拉森Ⅳ型钢板桩围堰技术在哈齐客运专线施工中的应用.docx
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拉森Ⅳ型钢板桩围堰技术在哈齐客运专线施工中的应用.docx
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拉森Ⅳ型钢板桩围堰技术在哈齐客运专线施工中的应用
拉森Ⅳ型钢板桩围堰技术在哈齐客运专线施工中的应用
摘要:
新建哈齐铁路客运专线由中铁十五局哈齐客专项目部一分部分部承建的HQTJ-4标起始里程为DK178+329.605跨化工厂专用线特大桥是全线关键控制性工程,)是本大桥施工的关键控制点,也是整个施工段的控制重点,施中既要保证大桥柱墩水中深基坑正常施工安全也要保证既有铁路正常运行安全,安全防护压力大。
一方面施工难度大,工序较为复杂,施工周期长,结合工程实践,详细阐述了拉森型钢板桩围堰技术,可为类似工程提供借鉴。
关键词:
拉森钢板桩;基坑支护;施工工艺;施工监测
一、工程概况
哈齐铁路客运专线是目前国内开工建设的时速达250km/h以上全部穿越冻土层地区的第一条客运专线,位于大庆至齐齐哈尔,地处嫩江平原,沿线有多处水塘、湿地,软土路段的软土层厚多为4—6m。
中铁十五局哈齐客专项目部一分部分部承建的HQTJ-4标起始里程为DK191+222.78~DK196+897.49,正线长度5674.71m,沿线多为软弱土层,因此如何满足地基稳定、路基沉降量小及沉降变形均匀是该路基施工的重点。
由于桩筏结构具有承载力高,稳定性好,地基总沉降及差异沉降小等优点,且能满足地基承载力不均匀及软弱地基工后沉降的要求,设计采用桩筏结构路基加固的方式进行地基处理,厚50cm,设计强度等级为C35或C45DK175+329.605
跨化工厂专用线特大桥,桥梁全长为6.295Km,结构形式为:
2(22-24m+169-32m+1-60+100+60m连续梁)。
其中161号墩~164号墩采用(60+100+60m)预应力混凝土变截面连续箱梁,上跨化工厂专用线和地下光缆,斜交角度169°20/。
连续梁采用挂篮悬臂灌筑施工方法施工。
连续梁主桥墩承台为二级承台,底层承台的结构尺寸为18.6m×14.6m×3.5m,顶层二级加台结构尺寸为14m×9.2m×3m,承台底设计标高为133.893m,此处的地面标高为141.160m,基坑的开挖深度为7.267m.属深基坑。
承台开挖地段地质状况:
0~2m杂填土;2~3m承载力为90Kpa的粉砂层;3~4.9m承载力170Kpa的粉质黏土;4.9~8.5m承载力110Kpa的粉砂层,此处地下水位在4m左右。
承台开挖地段的平面位置:
承台的位置位于既有滨州铁路线与让杜路之间,承台左侧边线距离滨州铁路线路基坡脚仅有10米距离,且此处地面地势较低。
承台右侧边线距让杜路仅4米的距离,承台大里程一侧边线与专有线道口栏网走行轨紧临。
承台三面受限,施工范围非常狭窄,都不能放坡开挖;而且承台开挖地段土层多为砂层,地下水位较浅,基坑容易坍塌,这就给承台的施工带来很大难度。
(--)自然地理特征
哈尔滨至齐齐哈尔客运专线铁路处于冲积平原(松嫩平原)区。
河床坡降较小,河道蜿蜒曲折,具典型辫状河流。
海拔高程一般为110~130m。
嫩江自北向南流,河谷宽阔平坦,高程140~150m,河床缓倾斜,河曲发育,有断续的自然堤分布,河水流量受降雨的影响随季节变化明显,平时水量较小,雨季(一般为七、八月份)水量暴涨。
