3卵石地层深水基坑施工方案.docx
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3卵石地层深水基坑施工方案
3.拉萨市纳金大桥卵石地层深水基坑施工工艺
3.1工程概况
纳金大桥主桥桩号为K0+842.680~K1+217.320,为70+2x117+70米三塔矮塔斜拉桥。
其中7#、11#墩为过渡墩,8#、9#、10#为主墩。
主桥基础及下部结构为桩基础、方形和王字形承台、门式墩、柱式墩,其中主墩承台尺寸为26.1m×11.6m×3.6m,且位于拉萨河河床内,承台底标高与河面水位的平均高差为4.5m,其深水基坑的开挖是施工的重点和难点。
3.2施工特点
主墩8#、9#、10#均位于拉萨河河床内,其中9#主墩位于拉萨河主河道内,且承台标高最低,施工难度最大,因此以9#主墩承台为主体进行案例分析。
根据地质勘察报告显示:
桥位区大部分为含水的稍密~密实砂卵石土层,卵石含量53~65%,以20~200mm的骨架颗粒为主,含少量漂石,粒间由粗、细砂充填,未见底,涨水时大部分淹没。
本次勘察时为枯水期,钻孔中水位为0.2~5.70米,基本上与拉萨河水面持平,且随河水水位涨落而变化,卵石层连通性好,潜水直接接受河水补给。
同时,地质报告显示:
9#主墩桥区原地面以下至3644.51m标高为稍密卵石地层,该内地质层的地基承载力基本容许值[σ]=400kPa,而一般粘土地层的承载力为50~100kPa。
简而言之,9#主墩的地基承载力大,卵石层稳定性高。
综上所诉,9#主墩的承台施工特点为:
①位于拉萨主河道,地下水位高,渗水量巨大;
②地基承载力高,地层稳定性高,适合大型基坑的开挖。
3.3优化方案
9#承台底标高3651.6m,拉萨河正常水位标高3656.1m,高差4.5m。
承台长26.1m,宽11.6m,属于大型水下基坑,需要确保基坑的稳定性,同时解决基坑排水问题。
由于9#主墩地基承载力高,因此解决基坑排水问题是决定施工方案的最重要因素。
根据《公路施工手册----桥涵》,对大方量渗水基坑的处理措施主要有3种:
集水坑排水法、板桩法、帷幕法。
(一)原设计——板桩法
主要采用钢板桩或钢管桩进行围堰打设,先阻水,然后抽水。
目前,9#墩原地面标高为3658.4m,基坑设计底标高为3651.6m,高差6.8m。
要使板桩起到隔水的作用,板桩的打设深度至少要大于8m。
但是,由于卵石层地基承载力很大,一般打设深度小于6m,(钢便桥采用50钢管桩做支撑,采用60t振动锤施工,平均打设深度只能达到5m),再加上基坑较大,成本过高,且达不到阻水效果,此法未通过。
(二)原设计——旋喷帷幕法
采用高压旋喷机在基坑周围打设水泥桩,形成阻水帷幕,然后抽水。
该法的施工需要有专业的施工队伍,施工完后需要等待水泥桩形成一定强度后方可开挖,耽误工期。
再者,同板桩法,旋喷机无法穿透卵石地层进行喷浆,不能形成有效的阻水帷幕,也不能采用。
(三)优化方案——集水坑排水法
1、方案优化指导思想
(1)承台施工需要赶在汛期来临前完成,同时尽量压缩工期,力争墩柱在汛期前施工完成。
因此,基坑的开挖越快越好;
(2)西藏地区物资匮乏,专业施工设备和材料均需要从内地购买拉运至施工现场,需要合理选择施工工艺节约成本;
(3)保护环境,严禁拉萨河水污染;
(4)制定环境恢复措施,保证施工后湖区恢复原样。
2、方案确定
采用板桩法,需要进场大量钢板桩以及施工用的履带吊和振动锤。
所有材料和设备,均需要从内地购买拉运,不但施工成本增大,同时由于长途运输不能确保时间,因此施工工期也得不到保证。
旋喷桩法,需要从内地进场高压旋喷机和专业施工队伍,同样是增加了成本,工期无法保证,同时旋喷桩在卵石地层施工,极易将水泥浆渗透入河水,造成拉萨河的污染;施工好的水泥墙帷幕,在承台施工完成后极难拆除,因此该法不宜采用。
集水坑排水法采用大断面开挖基坑,除一次性增加抽水泵外,其余设备均不需增加。
由于不需要外运设备材料,施工工艺简单实用,施工工期将被最大程度的压缩。
同时由于采用机械开挖,不会造成任何环境污染,完工后,恢复河床地形地貌也方便,因此确定采用大坡比开挖法进行基坑施工。
3.4大坡比开挖基坑施工方案和工艺
(一)总体方案
1、基坑尺寸设置
基坑开挖好后,一要确保稳定,二要方便施工,因此,项目部严格按照有关要求对基坑进行开挖。
(1)边坡设置
