公路施组_吴淞江特大桥围堰设计与施工

吴淞江特大桥

深

水

围

堰

设

计

与

施

工

2003.7

吴淞江特大桥深水围堰设计与施工

吴淞江特大桥主墩简价
几种方案的可行性比较
围堰的组成结构
围堰受力计算
围堰施工

吴淞江特大桥深水围堰设计与施工

吴淞江特大桥主墩简介

吴淞江特大桥位于苏州绕城高速公路东南段至上海段，全桥长878.1米，分上、下两幅，主桥为60+100+60连续变截面箱式结构采用挂蓝施工。引桥为以30 m空心箱梁为主的先简支后连续的结构形式。吴淞江航运比较繁忙，属于超五级航道，规划四级。为了使桥主跨与航道平行，保证通航宽度，该桥与吴淞江成斜交形成角度为55^。，其主桥上、下两幅桥墩设置的桩号不同，相差近12m左右。四个主墩均位于吴淞江中，距岸边分别30m和70m，主墩桩基础是由8根Φ2.5m的群桩组成上接大体积砼承台，承台位于河床下4.0m，水深近5.0m，属于深水，长桩施工。

吴淞江特大桥主墩编号为68号与69号，主墩都位于主河道内，距岸边分别为70米和40米，上游侧与便桥相临，相距7.0米，目前水深4.0m，水流较缓慢流速1.5m/s。江水涨落不大，在丰水期水深5.0m，涨幅1.0m，据统计没有海水的顶拖现象。主墩承台底标高上下游不同，68号墩承台底标高分别为-5.8m和-3.7m，下游幅较深。69号墩上下游承台底标高分别为-4.88m与-3.97m。根据设计提供的地质资料，河床地质为粘土和亚粘土相间分层，厚度不一，渗透力差。

几种方案的可行性比较

1．双壁钢围堰

总结我国桥梁深水基础施工中的各种围堰类型，根据围堰的特点可知：双壁钢围堰的刚度大，能承受向内向外的压力，结构相对稳定，也能为顶部施工平台提供支撑条件，但相对费用比较昂贵，回收率不高。根据以上对主墩地质情况分析，10m范围内全部为淤泥质粘土，标高变更后降低，这就增加了围堰高度，一次投入资金比较大，根据吴淞江地理环境，航运比较繁忙，而且主墩临近主航道，钢围堰的就位、安装非常困难。

2．钢管桩锁口围堰

根据原我局深水基础的施工总结，钢管桩围堰纵向刚度比较大，而且施工中也容易使钢管下打到地层中，但锁口封水比较难，安全系数不大。但是由设计图可知，承台底标高在淤泥下3.5m左右，锁口在淤泥层中，不易封水。

3．钢板桩围堰

钢板桩围堰是深水基础、基坑支护的很有效的，施工比较简单，结构受力明确的一种围堰形式。根据以上地质情况，淤泥层较厚，水深为4.0m，采用钢板桩围堰，施工中下打方便，靠锁口于淤泥中封水比较容易，成功率大，较以上两种费用低。而且吴淞江水位变化不明显，也没有海水的顶推，因此向外压力不用考虑。这也是钢板桩围堰与钢套箱围堰的差别。只是钢板桩围堰同以上两种方案比，钢板桩刚度小，需加强密内支撑。

围堰的组成结构

钢板桩围堰是由封底砼、内支撑、围囹堰体、导向结构组成。根据图纸提供的资料，承台底标高在淤泥层下3.5m，而且淤泥质亚粘土层深为10.3m水深4.0m。因此设钢板桩穿过淤泥，进入亚砂土4.2m进行验算，内支撑按堰体等弯矩并结合承台施工的实际情况分布。水流及行船浪击堰体按动水压力考虑。封底砼用1.2m厚C20。