线位位于嫩江东岸冲积平原,分布有较大范围的沼泽化地段。
沿线分布地层主要为第四系及第三系地层。
第四系(Q)可分为全新人工堆积层、主要分部于沿线道路及城镇附近;新近沉积层主要分布在冲积平原的沼泽及湿地内;
不良地质现象有风积砂、季节性冻土、软土、松软土、盐渍土及膨胀土(岩)等地质类型。
根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001),并结合地震安评结果以及现场调查各工程设置情况,将沿线的地震动峰值加速度划分,起点~终点,0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。
沿线属于中温带亚湿润~亚干旱大陆性季风气候区。
冬季严寒干燥漫长,夏季多雨凉爽,春、秋季干旱多风;蒸发强烈且持续时间长,蒸发量大于降水量约3倍左右由于沿线最冷月平均气温均低于-15℃,属严寒地区。
年平均气温4.1℃~4.7℃,极端最高温度38.7℃~40.8℃,极端最低温度-36.8℃~-39.3℃;年平均降雨量418.1~537.5mm,最大积雪厚13~24cm,最大度季节冻土深度189~272cm。
(二)工程的特点及重难点
①征地拆迁协调工作量大:
本段线路处于即有滨洲线与杜让路之间,既有设备及地下管线多而繁杂,涉及到的产权单位也相对较多。
本桥跨越让湖路西站及喇嘛甸火车站,两个火车站需要拆迁的房屋及其它建筑特较多。
由于前期的征地拆迁工作直接制约着工程的进展程度,因此征地拆迁工作时间紧,任务重,协调难度大。
②1-60+100+60连续梁采用悬臂挂篮施工,连续梁折施工组织、质量控制、现浇梁的徐变控制及桥梁基础沉降控制是本段桥梁工程的技术难点。
本桥下部墩台共计195个,数量多。
由于本工程位于东北严寒地区,有效施工工期短,施工高峰期又正值雨水期,再加上受上部架梁计划的限制,工程量大,施工任务紧,工期短。
因此必须投入大量的施工机械,加强施工组织管理,有条不紊组织好各项工程的衔接、搭接施工以及工期安排是本施工段桥梁的重点。
施工过程中需要科学组织,妥善处理各分项工程衔接,按工期要求配备生产要素,使专业队伍、机械设备、资金投入既满足施工工期要求,又能做到队伍不窝工、设备不闲置、资金不浪费。
紧紧围绕总体工期要求,保证各阶段各工序不出现安全质量问题,确保下部的顺利完成。
钢板桩围堰防护
采用先打入钢板桩,形成并加设内支撑,确保基坑在开挖过程中的稳定性,再开挖下部基坑。
形成钢板桩围堰的围护体系。
钢板桩围护一方面施工进度快,能够迅速展开施工,速度快,周期短;能够起到围堰作用。
而且钢板桩一般有现成的,可以租用和倒用,在深基坑的施工中经常使用。
通过以上两种方案优劣比较,钢板桩围堰的防护方式更适合本地段深基坑的开挖支护,因此决定采用钢桩围堰支护。
二、钢板桩围堰总体施工方案
根据本工程场地地质情况的特点,本工程钢板桩主要作用一方面是起到挡土支护作用,另一方面为了隔绝砂层地下水流入基坑,防止基坑坍塌。
钢板桩采用拉森III型钢板桩,长12m,钢板桩围堰范围20.1m×16.1m,比承台周边尺寸大1.5m。
钢板桩采用液压振动锤压入设计位置,钢板桩周圈咬合紧密,有止水措施。
分层开挖,分层采用工字钢围檩并斜撑加固,围堰内侧四周圈采用工字钢分四层以围檩形式支护,顶层采用I30工字钢;开挖部分的1/2处、1/4处以及底层均采用I30工字钢,四角采用工字钢I30斜撑,以增强工字钢围檩抗弯强度。
