厚10mm的钢管，纵向间距4.35+3.5+4.88*2+3.5+4.35m,横向间距8m+10m，管桩与管桩之间用325*6mm钢管焊接，形成井架基础。

　　4 钢栈桥施工

　　4.1 钢管桩的定位

　　利用一台全站仪在岸上，沿着钢管桩顺桥轴的方向固定外切方向，定出钢管桩的距离，利用竹竿吊垂球定位，岸上的人目测顺桥向，小船上的人目测垂直向，控制钢管的平面偏位情况和垂直度，并通过对讲机指挥打桩机调整钢管桩的垂直度和纠正平面偏位。

　　4.2 桥钢管桩打设

　　贝雷桥钢管桩擦打部分采用50t船吊和DZ90振动锤配合进行施工。50t船吊无法到达地方利用运沙船浇沙将卵石河床填平、压实形成筑岛，然后用船将机具运至筑岛上施工作业。

　　4.3 工艺要点

　　⑴ 按设计好的栈桥桩位和标高打桩和控制定位。

　　⑵施工过程中以贯入度控制为主，标高复核为辅。为保证钢管的防冲刷及抗横向力的能力，根据施工需要可在钢管桩周围抛砂袋。

　　⑶在振动锤振动过程中，如桩顶有局部变形或损坏情况，要立即停止振动，及时修复后再进行。

　　⑷钢管下沉必须均匀连续，中途间歇时间不可过长,最好控制在15min以下。

　　⑸施打时要不断检测桩位和桩的垂直度，并控制好桩顶标高和贯入度。

　　4.4 贝雷梁、分配梁及桥面板安装

　　贝雷梁拼装在后场进行，按组进行，每次拼装一组贝雷，每组贝雷梁长9m、15m，贝雷片之间用联接片连接好。

　　在下部结构顶垫梁上进行测量放样，定出贝雷梁准确位置。贝雷每两片分为一组，先安装一组贝雷梁，准确就位后先牢固捆绑在垫梁上，然后用骑马螺栓将贝雷梁固定在垫梁上。贝雷梁安装完成后，按设计要求架设I25b分配梁和桥面槽钢。分配梁用骑马螺栓与贝雷梁固定。

　　4.5 钻孔桩施工

　　选用冲击钻按照陆地上常规钻孔施工完成钻孔桩施工。泥浆池采用相邻桩钢护筒进行造浆循环，不得排入河中。

　　5 钢板桩围堰施工

　　主墩承台尺寸为10.6m×7m×3m，采取矩形长边整体围堰，围堰尺寸25.85m×9m，最大水深为9.6m，设计地质揭示覆盖层为16～45m厚卵石土。结合设计、河床地质情况、工期、经济优越性，拟采用18m长拉森Ⅳ钢板桩。围堰内设2道围囹，上下层采用I45b工字钢双拼焊接。

　　5.1 施工工艺

　　5.1.1 工艺流程

　　测量定位→护筒上焊牛腿→导向架加工拼装→焊接第一层围囹→沿围囹插打钢板桩→潜水员检查→角桩合拢→抽水、止水→安装第二层围囹→监控量测围囹变形→凿桩头、清基及回填垫层→封底→支撑体系转换→承台施工→第一道支撑体系转换→施工墩柱→拆除支撑，拔钢板桩。

　　5.1.2 施工步骤和方法

　　(1)导向架加工安装。在钻孔桩外侧的钢护筒上焊接牛腿托架，安装第一道支撑导梁，作为钢板桩插打时的导向架，以控制其平面位置和垂直度。

　　(2)钢板桩插打施工。利用50t浮吊作为起吊设备，配合DZ90型振动锤的施工方法逐片施打。插打采用逐块(组)插打到底或全围堰先插合拢后，再逐块(组)打入。打桩时先在中心打入一个用两根拉森桩焊接在一起的控制桩，以导梁为定位、垂直插打，第二根桩要与第一个桩相咬合并保持桩身垂直打入，最后在接口处上部焊接及与导向架焊接起来，以抗水流冲击，然后依次类推打完整个围堰钢板桩，最后角桩封闭位置将两个拉森桩垂直焊接在一起打入(如图1所示)，形成转角，经过多次调整短边误差构成自然角桩合拢。

　　(3)支撑及基坑处理。钢板桩施打完后，开始布置第一道围囹、支撑，抽水至第二层围囹下方1m后安装第二层围囹及支撑(如图2、图3所示)，后继续抽水堵漏，直至基坑底。监控量测相对变形位移及四角绝对位移，监测桩顶向基坑内外的偏移量。尤其是洪水期要严密监控。

