1、吳 淞 江 特 大 橋深 水圍堰設(shè)計與施工2003.7吳淞江特大橋深水圍堰設(shè)計與施工一、 吳淞江特大橋主墩簡價二、 幾種方案的可行性比較三、 圍堰的組成結(jié)構(gòu)四、 圍堰受力計算五、 圍堰施工吳淞江特大橋深水圍堰設(shè)計與施工一、 吳淞江特大橋主墩簡介吳淞江特大橋位于蘇州繞城高速公路東南段至上海段，全橋長878.1米，分上、下兩幅，主橋為60+100+60連續(xù)變截面箱式結(jié)構(gòu)采用掛藍施工。引橋為以30 m空心箱梁為主的先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。吳淞江航運比較繁忙，屬于超五級航道，規(guī)劃四級。為了使橋主跨與航道平行，保證通航寬度，該橋與吳淞江成斜交形成角度為55。，其主橋上、下兩幅橋墩設(shè)置的樁號不同，相差近1

2、2m左右。四個主墩均位于吳淞江中，距岸邊分別30m和70m，主墩樁基礎(chǔ)是由8根2.5m的群樁組成上接大體積砼承臺，承臺位于河床下4.0m，水深近5.0m，屬于深水，長樁施工。吳淞江特大橋主墩編號為68號與69號，主墩都位于主河道內(nèi)，距岸邊分別為70米和40米，上游側(cè)與便橋相臨，相距7.0米，目前水深4.0m，水流較緩慢流速1.5m/s。江水漲落不大，在豐水期水深5.0m，漲幅1.0m，據(jù)統(tǒng)計沒有海水的頂拖現(xiàn)象。主墩承臺底標(biāo)高上下游不同，68號墩承臺底標(biāo)高分別為-5.8m和-3.7m，下游幅較深。69號墩上下游承臺底標(biāo)高分別為-4.88m與-3.97m。根據(jù)設(shè)計提供的地質(zhì)資料，河床地質(zhì)為粘土和亞

3、粘土相間分層，厚度不一，滲透力差。二、 幾種方案的可行性比較1雙壁鋼圍堰總結(jié)我國橋梁深水基礎(chǔ)施工中的各種圍堰類型，根據(jù)圍堰的特點可知：雙壁鋼圍堰的剛度大，能承受向內(nèi)向外的壓力，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，也能為頂部施工平臺提供支撐條件，但相對費用比較昂貴，回收率不高。根據(jù)以上對主墩地質(zhì)情況分析，10m范圍內(nèi)全部為淤泥質(zhì)粘土，標(biāo)高變更后降低，這就增加了圍堰高度，一次投入資金比較大，根據(jù)吳淞江地理環(huán)境，航運比較繁忙，而且主墩臨近主航道，鋼圍堰的就位、安裝非常困難。2鋼管樁鎖口圍堰根據(jù)原我局深水基礎(chǔ)的施工總結(jié)，鋼管樁圍堰縱向剛度比較大，而且施工中也容易使鋼管下打到地層中，但鎖口封水比較難，安全系數(shù)不大。但是由設(shè)計

4、圖可知，承臺底標(biāo)高在淤泥下3.5m左右，鎖口在淤泥層中，不易封水。3鋼板樁圍堰鋼板樁圍堰是深水基礎(chǔ)、基坑支護的很有效的，施工比較簡單，結(jié)構(gòu)受力明確的一種圍堰形式。根據(jù)以上地質(zhì)情況，淤泥層較厚，水深為4.0m，采用鋼板樁圍堰，施工中下打方便，靠鎖口于淤泥中封水比較容易，成功率大，較以上兩種費用低。而且吳淞江水位變化不明顯，也沒有海水的頂推，因此向外壓力不用考慮。這也是鋼板樁圍堰與鋼套箱圍堰的差別。只是鋼板樁圍堰同以上兩種方案比，鋼板樁剛度小，需加強密內(nèi)支撐。三、 圍堰的組成結(jié)構(gòu)鋼板樁圍堰是由封底砼、內(nèi)支撐、圍囹堰體、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)圖紙?zhí)峁┑馁Y料，承臺底標(biāo)高在淤泥層下3.5m，而且淤泥質(zhì)亞粘土