钢板桩围檩及内支撑布置见下图所示。
承台底面位于承载力为90Kpa的饱和粉砂层上,围堰基底先用碎石回填50cm找平,并浇筑C20混凝土垫层,厚度为10cm。
两级承台分别一次浇筑完成,先浇筑底层承台,混凝土方量为815立方,再浇筑顶层加台,混凝土方量为386.4立方。
两级承台浇筑完成后,先拆除内支撑工字钢,并回填夯实,最后拨出钢板桩。
钢板桩施工图例
钢板桩围堰施工照片
三、钢板桩施工
1、材料选择。
根据工程所在地场地特点,结合钢板桩的特性、施工方法等方面进行考虑,选用拉森Ⅲ型钢板桩,拉森Ⅲ型钢板桩宽度适中,抗弯性能好,其主要技术参数为:
W=1600cm3,g=60kg/m,依地质资料及作业条件决定选用钢板桩长度12m长。
基坑开挖深度为8米,底部4米埋入土中。
2、钢板桩检验。
将钢板桩运到工地后,钢板桩在拼组前必须对其进行检查、丈量、分类、编号,同时对两侧锁口作通过试验,以2~3人拉动通过为宜,或采用卷扬机拖拉。
锁口通不过或桩身有弯曲、扭曲、死弯等缺陷,采用冷弯,热敲(温度不超过800~1000℃),焊补、铆补、割除、接长等方法加以整修。
同时接头强度与其它断面相等,接长焊接时,用坚固夹具夹平,以免变形,在焊接时,先对焊,再焊接加固板,对新桩或接长桩、在桩端制作吊桩孔。
外观检验包括表面缺陷、长度、宽度、厚度、端头矩形比、平直度和锁口形状等内容。
检查中要注意:
①、对打入钢板桩有影响的焊接件应予以割除;②、有割孔、断面缺损的应予以补强;③、若钢板桩有严重锈蚀,应测量其实际断面厚度,以便决定在计算中是否需要折减。
原则上要对全部钢板桩进行外观检查,对不符合要求的钢板桩需进行矫正。
3、钢板桩吊运及堆放
装卸钢板桩宜采用两点吊。
吊运时,每次起吊的钢板桩根数不宜过多,并应注意保护锁口免受损伤。
吊运方式有成捆起吊和单捆起吊、钢筋捆扎、专人指挥。
钢板桩堆放的顺序、位置、方向和平面布置应考虑到以后的施工方便,并按型号、规格、长度施工部位分别堆放,堆放的高度不宜超过2m。
4、施工工艺流程
钢板桩的主要施工工序流程如下:
主基线确定定桩位钢板桩施打基坑开挖围檩、拉杆、角撑基底处理
承台施工基坑回填、拆除内支撑拔桩。
⑴、基线确定:
施工技术人员按照设计的尺寸在施工现场放出承台四周边线的位置,并留出以后施工需要的工作面,确定钢板桩施工位置。
⑵、定桩位:
按顺序标明钢板桩的具体桩位,洒灰线标明。
⑶、钢板桩施打:
插打钢板桩之前须检查振动锤。
振动锤是打拔钢板桩的关键设备,在打拔前一定要进行专门的检查,确保线路畅通,功能正常。
且功率达到40KW以上,而夹板牙齿磨损不宜太多。
在插打过程中,加强测量工作,发现倾斜,及时调整,为保证插桩顺利合拢,要求桩身垂直,并且围堰周边的钢板数要均分,在整个钢板桩围堰施打过程中,开始时可插一根打一根,即将每一片钢板桩打到设计位置,到剩下最后一部分时,要先插后打,若合拢有误,用倒链或滑车组对拉,使之合拢。
合拢后,再逐根打到设计深度,在用倒链或滑车组对拉时不要过猛,以防止合拢段缝隙过大。
在整个钢板桩插打过程中必须保证合拢密实,以防漏水。
在施工过程中,钢板桩如需拼接时,两端钢板桩要对正,可先在一端上面焊接一块限位板然后将另一端缓缓放下并进行对焊,再焊接加强板。
焊接时必须保证焊接面平整且焊缝有足够厚度。
插打钢板桩要充分采取止水措施,以防钢板桩围堰大量漏水。
⑷、基坑的开挖、围檩、角撑