围堰受力计算
1. 根据地理、地质情况，对围堰的受力情况进行分析：
  1. 动水压力，取安全系数2。
    1. 围堰受力分析
      1. 围堰施工时，捶打钢板桩，内外压力相等。当围堰合拢后，围堰将水体分成内外两部分，外侧水为流动水，内侧为静水，围堰受外侧动水压力和浪击压。
      2. 当围堰施工完成后，进行清淤到封底砼底标高，这时围堰除受外侧动水浪击压力外，还我内外淤泥压力差。而且堰体存在由内外压力形成的倾翻力矩作用，为施工安全起见考虑围堰合拢后第一道支撑。
      3. 当水位到第二道支撑标高时，围堰反支撑受力稳定情况。
      4. 清淤、抽水到第三道支撑标高时，围堰及支撑受力稳定情况验证。
      5. 封底砼施工完成后，等强度达到要求后，进行堰内抽水时，堰体的受力情况与支撑结构的验算。
      6. 封底稳定包括：水的浮力、动水压力与护筒围堰内侧的粘结情况，砼形成板的稳定。
    2. 动水压力计算：

根据吴淞江设计资料提供的水流速度V=1.5m/s验算每米钢板村承受的力：

P=K·H·V²/2g×B×D

K为安全系数取2.0

H为水深

V=1.5m/s

g为重力加速度9.8m/s²

B桩板宽1.0m

D水的密度

P=2×4×1.5²/(9.8×2) ×1×1=0.918t

根据围堰设计资料及桥涵2-2-60资料，确定动水作用集中点为水面下水深1/3计算。Hc=1/3×4.0=1.33m，即：P作用于堰体标高为-0.1m位置处,根据结构在P作用下，围堰平衡只能由打入桩一定深度的被动土压力完成。

为了施工安全起见，施工时采用先由平台基础钢管桩加一层横梁作为临时内支撑。

- - 1. 围堰板桩插打完成后，及时支顶最上一层内支撑，内支撑的材料采用Φ80的钢管成425×425方格形式布置，然后再进行清淤，清淤结束后，验算由内外形成的压差及动水压力作用时围堰的受力情况。

计算外侧主动土村力及其作用点亚粘土的粘聚力5Kpa

容重=17KN/m³

内摩擦角：粘土、亚砂土φ=20°

淤泥质亚粘土：φ=5°

容重： γ₁=17KN/m³

淤泥质亚粘土:C=2Kpa

将外侧淤泥层上的水视为当量厚度的淤泥质亚粘土厚

h₁^′=hw·γ₂/γ_水=4×10/17=2.35m

承台的底标高按-5.8米计，清淤底标高按-7.3米计。内外土层高差4.5米。

淤泥的强度压力

P_p=γ₁·h·tg²(45°-φ/2)-2·C·tg(45°-φ/2)

= γ₁·h·tg²(45°-5°/2)- 2·C·tg(45°-5°/2)

=17×(2.35+4.5) ×0.84-2×2×0.916

=94.15KN/m²

Pa=γ₁·h₁·Ka-2×2×Ka^1/2 =29.894KN/m2

全部主动土压力

Ea=1/2(29.894+94.15) ×4.5=279.1KN/m

水压力Ea=1/2×10×8.5=361.2KN/m

主动土压力点离P点距离

yc=h/3·(a+2b)/(a+b)

=4.5/3×(94.15+2×29.89)/(94.15+29.89)

=1.86m

若将以上土压力计算时按粘土、亚砂土透水成饱和状态考虑，主动土压力应计算其

γ′=γ-γ_w浮容重：

Pa=γ₁·h′₁·Ka-2×c× Ka^1/2

=（17-10）×2.35×0.84-2×2×0.916

=10.15KN/m²

Pb=γ′₁·(h′₁+h₁) ·tg²(45°-5°/2)- 2·2·tg(45°-5°/2)

=(17-10) ×6.85×0.84-2×2×0.916

=36.614KN/m

作用点距底:

y_c=h/3·(a+2b)/(a+b)

=4.5/3×(36.614+2×10.15)/(36.314+10.15)

=1.827m

计算内侧被动土压力及其作用点:

将么层的淤泥层视为亚砂土上的均布荷载,计算亚砂土的被动土压力:

q=(9.1-7.3) ×17=30.6KN/m²

将其换算为当量亚砂土层厚:

h′=q/=30.6/25=1.224m γ:亚砂土取17KN/m³

被动土村力强度:

Pa′=2×c×Kp^1/2=2×5×tg(45°+20°/2)

=10×1.428

=14.428KN/m

Pb=γ·h·Kp^1/2

=17×(h1+h11′) ·Kp+2c Kp^1/2

=17×(4.2+1.224) ×tg²(45+20/2)+2×5×tg(45+20/2)=202.4KN/m

被动土压力为:

Ep=1/2γ·h²·Kp+2c·h·Kp^1/2

=1/2×17×5.424×2.04+2×5×5.424×1.428

=171.5KN

被动土压力作用点位置:

yc=h/3·(a+2b)/（a+b）

=5.4/3×｛202+2×14.428｝/(202+14)=1.92m

根据主动土压力及位置，被动土压力及位置、动水压力及位置，验算钢板桩的入土深度，选择钢板桩截面。

∑Mo=E_动×1.33+E_主×6.7-E_被×10.8

=0.918×1.33+105.219×6.7-215.7×10.8

=-1612.38KN·m

要求B支点为顶撑:

L=11.4+1.2=12.6m

L1=1.33m

L2=5.34m

L3=4.1m

求支反力R_A、R_B

根据计算的主动土压力与被动土压力，主动土压力及其作用位置，简化受力模式如下:

R_A=（l₁+l₂）/（l₁+l₂+l₃）×Ea+（l₃+l₂）/（l₁+l₂+l₃）×E_水

=55.6KN/m

R_B=63KN/m

M=R_Al₃=22.79t·m

钢板桩型号的选定:

δ=Mmax/w

w=22.79t·m/140Mpa=1627.8cm³

查钢板桩规格、型号，可选用德国位森II型，t =15mm b=40mm槽型结构。

D、计算封底砼施工时，围堰的受力计算

根据变更后的地质情况和变更后的图纸，确定如右图标的情况。

- - 1. 封底砼结束后，抽水深3.2m时，即加焊第二道支撑时，围堰的受力分析：

围堰内侧抽水深为3.2米时到标高-2.0m，存在内外水压力差，与外侧主动土压力和封底混凝土承受的压力。

水压力：与以上的动水压力相等。

土压力：外侧土对围堰产生的主动土压力：

Pa=(γ·Z+q) ·tg² (45-φ/2)- 2c·tg(45-φ/2)

=(7×Z+0) ·tg² (45-φ/2)- 2c·tg(45-φ/2)

=7×Z×0.84-2×2×0.916

当Z=0时，Pa=-3.664t/m²

当Z=4.5时，Pb=22.796t/m²

求粘着力高度：

hc=(2c/γ) ·tg(45-φ/2)

=4/17×0.916

=2.155m

内侧封底砼所受的压力：根据上述水压力与主动土压力：取1/2封底混凝土厚度做为支点。

E_水1作用高度：标高为-0.93m

E_水2作用高度：标高为-3.52m

Ea作用用高度：标高为-5.03m

R_混凝土=(2.13+2.59+1.51)/7.75×E_水2+2.13/7.75×E_水1

=0.8038×1/2×22.796×2.155+0.609×1/2×3.2×0.2748×1/2×3.2×3.2=24.85t/m

δ=R/A=24.85t/1m²＜C20

满足要求。

验算嵌入土层深度

对顶支撑处取矩，水产生的力矩与主动土压力产生的力矩

Mw+M_主=E_水1×2.13+E_水2×（2.59+2.13）+Ea

×(1.51+2.59+2.13)