5、層深為10.3m水深4.0m。因此設(shè)鋼板樁穿過淤泥，進入亞砂土4.2m進行驗算，內(nèi)支撐按堰體等彎矩并結(jié)合承臺施工的實際情況分布。水流及行船浪擊堰體按動水壓力考慮。封底砼用1.2m厚C20。四、 圍堰受力計算1 根據(jù)地理、地質(zhì)情況，對圍堰的受力情況進行分析： (1) 動水壓力，取安全系數(shù)2。A、 圍堰受力分析（1） 圍堰施工時，捶打鋼板樁，內(nèi)外壓力相等。當(dāng)圍堰合攏后，圍堰將水體分成內(nèi)外兩部分，外側(cè)水為流動水，內(nèi)側(cè)為靜水，圍堰受外側(cè)動水壓力和浪擊壓。（2） 當(dāng)圍堰施工完成后，進行清淤到封底砼底標(biāo)高，這時圍堰除受外側(cè)動水浪擊壓力外，還我內(nèi)外淤泥壓力差。而且堰體存在由內(nèi)外壓力形成的傾翻力矩作用，為施工

6、安全起見考慮圍堰合攏后第一道支撐。（3） 當(dāng)水位到第二道支撐標(biāo)高時，圍堰反支撐受力穩(wěn)定情況。（4） 清淤、抽水到第三道支撐標(biāo)高時，圍堰及支撐受力穩(wěn)定情況驗證。（5） 封底砼施工完成后，等強度達到要求后，進行堰內(nèi)抽水時，堰體的受力情況與支撐結(jié)構(gòu)的驗算。（6） 封底穩(wěn)定包括：水的浮力、動水壓力與護筒圍堰內(nèi)側(cè)的粘結(jié)情況，砼形成板的穩(wěn)定。B、 動水壓力計算：根據(jù)吳淞江設(shè)計資料提供的水流速度V=1.5m/s驗算每米鋼板村承受的力：P=KHV2/2gBDK為安全系數(shù)取2.0H為水深V=1.5m/sg為重力加速度9.8m/s2B樁板寬1.0mD水的密度P=241.52/(9.82) 11=0.918t根據(jù)圍

7、堰設(shè)計資料及橋涵2-2-60資料，確定動水作用集中點為水面下水深1/3計算。Hc=1/34.0=1.33m，即：P作用于堰體標(biāo)高為-0.1m位置處,根據(jù)結(jié)構(gòu)在P作用下，圍堰平衡只能由打入樁一定深度的被動土壓力完成。為了施工安全起見，施工時采用先由平臺基礎(chǔ)鋼管樁加一層橫梁作為臨時內(nèi)支撐。C、 圍堰板樁插打完成后，及時支頂最上一層內(nèi)支撐，內(nèi)支撐的材料采用80的鋼管成425425方格形式布置，然后再進行清淤，清淤結(jié)束后，驗算由內(nèi)外形成的壓差及動水壓力作用時圍堰的受力情況。計算外側(cè)主動土村力及其作用點亞粘土的粘聚力5Kpa容重=17KN/m3內(nèi)摩擦角：粘土、亞砂土=20淤泥質(zhì)亞粘土：=5容重： 1=1