钢板桩打入后,采用长臂挖机开挖基坑土方,开挖的基坑顶面尺寸应满足承台结构尺寸及施工作业所需要的宽度。
自卸汽车运输到指定地点堆放;基坑周边严禁堆土,防止增加周边土压力。
当开挖到设置内支撑标高时,,采取掏槽开挖。
开挖深度为8米,打入土中深度为4米。
钢板桩围堰共分四层进行内支撑,顶层内支撑设置在桩顶1米处,四角设两道2I30斜撑,斜撑与横梁呈45度夹角,采用焊接固结连接,第二层设置在开挖深度1/2位置处(距桩顶4米),该层的中间位置不设置纵向支撑梁;第三层设置在开挖深度1/4位置处(距桩顶6米),该层由于受承台模板影响,四个角支撑采用小尺寸,避免与承台模板干扰;第四层为底层内支撑(距桩顶8米)。
先进行第一层腰梁及角支撑的焊接安装,安装好后利用千斤顶顶紧,使整个内支撑形成加固体系后再向下开挖基坑土体。
中间设置如此循环,直至开挖到承台底,并对基坑底进行处理。
基坑开挖过程中,及时清除地下水,采取开挖集水井和汇水沟,将地下水集中抽出,避免基坑遇水坍塌。
⑸、承台的施工
深基坑开挖完成,坑底采用碎石换填后,采用C20混凝土封底,封底厚度为10cm,然后按照正常施工程序施工承台。
承台采用组合钢模板拼装,在施工过程中必须注意排水措施,确保基坑稳定。
⑹、内支撑的拆除
内支撑和钢板桩围堰的拆除是施工中安全控制的一个重要环节,稍有不慎就可能导致基坑坍塌,造成巨大的安全事故。
钢板桩围堰拆除采取边回填边拆除的方案,承台施工完毕后,先用土回填到内支撑位置后,切割内支撑,使内支撑与腰梁脱离后,拆除腰梁,再进行回填,直到基坑顶面。
采用振动打桩机振动拔桩,拆除钢板桩。
⑺、钢板桩的拔除
回填完毕后即进行钢板桩的拔除。
先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min~2min,使钢板桩周围的土松动,产生“液化”,减少土对桩的摩阻力,然后慢慢的往上振拔。
拔桩时注意桩机的负荷情况,发现上拔困难或拔不上来时,应停止拔桩,显获动1min~2min后再往下锤0.5m~1.0m再往上振拔,如此反复可将桩拔出来。
由于基坑较大,且操作空间有限,对于无法靠近基坑的地段,须采用大吨位的吊车与振动锤配合来进行钢板桩的拔除,即利用振动锤产生的强迫振动扰动土质,破坏钢板桩周围土的粘聚力以克服拔桩阻力,依靠附加起吊车的作用将桩拔除。
钢板桩拔除后留下的桩孔,必须即时做回填处理,回填一般用挤密法或填入法,所用材料为中砂。
⑺、施工监测及监控
深基坑施工,特别在不断向下开挖过程中,要加强施工观测,发现事故苗头后,及时采取措施进行处理,防止事故的发生。
在施工过程中,主要采取位移观测、沉降观测、地表沉陷观测、地下水位观测和应对施工过程加强监控,发现事故苗头和隐患,及时采取措施处理。
5、质量控制及注意事项
⑴在拼接钢板桩时,两端钢板桩要对正顶紧夹持于牢固的夹具内施焊,要求两钢板桩端头间缝隙不大于3mm,断面上的错位不大于2mm,使用新钢板桩时,要有其机械性能和化学成份的出厂证明文件,并详细丈量尺寸,检验是否符合要求。
⑵对组拼的钢板桩两端要平齐,误差不大于3mm,钢板桩组上下一致,误差不大于30mm,全部的锁口均要涂防水混合材料,使锁口嵌缝严密。
⑶为保证插桩顺利合拢,要求桩身垂直,并且围堰周边的钢板数要均分,为保证桩身垂直,于第一组钢板桩设固定于围堰支撑上的导向钢管桩,顺导向钢管桩下插,使第一组钢板桩桩身垂直,由于钢板桩桩组上下宽度不完全一致,锁口间隙也不完全一致,桩身仍有可能倾斜,在施工中加强测量工作,发现倾斜,及时调整,使每组钢板桩在顺围堰周边方向及其垂直方向的倾斜度均不大于5‰。
