1、利津县黄河特大桥围堰水下浇注混凝土封底施工技术 舒彬 杨超 李英杰 陕西铁路工程职业技术学院 中铁十四局集团第三工程有限公司 摘 要： 利津县黄河铁路特大桥 117118 号墩深水基础均采用双层钢板桩围堰施工;使用对比计算方法优化混凝土封底的厚度, 减少了基底的开挖深度和施工时间, 同时降低了施工风险和施工成本, 提高了施工效益, 对同类河流深水基础工程施工具有较好的参考价值。关键词： 钢板桩围堰; 混凝土; 封底; 厚度; 作者简介：舒彬 (1980 年 12 月生) , 男, 陕西铁路工程职业技术学院讲师, 工学硕士。在跨越江河的桥梁施工中, 墩台承台采用水下封底混凝土施工已是桥梁施工的发
2、展趋势。承台封底混凝土水下浇注是否成功将直接影响到承台的施工质量、工期和实际承载力与设计承载力之间的差异。本桥 117#119#主墩承台采用水下浇注混凝土封底施工技术, 在参考借鉴国内外同类型桥梁承台封底混凝土施工的基础上, 进行了创新, 施工方法已达到国内外先进水平。本桥所采用的水下浇注混凝土封底成功施工, 为今后大型桥梁尤其是跨越江河、深海等深水基础桥梁建设提供较好的参考价值。1 工程简介本桥位于利津县城黄河上游 5 公里处, 为黄骅港连接大家洼铁路煤运专线桥梁全桥长 1183.34m;其中跨越黄河的主桥为一联 (120+4180+120) m 平行弦连续钢桁梁, 在黄河大堤两岸设置两跨
3、108m 简支平行弦钢桁梁。117#118#119#桥墩位于黄河主河道内, 三个主墩承台均为整体式, 承台高 3.6m、宽 26.75m 长17.25m;台顶标设高程为 6.563m, 台底标设高程为 2.963m, 增加台阶标设高程为 9.063m, 枯水期标设高程为 10.0m, 洪水期标设高程为 13.5m。采用大型群桩基础的特大型桥梁建设的关键工序在于基础施工, 而基础施工的关键在于基桩和承台的施工, 承台施工的关键首先在于封底混凝土施工。本项目由于117#119#号主墩桩基础均位于黄河水面之下, 浇筑的承台混凝土体积很大, 假设采用单排钢板桩围堰时, 围堰内的水抽空后, 底部封底混凝
4、土将受到巨大的浮力, 而钢板桩表明较为光滑, 与封底混凝土接触面的摩擦力很小, 很容易在浮力作用下封底混凝土向上滑动, 影响施工质量, 因此钢板桩与封底混凝土之间相互作用问题较为突出。针对该问题本文进行了分析研究, 主桥承台位于黄河主河槽中, 地层以粉土粉砂为主, 钢板桩围堰封底混凝土受渗水压力和浮力作用, 主要研究封底混凝土厚度设计和施工技术措施, 保证封底混凝土施工的安全性和可行性。1.1 水文与地质简介本桥位于黄骅港到大家洼整个铁路线路的 DK133+627.58DK135+279.40 处;主桥所在的位置地表水丰富, 全部为第四系黄河潜水, 主要位于第四系冲积沉积下来的粉质粘土、粉土中
5、, 地下水位深度大约 1 到 3 之间, 大气降水为其主要的补给源;黄河下游大约每年有四汛期, 期中以伏秋大汛和凌汛为主;每年大约 12月到第二年 2 月份为凌汛期;6 到 8 月份雨季期为伏秋大汛期;根据当地水文资料记载:2013 年夏季黄河调水调沙期间, 打渔张水文站测得黄河最高水位为14.42m, 最大流量 4390m/s。1.2 工程地质简介大桥所在的位置地形平缓地势开阔, 地质勘测钻探显示在地表以下 80m 范围以内, 地层从上往下以粉质黏土、粉土为主, 无法作为桥墩桩基础的持力层, 故桩基础端部向下延伸到第四层上更新统海陆交互沉积 (Q3mc) 或第五层中互交沉积层 (Q2mc)
6、的粉质粘土、粉土、粉细砂层中作为持力层。地质柱状图 (见图 1) 。图 1 地质柱状图 下载原图2 围堰封底厚度对比优化设计根据水文资料记录, 承台地面高程确定为 2.96m, 河床标记高程按 10m 考虑, 最高施工水位按 13m 考虑。参考以往的资料, 比选后决定采用钢板桩围堰施工方法, 具体型号为 18m VI 型拉森钢板桩, 钢板桩地面标记高程控制在-4.5m, 顶面标记高程控制在 13.5m。117#119#桥墩承台均布置 24 根桩基, 排列方式为 4 (纵向) 6 (纵向) , 桩间距 4.75m, 直径均为 1.8m, 钢护筒直径均采用 2.1m。由于桥墩承台下的封地混凝土厚度
7、直接影响到基坑开挖深度和拉森钢板桩围堰的水平面环向稳定性, 故需要按不同的厚度严密对比计算。具体稳定计算公式如下:由路桥施工计算手册可知公式 2.1 中 Khe 为封底混凝土抵抗隆起的安全系数, 安全等级分为三级, 分别为一级系数不小于 1.8, 二级系数不小于 1.6, 三级系数不小于 1.4;m1 为墩台基础基坑钢板桩外侧底面以上水土混合重度, 按 19k N/m 取值, 对于地下水位面以下的粉土、碎石土、砂土按扣除水浮力后的浮重度取值, 即 19k N/m-10k N/m=9k N/m, 对于不同性状的多层土体, 按各土层厚度的加权平均值作为重度;m 为钢板桩基坑内底面以上水土混合重度,