8、7KN/m3淤泥質(zhì)亞粘土:C=2Kpa將外側(cè)淤泥層上的水視為當(dāng)量厚度的淤泥質(zhì)亞粘土厚h1=hw2/水=410/17=2.35m承臺的底標(biāo)高按-5.8米計，清淤底標(biāo)高按-7.3米計。內(nèi)外土層高差4.5米。淤泥的強度壓力Pp=1htg2(45-/2)-2Ctg(45-/2)= 1htg2(45-5/2)- 2Ctg(45-5/2)=17(2.35+4.5) 0.84-220.916=94.15KN/m2Pa=1h1Ka-22Ka1/2 =29.894KN/m2 全部主動土壓力Ea=1/2(29.894+94.15) 4.5=279.1KN/m水壓力Ea=1/2108.5=361.2KN/m主動土壓

9、力點離P點距離yc=h/3(a+2b)/(a+b)=4.5/3(94.15+229.89)/(94.15+29.89)=1.86m若將以上土壓力計算時按粘土、亞砂土透水成飽和狀態(tài)考慮，主動土壓力應(yīng)計算其=-w浮容重：Pa=1h1Ka-2c Ka1/2 =（17-10）2.350.84-220.916=10.15KN/m2Pb=1(h1+h1) tg2(45-5/2)- 22tg(45-5/2)=(17-10) 6.850.84-220.916=36.614KN/m作用點距底:yc=h/3(a+2b)/(a+b)=4.5/3(36.614+210.15)/(36.314+10.15)=1.827

10、m計算內(nèi)側(cè)被動土壓力及其作用點:將么層的淤泥層視為亞砂土上的均布荷載,計算亞砂土的被動土壓力:q=(9.1-7.3) 17=30.6KN/m2將其換算為當(dāng)量亞砂土層厚:h=q/=30.6/25=1.224m :亞砂土取17KN/m3被動土村力強度:Pa=2cKp1/2=25tg(45+20/2)=101.428=14.428KN/mPb=hKp1/2=17(h1+h11) Kp+2c Kp1/2=17(4.2+1.224) tg2(45+20/2)+25tg(45+20/2)=202.4KN/m被動土壓力為:Ep=1/2h2Kp+2chKp1/2=1/2175.4242.04+255.4241

11、.428=171.5KN被動土壓力作用點位置:yc=h/3(a+2b)/（a+b）=5.4/3202+214.428/(202+14)=1.92m根據(jù)主動土壓力及位置，被動土壓力及位置、動水壓力及位置，驗算鋼板樁的入土深度，選擇鋼板樁截面。Mo=E動1.33+E主6.7-E被10.8=0.9181.33+105.2196.7-215.710.8=-1612.38KNm要求B支點為頂撐:L=11.4+1.2=12.6mL1=1.33mL2=5.34mL3=4.1m求支反力RA、RB根據(jù)計算的主動土壓力與被動土壓力，主動土壓力及其作用位置，簡化受力模式如下:RA=（l1+l2）/（l1+l2+l3

12、）Ea+（l3+l2）/（l1+l2+l3）E水=55.6KN/mRB=63KN/mM=RAl3=22.79tm鋼板樁型號的選定:=Mmax/ww=22.79tm/140Mpa=1627.8cm3查鋼板樁規(guī)格、型號，可選用德國位森II型，t =15mm b=40mm槽型結(jié)構(gòu)。D、計算封底砼施工時，圍堰的受力計算根據(jù)變更后的地質(zhì)情況和變更后的圖紙，確定如右圖標(biāo)的情況。D、 封底砼結(jié)束后，抽水深3.2m時，即加焊第二道支撐時，圍堰的受力分析：圍堰內(nèi)側(cè)抽水深為3.2米時到標(biāo)高-2.0m，存在內(nèi)外水壓力差，與外側(cè)主動土壓力和封底混凝土承受的壓力。水壓力：與以上的動水壓力相等。土壓力：外側(cè)土對圍堰產(chǎn)生的