⑷在进行钢板桩的插打时,当钢板桩的垂直度较好,一次将桩打到要求深度,当垂直度较差时,要分两次进行施打,即先将所有的桩打入约一半深度后,再第二次打到要求的深度。
⑸打桩时必须在桩顶安装桩帽,以免桩顶破坏,切忌锤击过猛,以免桩尖弯卷,造成拔桩困难。
⑹同一围堰的钢板桩只能用同样的锁口,按设计尺寸计算出使用钢板桩的数量,以确保够用;
⑺剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩;
⑻剔除钢板桩表面因焊接钢板、钢筋留下的残渣瘤;
6基坑及周边建筑监测
为了科学地预测基坑支护的稳定和周边环境的变化,及时预报和提供准确可靠的变形数据,因此建立基坑支护施工变形与沉降观测网,及时进行变形沉降观测,并加强对周边既有铁路线及公路的监测。
利用CPII作为沉降观测的起算点,与以上点联测,构成基坑支护沉降观测网。
基坑施工过程中,随时对滨州铁路线路基边坡、让杜路的路基边坡、化工厂专用线路基边坡进行监控,发现有变化,及时停止施工并采取有效加固措施。
7、钢板桩验算
⑴检算钢板桩入土深度
基坑所所地段主要以粉质黏土为主,该处的地质资料及其物理力学指标为:
土体平均密度r=19KN/m3;内聚力C=10Kpa,摩擦角θ=4.1o,
基坑深度H=8m;
地面荷载q=0;
钢板桩长度L=12m;
钢板桩抗弯强度(抗森Ⅲ)δ=182Mpa。
根据钢板桩入土的深度,按照上端为简支,下端为自由支承的计算模式进行计算。
作用在桩后为主动土压力,作用在桩前为被动土压力,压力坑底以下的土重度不考虑浮力影响,
Ka---主动土压力系数Ka=tg2(450-θ/2)=tg2(450-4.10/2)=0.867
Kp---主动土压力系数Kp=tg2(450+θ/2)=tg2(450+4.10/2)=1.154
H---基坑开挖深度H=8m(实际支护深度为7.4m,考虑到上部土的侧压力取8m)
主动土压力Ea=(1/2rh2+qh)Ka=1/2rH2Ka=532.608Kpa
被动土压力Ep=1/2×ept=1/2×rt2Kp=10.963t2Kpa,为了使钢板桩保持稳定,在A点的力矩等于零,即ΣMa=0,亦即
EaHa-EpHp=Ea×1/3×H-Ep×2/3×t)=0
将以上数据代入上式中,可得下式
532.608×1/3×8-10.963×t2×2/3×t=0
整理后即可求得所需的最小入土深度
t=3.9m
所以钢板桩总长度为
L=8+4=11.89m
故选择12m拉森桩作为围护桩是可行的。
⑵钢板桩稳定性验算
钢板桩入土深度除保证本身的稳定性外,还应保证基坑底部在施工期间的稳定性,在软土中开挖较深的基坑,当桩背后的土柱重量超过基坑底面以下地基土的承载力时,地基的平衡状态受到破坏,施工前,需对地基进行稳定性验算。
转动力距Mov=G*x/2=(q+rh)x2/2
稳定力距Mr=x
土层为均质土时,则Mr=π*tx2
式中t---地基土不排剪切的抗剪强度,在饱和性软粘土中,t=0
地基稳定力矩与转动力矩之比称抗隆起安全系数,以K表示,若K满足下式,则地基土稳定。
K=Mr/Mov>=1.2
当土层为均质土时,则
K=2πc/(q+rh)>=1.2
式中c---内聚力地质报告提供c=10kPa
q---坑侧上部荷载回填土取q=5.0kN/m2