8、 按 19k N/m 取值, 对于地下水位面以下的粉土、碎石土、砂土按扣除水浮力后的浮重度取值, 即 19k N/m-10k N/m=9k N/m, 对于不同性状的多层土体, 按各土层厚度的加权平均值作为重度;D 为基底面至钢板桩围堰挡土构件底面之间的土层厚度 (m) ;h 为基坑深度 (m) ;q0 为地表面的面荷载, 一般采用均布荷载 (KPa) ;公式 2.2 和 2.3 中 、c 分别为钢板桩挡土构件底面上下土的粘聚力, Nq、Nc 为承载力系数;内摩擦角取值为 15、C 取值为 10k Pa。2.1 当封底混凝土厚度选择为 1m 时(1) 封底混凝土选择 1m 时, 基坑内土体标高清
9、理至标高 1.963m, 则有:(2) 封底混凝土荷载按照单宽 1m 进行强度计算:2.2 当封底混凝土厚度选择为 2m 时(1) 当封底混凝土选择为 2m 时, 基坑内土体的标高将清理至 0.963m, 则有:(2) 封底混凝土荷载按照单宽 1m 进行强度计算:从以上对比计算可以看出:封底混凝土采用 1m 或 2m 时都能满足抗隆起安全性要求, 但对于相同的钢板桩长度, 封底的混凝土厚度越厚, 所需开挖的基坑越深, 基坑的水平环向稳定安全系数就越小, 故优先选取 1m 作为封底混凝土的厚度值。2.3 抗渗透安全计算当采用悬挂式截水帷幕, 其底部位于砂土、粉土或碎石土含水层时, 对于地下水渗流
10、时的可能引起的流沙现象时土体稳定性采用下式计算:其中, Kse 为流沙土体稳定性的安全系数, 安全等级为一级时, Kse 分别不应小于 1.6、安全等级为二级时, Kse 分别不应小于 1.5, 安全等级为三级时, Kse分别不应小于 1.4;D 为截水帷幕底部平面至基坑底面的土层厚度;D1 为承压水含水层顶面承压水含水层顶面或承压水含水层顶面至基坑底面的土层厚度;为土的浮重度;h 为基坑内外的水头差;w 为水的重度, 由次公式计算可知Kse 值为 1.93, 按二级安全等级考虑即大于 1.5 也大于一级的 1.6, 故抗渗能力满足一级到三级所有安全等级要求。3 基底渗水处理方法在封底混凝土浇
11、筑后水化反应期间, 当混凝土强度未达到设计强度之前, 需要依靠混凝土自身的重量和基坑底部土体重量之和来平衡和抵抗钢板桩底部内外土体的压力。经计算表明基坑在开挖过程中都能够满足安全要求, 但是由于粘质粉土具有一定的透水性能, 基坑外的水的渗流不断的侵蚀浇筑的混凝土, 渗水在混凝土内部无法宣泄, 最终将在混凝土中形成通道, 而粉质土体的颗粒随渗流不断进入, 在混凝土表面形成泥堆, 故常规封底混凝土除了需要保障混凝土强度以外, 还需要主要考虑渗水压力对混凝土的侵蚀, 防止在混凝土中形成通道, 如果在封底混凝土中形成通道后, 处理不恰当或者不处理, 渗水压力和冲刷作用下将在未凝固的混凝土承台中形成通道
12、, 侵蚀混凝土和钢筋, 影响承台结构的耐久性。采取在混凝土未达到强度前适量排水的施工方法, 即可缓解渗水对封底混凝土及承台钢筋的影响;到位后的基坑渗水形态见图 2。图 2 基坑渗水 下载原图4 封底混凝土施工封底混凝土分两次进行, 第一次浇筑 80cm, 第二次浇筑 20cm。混凝土施工前, 先在底部铺设土工布及盲管, 将沿着基地表面渗透的水通过土工布, 汇集到盲管中, 盲管需要交叉, 利用盲管将渗水集中排至基坑边缘, 在基坑边缘设置集水槽及集水井, 在集中抽至基坑外。施工效果见图 3。图 3 基底封底处理 下载原图在土工布及盲管铺设完毕后开始浇筑第一次封底混凝土, 采用 C30 混凝土泵送入
13、模, 由基坑一侧向另外一侧方向依次浇筑, 在混凝土浇筑期间, 渗水集中排放至基坑的一角。当混凝土凝固强度达到设计强度值的 50%以上时, 开始清理混凝土表面, 检查由渗水引起的涌水点, 在渗水点附近铺设盲管及土工布, 将渗水引致基坑四周, 然后立模浇筑第二次混凝土。模板距离钢板桩围堰 20cm 作为集水槽, 在一角设置 505020cm 的集水坑, 放置水泵抽水。5 结语本桥钢围堰尺寸为 25.59.5m, 施工基坑开挖深度为 9.037m, 对其进行封底砼的优化施工, 采用透水盲管结合土工布对基坑底部的渗水适量排放, 降低施工过程中的水头差, 混凝土封底后效果明显, 施工作业面干净, 基底完成后的效果见图 4;对同类型的工程施工具有很好的借鉴意义。图 4 基坑封底混凝土完成 下载原图参考文献1孙英学, 陈志坚, 等.大型钢吊箱封底混凝土与钢护筒共同作用研究J.河海大学学报, 2005 (05) . 2崔清强.围堰封底混凝土与钢管桩粘结力模型试验研究J.桥梁建设, 2014 (06) . 3TB10002.3-2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范S. 4自杰.椒江二桥主塔承台水下浇注封底混凝土施工技术J.福建建筑, 2011 (09) .