13、主動土壓力：Pa=(Z+q) tg2 (45-/2)- 2ctg(45-/2)=(7Z+0) tg2 (45-/2)- 2ctg(45-/2)=7Z0.84-220.916當(dāng)Z=0時，Pa=-3.664t/m2當(dāng)Z=4.5時，Pb=22.796t/m2求粘著力高度：hc=(2c/) tg(45-/2)=4/170.916=2.155m內(nèi)側(cè)封底砼所受的壓力：根據(jù)上述水壓力與主動土壓力：取1/2封底混凝土厚度做為支點。E水1作用高度：標(biāo)高為-0.93mE水2作用高度：標(biāo)高為-3.52m Ea作用用高度：標(biāo)高為-5.03mR混凝土=(2.13+2.59+1.51)/7.75E水2+2.13/7.75

14、E水1=0.80381/222.7962.155+0.6091/23.20.27481/23.23.2=24.85t/m=R/A=24.85t/1m2C20滿足要求。驗算嵌入土層深度對頂支撐處取矩，水產(chǎn)生的力矩與主動土壓力產(chǎn)生的力矩Mw+M主=E水12.13+E水2（2.59+2.13）+Ea(1.51+2.59+2.13)=1/23.23.22.13+1/23.23.84.72+1/20.1160.136.23=10.91+28.7+0.05=39.66t/m封底混凝土產(chǎn)生的力矩：M砼=5.1177.75=39.656tm由于封底混凝土產(chǎn)生的力矩完全是由主動土壓力與外側(cè)水壓力作用而產(chǎn)生，因此

15、“+”“-”力矩相同。 當(dāng)封底砼結(jié)束后，第一道支撐完成時，抽水到-2.0m時，鋼板樁的受力驗算：由以上水壓力、主動土壓力計算可知，鋼板樁受力如下情況：鋼板樁型號、規(guī)格選擇：按對B點取矩求支反力RaRa=E動水1.33+E水13.46+E水26.05+Ea7.57/9.08=25.57tRb=9.86tMmax=25.571.51+2.2621.52=42.05tmMmax= WW=42.05tm/160Mpa=2628cm32962cm3德國拉森V型滿足要求。E、 抽水到封底砼時，即標(biāo)高為-5.8m時，堰體在外側(cè)水及淤泥的作用下，計算堰體與支撐受力情況：水壓力強度：P水=h=1t/m37.75

16、m=7.75t/m2主動土壓力強度： 由上計算可知：Pa=-3.664t/m2Pb=22.796t/m2外側(cè)土主動土壓力：Ea=1/222.7962.155=24.57t/m荷載近似等量簡化如圖：Pb=h1=13.2=3.2t/m2Pc水=（h1+h2）=17.75=7.75t/m2Pc2=22.796t/m2q1=1/2Pb=1/23.2t/m2=1.6t/m2q2=(Pc水-Pb) 1/2+3.2+1/222.7962.045/2.25=5.475+10.35=15.83t/m2按兩不等跨連續(xù)梁計算：n=1.1875 按 1.2取值Mbc=0.134q2l1=0.13415.833.82=

17、30.63tmMb=-0.155q2l1=-0.15515.833.82=-35.43tm鋼板樁型號、規(guī)格的確定：=Mb/w w=35.43/160=2214cm3用拉森V型可以滿足要求。綜合以上三種情況對鋼板樁型號的計算，采用德國拉森V型才能滿足要求。VB左=Kql1=0.65515.833.8=39.4tVB右=Kq2l2=0.7291.63.2=3.73tV= VB左+ VB右=43.13t/m因此第二層支撐每延米頂力要求Ra=43.13t/m長邊:20mRb正=2043.13=862.6t短邊：18m RB正=1843.13=776.34t支撐按4.25m間距布設(shè)。每根支撐力：N=4.