　　5.1.3 水下封底

　　水下封底施工采用垂直导管法施工，应根据导管的直径、砼的流动半径，均匀、合理布设导管数量。砼的流动半径按3m考虑，直径为Φ300 mm钢管，首批砼灌注埋深不小于60～80cm,采用分层、先低处后高处、先四周后中间法灌注。灌注中需派潜水员观察水下灌注情况，保证水下混凝土的封底厚度、质量及大面平整。20#墩相当低承台不需封底，只需15cm垫层封底即可。

　　5.2 钢板桩入土深度验算

　　查《桥涵》上册图5-45板桩计算图(四)曲线6-6，根据卵石土的内摩擦角φ=35°得h=a×H=0.4×9.6=3.8m。

　　开挖后围堰外入河床9.6m,入河床至少3.8m，露出水面1m,则总长13.4m,需选用18m长拉森钢板桩。现场将根据实际贯入度进行控制，保证钢板桩入土深度不小于3.8m。根据桩位地质资料，桩底范围下40m为卵石土，σ=200kpa,中密，持力层中又无承压水，在此可不验算钢板桩的入土深度。

　　5.3 内支撑及弯矩计算

　　(1)荷载计算。多支撑板桩按等反力布置时，支撑间距第二层为第一层的0.6倍，第一支撑的反力只为其他各支撑反力的0.15倍。这种支撑布置可使各跨板桩的弯矩尽量接近，以期经济。则H=h+0.6h ，即6.58=1.6h，得h=4.11m，支撑从上到下间距依次为4.11m，2.47m。

　　取1m宽板桩计算，则河床底的水压力P=ρgh=65.8KN/m ,则压力线的增加率p=65.8/6.58=10KN/m2。

　　各支撑的反力P=pH2/2(n-1+0.15) ，式中;P—各支撑反力，kN;n—支撑数;p—压力线的增加率，KN/m2;H—基坑深度，m。

　　则1延米钢板桩支撑反力P=10×6.582/(2×1.15)=188.2kN。

　　(2)内力验算。按等反力原理布置，各支撑受力相等。利用结构力学求解器计算得σ=4.92P/A=98.4MPa<【σ】=215 MPa，满足要求。

　　(3)围囹布置及检算。由图5可知，Mmax=2.97×188.2=558.95KN.m，

　　受均布荷载最大的是最底层围囹，W=2Wx=2*1500=3000cm3，σ=M/W=558.95*103/(3000*10-6)=186.3MPa<【σ】=215 MPa，满足要求。

　　(3)剪力Qmax=2.5*188.2=470.5KN,τ=Q/A=470.5*103/(2*111*10-4)=21.19 MPa<【τ】=125MPa,满足要求。

　　(4)围囹最大变形计算。I45b E=200GPa;双拼工字钢截面面积：A=222cm2，截面惯性矩：I=67520cm4，故有：EA=4.44*109， EI=13.504*107。

　　根据图6可知钢围囹最大挠度发生在单元2跨中处，最大挠度值为9.7mm

　　(5)21#墩支撑采用4个K撑(八角撑)，上下两层支撑均采用I40b工字钢，下层围囹采用2I56b工字钢，上层采用2I45b工字钢，且将第二层围囹提到层台上，第一层与水面平齐，不需体系转换，更经济和方便。

　　即围囹Mmax=250.9KN.m，K撑Mmax=49.1 KN.m，底层围囹W=2Wx=2*2447=4894cm3，σ=M/W=250.9*103/(3000*10-6)=51.2MPa<【σ】=145 MPa，满足要求。K撑W=Wx=1140cm3，σ=M/W=49.1*103/(1140*10-6)=43.1MPa<【σ】=145 MPa，满足要求。

　　5.4.封底厚度确定

　　封底混凝土的作用不仅在于堵渗水，而且还能平衡围堰抽水后受到的浮力。封底混凝土采用水下混凝土施工浇筑工艺，待混凝土达到强度后再抽水施工。假设封底厚度为1m，F-G1≤(nπD+2υ)×[τ] ×T ，则通过计算得τ=F-G1 =10626.1kN<[τ]=11718kN，因此，在抽干水时不会上浮。

　　6 总结

　　通过水中墩的施工实践，其施工技术和设计取得了成功的经验，既满足了施工进度、整体稳定性要求，又节约了成本,施工工艺成熟可操作性强，采用八角撑比直撑更经济、方便快捷，取得了良好的经济效益。这是我们在实际施工过程中通过比选、实践与摸索出来的，对今后类似水中墩施工提供了借鉴。

　　参考文献：

　　[1]胡明义.公路桥涵设计手册(梁桥上册).北京：人民交通出版社，1996年3月.

　　[2]、何兆仪、邹毅松等编著，路桥施工计算手册，人民交通出版社，2001年10月.

　　[3]第一公路工程总公司主编，公路施工手册(上、下册)，第二版，北京：人民交通出版社，1999年11月.