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虹桥机场滑行道桥不停航施工前提下水上作业围堰选型分析及应用

拉森钢板桩 2021年11月7日 项敏 95




拉森钢板桩相关应用案例




虹桥机场滑行道桥不停航施工前提下水上作业围堰选型分析及应用



摘  要

摘要:拉森钢板桩作为一种挡水、挡土的建筑材料,在桥梁、管廊、城市轨道交通的基坑中有着广泛的运用,有着施工简单、施工速度快、可以回收利用、强度高、止水性能好、环保无污染等诸多优势。以虹桥机场滑行道桥工程中蓄水池内围堰运用为例,针对机场内不停航条件下的特殊要求,就各种围堰进行选型分析,并针对拉森钢板桩围堰的设计、计算、施工及工后不同水位下的变形及渗水情况进行观察分析,以验证良好的应用效果。


关键词:虹桥机场;钢板桩围堰;不停航施工


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工程概况及环境特点分析


1.1工程概况

为提升虹桥机场运行安全,减少东西向飞机穿越跑道,2019年虹桥机场实施绕滑道系统安全改造项目。主要设计理念为:在现有B滑两端新建中间绕滑道,与现有南北绕滑道连接,从而实现飞机起降分行,减少跑道穿越,提升机场运行效率和安全,见图1。


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由于B滑向北侧延伸,与现有北侧绕滑道连接必须跨越机场现有调蓄水池(240 m×280 m),考虑该水池同时兼顾机场汛期调蓄及消防功能,因此在水池上方新建1座滑行道桥。该滑行道桥跨越北调蓄水池,桥长240.6 m,桥总宽45~50 m,桥面面积约为10 892.3 m2,滑行道桥采用钢筋混凝土刚构桥,结构基础采用钢管桩基础,见图2。


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1.2机场特殊施工环境分析

滑行道桥在虹桥机场北调蓄水池内施工。北调蓄水池为虹桥机场内蓄水量最大的水池(以下简称蓄水池),主要作用为:当降雨量过大时,机坪及土面区积水汇集到排水沟,排水沟汇集至蓄水池,通过蓄水池东侧的出水口强排至外侧市政河道。因此,该水池担负着机场主要防汛任务,同时也兼顾消防功能,施工期间必须保证蓄水池的正常功能。蓄水池现状示意图见图3。

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施工时必须在蓄水池内设置围堰,施工完成后予以拆除。本次施工区域位于跑道端300 m及中心线两端75 m保护区以外,所有的施工必须在不停航的前提下实施,施工要求如下。


1)电磁环境影响。施工区域整体位于I类保护非敏感区,施工对电磁环境影响可控,因此大型的施工设备使用受限。


2)净空限制。施工区域毗邻跑道端,净空控制是本工程不停航方案的核心要素,因此所有的施工工序以保障机场运行安全为前提,尽可能优化施工方案,减少对机场运行的影响。


3)禁区内对施工作业限制多。在正常情况下,禁区内停航后施工区域作业时间为每天00:00~06:00,考虑进场、退场及适航检查等环节,有效施工时间仅为5h。


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围堰对比分析及计算

1.1各类围堰对比分析

根据设计图纸及地勘报告,蓄水池底标高为-0.34~-0.39 m,水面设计标高为+2.0 m,现状水位标高+2.1 m。


根据地质报告及机场蓄水池实际工作环境,围堰方案有以下几种。


1)土围堰+土袋围堰双侧围堰(见图4)。调节池蓄水内最低水位降至1.3 m,汛期最高水位3 m。采用外侧1.8 m土围堰作为工作围堰,内侧采用3 m土袋围堰作为防汛围堰。


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土围堰造价成本低,施工难度一般。但机场蓄水池有消防蓄水及汛期快速集流防汛要求,土围堰占据蓄水池面积过大,导致蓄水能力及防汛能力不能够满足规范要求;且土围堰所需的用土量较大,大量车辆进出对机场运营造成极大压力。


2)土袋围堰。土袋围堰相对占蓄水池面积比土围堰+土袋围堰双侧围堰占地面积小,但是单层土袋围堰止水效果一般,且本工程在蓄水池内施工持续1 a,需经历汛期,土袋围堰可能无法抵挡汛期雨水冲击,对围堰内施工人员和设备安全保障不足。


3)拉森钢板桩围堰(见图5)。桥宽45 m,最宽变截面50 m,在便道两侧各加宽10 m,在施工70 m宽的两侧采用拉森钢板桩围堰。

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拉森钢板桩具有施工速度快、止水效果好等明显优势,且拉森钢板桩占用蓄水池使用面积少,可满足施工期间蓄水池的正常运营,故是围堰的最佳选择。


2.2钢板围堰受力计算

钢板桩围堰作为蓄水池内桥梁主体施工的防护和防水结构,除承受围堰外侧及底部土体和水压力外,还受汛期蓄水池水流的冲刷作用,围堰需满足如下条件。


1)在工作状态下,能够承受围堰外侧水压力,保证桩基、承台及上部主体结构顺利施工,且有充足的安全系数。


2)在非工作状态下,能够满足蓄水池内最高水位压力,承受台风天强降雨下水位漫入围堰的水流冲刷,允许局部有破坏但可修复。


围堰施工完成后应根据设计要求在围堰上布置各类观测点。若监测数据达到或超过预警值时,应及时向建设单位、设计单位报告,会同参建各方共同分析原因并采取相应的措施后方可继续施工。