18、2543.13=183.3t圍堰四周用2H400b做為圈梁，中間用80鋼管，壁厚8mm焊成網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，并將第一層與第二層通過2020的方鋼焊成整體空間結(jié)構(gòu)，計算支撐穩(wěn)定：受壓鋼管按4.5m自由長度計，且安全系數(shù)取2.0，受壓穩(wěn)定驗算：長度系數(shù)按兩端鉸接=1=l/r=14.5/(1/4d)=0.5查表：=0.999=N/(A)=183.3t/0.017584m2=103.7Mpa140Mpa頂撐圈梁驗算：根據(jù)上述計算結(jié)果，每根頂撐受壓力為183.3t說明每跨環(huán)梁受均布荷載作用力：q=N/1=43.13t/m2按簡支梁驗算:Mmax=ql2/8=43.13/16/8=86.26tm=86.26t

19、m/(28862cm3)=149.4Mpa=N/A=183.3t/(197.82cm2)=46.3Mpa總（2+32）1/2=169.56Mpa封底砼結(jié)束后，抽堰內(nèi)外的水、土壓力差作用，驗算封底砼所受作用力情況。由于有封底砼，因此這時不考慮涌砂、管涌、基底隆起現(xiàn)象，只驗算整體抗浮穩(wěn)定和強度。整體抗浮驗算由于圍堰內(nèi)抽干水后，內(nèi)外水壓力差形成的力將對其產(chǎn)生向上浮力，將由圍堰自重、支護自重、圍堰與土的摩阻力及混凝土自重來平衡。計算安全系數(shù)：K=PK總抗浮力/Pf浮力Pf上浮力=V混凝土+V空=18201.57.01820=3060tPK總抗浮力=G混凝土+P摩陰力+P錨力=2.5t/m318201.

20、5+Lfihi+CDL=1350+0.476(4.310+354.2)+0.673.141.21.428=1350+5776+99=7225 摩阻力按4KN/m2計代入上式 K=PK/Pf=7225/3060=2.361.05 安全b、封底混凝土強度驗算封底混凝土在水壓作用下，可以視為簡支單向板計算，封底層頂因下底面水壓向上作用，產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力。取1.0m寬一條作為研究對象。根據(jù)液體壓強理論，一定深度壓強相同。F=ql2/8/w=l2w(1.2-(-7.3)-cd)/(1d2/6/8)=182(1t/m38.5-2.51.5)/(2.25/6/8)=513t/m2=5.31Mpa1.2Mpa考

21、慮由于樁的間距比較小，將封底砼分切成若干片，按簡支的雙向板計算：lx/ly=1.0，0=1M=0.03680qclx2=0.03680(w8.5-c1.5)3.12106=0.036804.753.12=1.6798tm=M/W=1.6798t m/(11.52/6)=0.4479Mpa1.2Mpa滿足要求五、 圍堰施工的整體安排根據(jù)吳淞江特大橋合同文件中工期的要求，于2004年12月為合同工期，根據(jù)項目生產(chǎn)計劃安排，要求68號主墩于2003年12月份結(jié)束水下及主墩身施工，工期十分緊張，按圍堰正常施工工序，搭水中平臺-下護筒-布鉆機鉆孔-樁砼施工結(jié)束-拆平臺-圍堰-第一道支撐-清淤泥到標(biāo)高-封底（等砼強度）-抽水-支撐-承臺墩身施工。為了保證業(yè)主項目的工期，我們將圍堰施工與鉆孔施工工序并行，到平臺拆除前完成圍堰的下打與第一道頂撐，平臺拆除后，清淤。2、圍堰施工A、 鋼板樁施打前，測量組放樣定位，控制圍堰長、短邊的鋼板樁位置，定出圍堰的角點及長、短邊的是間點。每點處打兩根鋼板樁，兩相鄰點的鋼板樁用槽鋼焊接，做為打鋼板樁的導(dǎo)向。B、 施打時先將鋼板樁逐根施打到穩(wěn)定深度，然后依次打到設(shè)計深度，并由上游分兩頭向下游合龍，注意檢查樁身的垂直度。由于左右兩幅基礎(chǔ)承臺錯位近12m，橋梁中心