根据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)明挖地基基坑的相关要求,卵石土,且坡顶有动荷载时,坑壁坡度设置为1:
1.25。
同时,当基坑深度大于5m时,可加设施工平台(宽度不小于0.5m)。
9#墩原地面标高为3658.4m,基坑设计底标高为3651.6m,基坑深度6.8m,为方便施工,在3m高度位置增设一个2.5m宽的施工平台。
(2)施工距离设置
基坑深度6.8m,为方便集水沟和集水坑的挖设,为增加施工区域方便施工,同时也为施工安全距离的增加,设置基坑底部2m的施工距离。
(3)特殊设置
9#承台左侧11m为施工便桥,基坑的开挖会对便桥桩基造成影响,地基静载力的变化将危害到便桥整体的稳定。
因此,需要对基坑范围内的地基进行加固,同时改变该处边坡的形式。
(4)基坑开挖示意图
根据现场实测的拉萨河水面标高,以及承台所处的实际位置,计划按照设置开挖。
靠近便桥的一侧,由于空间较少,因此取消了2.5m施工平台的设置。
同时,为了确保边坡的稳定,在基坑顶部1.5m位置,按照1m间距打设50钢管桩,然后将钢管桩用工字钢连接起来,形成钢管桩围堰。
集水沟设置在基坑底角,尺寸为80cm宽,50cm深。
集水井设置在承台右侧基坑底角,尺寸为长宽1.5m,深度1m。
见图3.4.1。
图3.4.1基坑开挖剖面图。
2、基坑渗水量计算
根据《公路施工手册---桥涵》对基坑的渗水量进行计算,以确定基坑的大致渗水量,从而确定抽水设备的数量,以便施工时指导施工。
(1)渗水系数的确定
根据《手册》,渗水系数K按经验数据法可得:
土层渗透系数K近似值,在卵石地层,K=100~500m/d
按图纸颗粒大小的渗系数,在卵石地层,K=100~200m/d
按照大基数进行计算以确保施工顺利,取K=200m/d。
(2)渗水量的计算
根据基坑所在条件情况,选用相应公式计算基坑总渗水量。
①基坑近河沿时:
Q=1.366K(H2-h2)/lg(2D/r0)
其中,Q—基坑总渗水量,m3/d
K—渗水系数,m/d,取值200m/d
H—含水层厚度,m,按地质报告取值5.7m
h—抽水后稳定水位至不透水层厚度,m,封底混凝
土标高3652.1m,水位平均标高3656.1m,取值4m
D—基坑至水边距离,m,经测量,平均距离取值17m
r0—引用基坑半径,m,矩形基坑,r0=η(B+L)/4,
B、L为基坑的宽度和长度,η取值1.14,计
算得出,r0=1.14×(47.975+37.6)÷4≈24.4m
带入数据,得出:
Q1=1302.7m3/h
②在水文资料不精确的情况下:
Q2=F1q1+F2q2
其中,F1、F2—分别为基坑底面积、侧面积,m2
q1、q2—分别为基坑底面积侧面积平均渗水量,
m3/m2
F1坑底面积=(11.6+2+2)×(26.1+1+2)=453.96m2
基坑抽水过程中,渗水面积为基坑底至水面(4m),且根据现场可见,集中渗水区域为承台左侧、下侧全部和右侧的一半,因此F2基坑渗水侧面积=(24.6+47.95)/2×4×1.25+(37.6+15.6)/2×4×1.25=282.99m2
根据经验数值,坑底单位面积渗水量为:
土的类别
土的特征与粒径
q1(m3/h)
粗砂及大砾石漂石层
砂粒径2mm以上或砾石大漂石含量在30%以上
2.0~4.0
取平均值q1=3m3/h。
基坑侧面单位渗水量估算:
坑侧类别
q2(m3/h)
无支撑基坑
按上表同类土质q1的20%~30%
取q2=30%×q1=0.9m3/h。
Q2=F1q1+F2q2
=453.96×3+282.99×0.9
=1644.87m3/h
取两种计算方法的平均值
Q=(Q1+Q2)/2
=1473.8m3/h
为确保施工顺利,需要准备总抽水量为1800m3/h的水泵。
3、施工方案
采用挖机直接开挖,开挖分两层进行,第一层开挖至台阶位置,第二层开挖至基坑底标高。
开挖出来的卵石,用装载机及时铲走,避免堆载在坑边上造成边坡受压坍塌。
(二)施工工艺流程
测量放样→开挖第一层基坑→设置临时集水坑排水→开挖第二层基坑→设置集水坑排水→修整基坑
(三)施工工艺
1、测量放样
根据基坑设计尺寸,放出最外边线,用白灰洒出灰线,方便挖机开挖。
2、开挖基坑
采用挖掘机开挖,按照测量放线进行开挖。
先开挖至台阶处。
见图3.4.2。
图3.4.2开挖至台阶位置。
设置水泵,开始排水,同时开始进行第二次基坑开挖。
图3.4.3设置水泵,开始排水,同时开始进行第二次基坑开挖。
继续开挖至设计承台底标高。