=1/2×3.2×3.2×2.13+1/2×3.2×3.8×4.72+1/2×0.116×0.13×6.23=10.91+28.7+0.05=39.66t/m

封底混凝土产生的力矩：

M砼=5.117×7.75=39.656t·m

由于封底混凝土产生的力矩完全是由主动土压力与外侧水压力作用而产生，因此“+”“-”力矩相同。

当封底砼结束后，第一道支撑完成时，抽水到-2.0m时，钢板桩的受力验算：

由以上水压力、主动土压力计算可知，钢板桩受力如下情况：

钢板桩型号、规格选择：

按对B点取矩求支反力Ra

Ra=[E_动水×1.33+E_水1×3.46+E_水2×6.05+Ea×7.57]/9.08=25.57t

Rb=9.86t

Mmax=25.57×1.51+2.262×1.52=42.05tm

Mmax=[δ] ·W

W=42.05tm/160Mpa

=2628cm³＜2962cm³

德国拉森V型满足要求。

- - 1. 抽水到封底砼时，即标高为-5.8m时，堰体在外侧水及淤泥的作用下，计算堰体与支撑受力情况：

水压力强度：P_水=γ·h=1t/m3×7.75m=7.75t/m²

主动土压力强度：

由上计算可知：Pa=-3.664t/m²

Pb=22.796t/m²

外侧土主动土压力：

Ea=1/2×22.796×2.155=24.57t/m

荷载近似等量简化如图：

Pb=γ·h1=1×3.2=3.2t/m²

Pc_水=γ·（h₁+h₂）=1×7.75=7.75t/m²

Pc₂=22.796t/m²

q₁=1/2Pb=1/2×3.2t/m²=1.6t/m²

q₂=(Pc_水-Pb) ×1/2+3.2+1/2×22.796×2.045/2.25

=5.475+10.35=15.83t/m²

按两不等跨连续梁计算：

n=1.1875 按 1.2取值

Mbc=0.134×q₂·l₁

=0.134×15.83×3.8²

=30.63t·m

Mb=-0.155×q₂·l₁=-0.155×15.83×3.8²=-35.43t·m

钢板桩型号、规格的确定：

δ=Mb/w w=35.43/160=2214cm³

用拉森V型可以满足要求。

综合以上三种情况对钢板桩型号的计算，采用德国拉森V型才能满足要求。

V_B左=K·q·l₁=0.655×15.83×3.8=39.4t

V_B右=K·q₂·l₂=0.729×1.6×3.2=3.73t

V= V_B左+ V_B右=43.13t/m

因此第二层支撑每延米顶力要求Ra=43.13t/m

长边:20m

R_b正=20×43.13×=862.6t

短边：18m R′_B正=18×43.13=776.34t

支撑按4.25m间距布设。

每根支撑力：N=4.25×43.13=183.3t

围堰四周用2H400b做为圈梁，中间用Φ80钢管，壁厚8mm焊成网状支撑结构，并将第一层与第二层通过20×20的方钢焊成整体空间结构，计算支撑稳定：

受压钢管按4.5m自由长度计，且安全系数取2.0，受压稳定验算：

长度系数按两端铰接μ=1

λ=μ·l/r=1×4.5/(1/4×d)=0.5

查表：=0.999

δ=N/(Aφ)=183.3t/0.017584m2=103.7Mpa＜140Mpa

顶撑圈梁验算：

根据上述计算结果，每根顶撑受压力为183.3t

说明每跨环梁受均布荷载作用力：q=N/1=43.13t/m²

按简支梁验算:

Mmax=ql²/8=43.13/16/8=86.26t·m

δ=86.26t·m/(2886×2cm³)=149.4Mpa

τ=N/A=183.3t/(197.8×2cm²)=46.3Mpa

δ_总＝（δ²+3τ²）^1/2=169.56Mpa

封底砼结束后，抽堰内外的水、土压力差作用，验算封底砼所受作用力情况。

由于有封底砼，因此这时不考虑涌砂、管涌、基底隆起现象，只验算整体抗浮稳定和强度。

整体抗浮验算

由于围堰内抽干水后，内外水压力差形成的力将对其产生向上浮力，将由围堰自重、支护自重、围堰与土的摩阻力及混凝土自重来平衡。

计算安全系数：K=P_{K总抗浮力}/P_f浮力

P_f上浮力=V_混凝土+V_空

=18×20×1.5×7.0×18×20=3060t

P_{K总抗浮力}=G_混凝土+P_摩阴力+P_锚力

=2.5t/m³×18×20×1.5+λ·L·∑fi·hi+C·πD·L

=1350+0.4×76×(4.3×10+35×4.2)+0.67×3.14×1.2×1.4×28

=1350+5776+99=7225

摩阻力按4KN/m²计

代入上式 K=P_K/P_f=7225/3060=2.36＞1.05 安全

b、封底混凝土强度验算

封底混凝土在水压作用下，可以视为简支单向板计算，封底层顶因下底面水压向上作用，产生弯曲拉应力。

取1.0m宽一条作为研究对象。根据液体压强理论，一定深度压强相同。

F=q·l²/8/w=l²·｛γ_w×(1.2-(-7.3)-γ_c·d)/(1×d²/6/8)

=18²×(1t/m³×8.5-2.5×1.5)/(2.25/6/8)

=513t/m²=5.31Mpa＞1.2Mpa

考虑由于桩的间距比较小，将封底砼分切成若干片，按简支的双向板计算：

lx/ly=1.0，λ₀=1

M=0.0368λ₀×q_cl_x²

=0.0368×λ₀(γ_w×8.5-γ_c×1.5)×3.1²×10⁶

=0.0368×γ₀×4.75×3.1²

=1.6798t·m

δ=M/W=1.6798t ·m/(1×1.5²/6)=0.4479Mpa＜1.2Mpa

满足要求

围堰施工的整体安排

根据吴淞江特大桥合同文件中工期的要求，于2004年12月为合同工期，根据项目生产计划安排，要求68号主墩于2003年12月份结束水下及主墩身施工，工期十分紧张，按围堰正常施工工序，搭水中平台-----下护筒----布钻机钻孔----桩砼施工结束----拆平台----围堰----第一道支撑----清淤泥到标高---封底（等砼强度）---抽水----支撑---承台墩身施工。

为了保证业主项目的工期，我们将围堰施工与钻孔施工工序并行，到平台拆除前完成围堰的下打与第一道顶撑，平台拆除后，清淤。

2、围堰施工

1. 钢板桩施打前，测量组放样定位，控制围堰长、短边的钢板桩位置，定出围堰的角点及长、短边的是间点。每点处打两根钢板桩，两相邻点的钢板桩用槽钢焊接，做为打钢板桩的导向。
2. 施打时先将钢板桩逐根施打到稳定深度，然后依次打到设计深度，并由上游分两头向下游合龙，注意检查桩身的垂直度。由于左右两幅基础承台错位近12m，桥梁中心处两承台相距不到3.0m(如图)，右幅围堰合拢于A点。
3. 钢板桩打完后，及时支顶最上一层内支撑，内支撑的材料采用Φ80的钢管成425×425方格形式布置，然后再进行清淤。由于上下两幅基础承台标高不同，下游承台高出上游承台2.1m，而且上下两幅承台内侧间距只有1.065m，上下两幅围堰同时施工的难度很大。因为围堰稳定的前提外侧四周压平衡，若两承台同时施工，就会破坏围堰外侧压力平衡。因此施工时先施工一侧，考虑到围堰外侧的主动土压力很大，采用先施工下游标高低的承台，待承台砼结束施工时再抽排上游围堰内的水。
4. 拆除水上平台，用挖泥船将围堰内的淤泥清到设计标高-7.3m后，浇注水下混凝土1.5m封底。因堰体较大，浇注时将堰体分成三箱，由崖上设地泵，用两套导管同时灌注水下砼。等封底砼强度达到要求后，进行堰内抽水、堵漏。抽水时注意观察堰体的稳定。当抽水到标高-2.0m(即堰内外水头差3m时)，加焊第二道支撑。支撑用ZH4006做为圈梁，中间用Φ80钢管，壁厚8mm焊成网状支撑结构，并将第一层与第二层焊成整体空间结构。
5. 继续抽水直至堰内水抽完后，进行承台施工。

具体施工流程如下：

钻孔

钢板桩围堰施工

墩身施工

承台施工

抽水、顶撑、堵漏

清淤到封底砼标高

钢板桩围堰施工

拆钻孔桩平台

封底

水下灌注桩施工

说明

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