K=2π×10/(4×12)=62.8/48=1.3
K>1.2故基坑不会破坏,
六、施工组织安排
1、施工工程安排:
主桥墩承台的位置受三电迁改及看守房拆迁工作的影响,前期无法进行施工。
待地下管线及看守房迁改后,及时进行桩基、承台的施工。
桩基施工:
5月15日~6月5日(20d)
钢板桩进场及施工准备:
5月20日~6月5日(15d)
钢板桩插打:
6月5日~6月7日(2d)
基坑开挖及内支撑支护:
6月7日~6月9日(2d)
基础处理:
6月9日~6月10日(2d)
立模板及绑扎钢筋:
6月10日~6月12日(2d)
一级承台混凝土浇筑及养护:
6月12日~6月17日(5d)
二级承台混凝土浇筑及养护:
6月17日~6月23日(6d)
回填及拆拔钢板桩:
6月23日~6月26日(3d)
清理施工现场:
6月27日(1d)
2、主要施工机械及设备:
钢板桩围堰施工主要施工机具表
机械名称
型号
数量
功率
使用部位
液压振动锤
MIL-2000
1台
安装于挖掘机上打钢板桩
履带式单斗挖掘机
W-1001
1台
1M3
吊液压振动锤
汽车式起重机
1台
30t
用于拨钢板桩
震动拔桩机
1台
45KW
拨钢板桩
挖掘机
卡特320
1台
挖槽、配合桩机作业及修路
气割机
1套
切割钢板桩
电焊机
XD1-200
2台
2KVA
钢板桩接长
经纬仪
1台
测量放线
水准仪
S3
1台
抄平、沉降观测
3、主要工程数量:
拉森III型各种参数如下:
W=1600cm3,g=60kg/m,w=400mm,h=180mm。
单根钢板桩长度为12米。
钢板桩结构形式如下:
钢板桩围堰尺寸为20.1m×16.1m,经计算需钢板桩数量为:
(20.1+16.1)×2÷0.4=181块
181×12×60=130320Kg
因此一个桥墩承台的钢板桩围堰施工需130.32t。
1.1编制依据
(1)铁道部铁鉴函《关于哈尔滨至齐齐哈尔客运专线初步设计的批复》;
(2)《跨化工厂专用线特大桥施工图》图号:
哈齐客专施桥-26-I-01
(3)《无砟轨道预应力混凝土连续梁》图号:
哈齐桥通-05。
(4)国家有关方针政策,以及国家和铁道部有关规范、规程和工程验收标准等;
(5)《客运专线铁路工程施工技术指南使用手册》;
(6)《客运专线铁路工程施工验收标准使用手册》;
(8)江正荣.建筑施工计算手册北京:
中国建筑工业出版社,2001
(9)赵凯.拉森钢板桩在基坑维护中的应用山西建筑,2008
(10)《建筑施工手册》编写组.建筑施工手册.第4版.北京:
中国建筑工业出版社2003.
(11)毛铠.格形钢板桩结构设计施工手册北京:
中国计划出版社2006.
(12)张海通,张红秀.异形钢板桩现场现场制作工艺.人民长江,2000
(13)张莲娜.钢板桩围堰在深基坑中的应用山西建筑,2008
(14)杨文渊,徐犇.桥梁基础施工工程师手册北京人民交通出版社2001
(15)凌治平易经武.基础工程北京:
人民交通出版社
结束语
钢板桩是一种广泛应用的支护材料,具有节能、高效、环保、绿色等特点,主要体现在钢板桩高强度,轻型,防水性好;耐久性强,使用寿命长;互换性强,可重复使用;环保效果显著,在施工中可大大减少取土量和混凝土使用量,有效保护土地资源;具有较强的救灾抢险的功能,尤其在防洪、塌方、塌陷、流砂的抢救
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