机械开挖至基底设计标高以上20~30cm时停止作业,由人工测量设计标高,然后严格控制开挖深度。
由于封底混凝土为50cm厚,因此底标高不得高于设计标高,尽量挖深基坑,确保封底混凝土的厚度。
基坑的开挖尺寸要符合设计要求。
人工配合挖机对基底进行修整,确保各尺寸规格符合要求,方可进行下一步工序的施工。
见图3.4.4。
图3.4.4开挖至承台底标高。
基坑的开挖坡度以保证边坡的稳定为原则,根据地质条件,开挖深度,现场的具体情况确定,当基坑壁坡不易稳定时,可放大坡比进行开挖。
见图3.4.5。
图3.4.5右侧为开挖的施工台阶,上侧为加大坑壁放坡。
基坑开挖好后,设置好泵站。
总计约20台水泵,全部集中在基坑集水坑抽水。
由于泵站要一直工作到承台混凝土浇筑完后拆模,因此必须设置备用电源,确保泵站不会断电。
见图3.4.6。
图3.4.6左上角为基坑设置的泵站,
3.5经济效益分析
(一)采用板桩法施工方案所发生的费用分析
1、钢板桩费用:
钢板桩围堰尺寸为28×13m,每根钢板桩长8m。
选用WRU30-700型钢板桩,宽度70cm,单位重119.3kg/m。
一个承台所需钢板桩为112t,共需钢板桩约336t。
拉萨地区没有钢板桩,需从内地拉运,由于内地没有这么远距离的钢板桩租赁业务,必须购买,其价格约为8000元/吨。
即钢板桩需花费268.8万元。
2、履带吊费用:
拉萨没有履带吊,需从外省租赁。
经联系协商,一个履带吊的进出场费用为30万元,每月租金约为10万元。
主墩3个承台,施工周期受桩基施工进度的影响,约为3个月。
因此,履带吊费用需花费约60万元。
3、其它费用:
不考虑振动锤的使用。
基坑其余材料,如围檩和内撑,同样需从内地采购,花费约为一个承台15万元,则主墩3个承台需花费45万元。
通过以上分析可知,采用钢板桩施工方案,其机械设备发生的费用为:
268.8+60+45=373.8万元。
(二)采用高压旋喷桩施工费用分析
拉萨地区没有旋喷桩专业施工队伍,需从内地进场施工队。
采用高压旋喷机喷浆施工,帷幕内尺寸为长30m、宽15m,两排桩呈梅花状布置,桩的中心距800mm,排距700mm,桩径Ф1000mm,桩间搭接200mm,采用XY-100型钻机施工形成止水帷幕。
一个承台基坑止水帷幕所需打设旋喷桩约为2250m。
采用总价包干的分包形式,与队伍协商的价格为700元/m。
即三个承台所需费用为700×2250×3=472.5万元。
(不包括拆除费用)
同时,其余材料(围檩和内撑)按照板桩法施工计算,大致为15×3=45万元。
通过以上分析可知,采用高压旋喷桩止水帷幕施工方案,设备材料的费用为:
472.5+45=517.5万元。
(三)采用大断面开挖集水坑排水法费用分析
根据计算,满足施工需要配备抽水总量为1800m3/h的水泵。
排水量为180m3/h的潜水泵,从内地购买运至拉萨,整套约1.2万元/台。
按照3个承台同时施工计算,需要费用为1.2×10×3=36万元。
其余费用基本上同前两种方案,不过由于基坑开挖量增大,需要增加大约10万元的挖机台班费。
通过以上分析可知,采用大开挖基坑施工方案,设备材料的费用为:
36+10=46万元。
(四)从三种方案对比情况来看,采用大断面开挖集水坑排水施工方案最多可节约直接费用517.5-46=471.5万元。
三种方案费用统计表单位:
万元
方案
材料
设备
分包费用
合计
板桩法
313.8
60
373.8
旋喷桩法
45
472.5
517.5
大开挖法
10
36
46
方案
(一)-方案(三)=327.8万元
方案
(二)-方案(三)=471.5万元
3.6社会效益评价
纳金大桥是我局第一个高海拔地区的桥梁项目,由于西藏地区的建设行业相对落后,桥梁施工的技术参考较少,需要项目部自行摸索、总结施工经验。
卵石地层基坑大断面开挖集水坑排水法施工工艺,能够有效缩短工期,主墩3个承台仅用1个半月便完成了施工,每个基坑开挖最多耗时4天,为其节约了大量的时间。
同时,基坑大开挖工艺成熟,安全可靠,质量受控,主桥承台在拉萨地区桥梁属第一规格,其基坑所取得的成功受到业主的大力赞同和表扬。
采用该工艺施工,使投入施工的成本大大降低,同时为我公司高原卵石地层桥梁基础的施工技术和管理积累了经验。
项目部将不断完善和总结,确保该工艺在西藏区域今后类似工程中推广应用。
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