1)钢板桩截面特性。本次内力计算采用增量法,支护结构安全等级为一级,支护结构重要系数γ0取1.00。钢板桩插入土中深度6.2 m,钢板桩总长9 m,无止水帷幕,无冠梁,见表1。


2)地质资料。根据地勘报告,蓄水池内地质情况见表2。

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3)钢板桩围堰2种工况。


(1)工况一。钢板桩打设完成后,蓄水池围堰内抽水至-0.3 m标高,围堰内深度2.8 m,外侧受蓄水池内水压力作用,准备浇筑封底及加刚性铰前,钢板桩处于悬臂状态。


(2)工况二。围堰内混凝土封底完成,围堰内清淤完毕。


4)2种工况下钢板桩受力计算。采用瑞典条分法计算钢板桩在水压力下总体稳定性,用MIDAS计算2种工况下土压力、弯矩、位移及剪力。基本计算信息见表3。

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工况一和工况二受力计算分别见图6、图7。

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5)截面验算。基坑内侧抗弯验算(不考虑轴力),σnei=Mn/Wx<f=215.000 MPa,满足基坑外侧抗弯验算(不考虑轴力);σwai=Mw/Wx<f=215.000 MPa,满足抗弯要求。其中,σnei为基坑外侧最大弯矩处的正应力,MPa;Mn为基坑内侧最大弯矩设计值,kN·m;Wx为钢材对x轴的净截面模量,m3;f为钢材的抗弯强度设计值,MPa;σwai为基坑内侧最大弯矩处的正应力,MPa;Mw为基坑外侧最大弯矩设计值,kN·m。


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(3)嵌固深度验算。嵌固构造深度=嵌固构造深度系数×基坑深度=0.800×2.800=2.240 m,嵌固深度采用值6.200 m≥2.240 m,满足构造要求。


(4)嵌固段基坑内侧土反力验算。

工况一,PS=501.851≤EP=794.939,土反力满足要求。

工况二,PS=501.851≤EP=794.939,土反力满足要求。

其中,PS为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力,kN;EP为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力,kN。

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机场特殊环境下围堰施工

由于蓄水池底为毛石,所以打桩前需对池底石块清理。本工程钢板桩围堰采用470长臂挖机带振动机械头振动插入。由于蓄水池位于跑道端头净空限高区域内,因此钢板桩打设施工内容需要等停航后实施。围堰施工钢板桩施工工艺流程见图9。

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3.1钢板桩插打施工

由于本次施工位于东西2条跑道端头,施工区域净空有严格要求,为不影响后续施工工序的展开,在蓄水池内围堰施工时采取分块、分阶段、分时间段组织流水施工。


1)净空分析。插入钢板桩时,由于咬口插入,钢板桩顶标高为14.20 m,根据跑道平均标高3.8 m,需要净空为10.4 m,故按净空11 m分析飞行升降对施工的影响。西跑道起飞爬升与围堰施工相交叉,影响西北侧50 m范围内钢板桩施工(见图10)。此部分于8月26日~8月31日00:00~6:00完成(航后施工)。

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西跑道降落与围堰施工相交叉,净高11m,对本次钢板桩施工无影响(见图11)。

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东跑道起飞爬升与围堰施工相交叉,影响东北侧50 m范围内钢板桩施工(见图12)。

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2)净空控制措施。根据净空分析,本次施工约有150m不满足正常通航情况下施工,其余部分在控制好净空限高的条件下可施工。对激光测距传感器模块进行改造,与报警器融为一体,见图13。设置在施工机械大臂与小臂连接处,对施工区域高度进行监测。当打桩听到报警声时立即停止,降低施工高度。

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板桩围堰打桩从蓄水池中间开始,先对称定位桩,其余钢板桩以定位桩为基础向两侧打设并与相邻定位桩合拢,南北两侧与蓄水池池壁结合,见图14。

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单桩打入法以一块一组,从中间开始逐块插打,直至工程结束。这种打入方法施工简便,可使打桩机行走路线短、速度快。


首根钢板桩打设完毕后,测量钢板桩的平面定位、标高和垂直度。白天用挖机将钢板桩驳运至每个施工段,提前启动机械,检查机械以确保在停航后第一时间进行施工。充分利用停航时间,合理安排每日施工,使机械利用率达到最大。


3.2钢板桩围堰合龙


钢板桩由中间向南北两侧施工至池壁边缘,与蓄水池边坡固结,另外还需要注意桩体的垂直度和尺寸,如果发现问题应及时调整。


3.3钢板桩插打质量控制

1)钢板桩施工顺序控制。施工前先挖除池底毛石,再进行定位桩放样。首根桩及定位桩打设完毕后测量,测量合格后以定位桩为基准向两端打设,直至合龙。


2)钢板桩垂直度控制。第一根桩打设后,对其平面位置、桩顶标高及垂直度进行测量,测量合格后,以第一根桩为基准打设其余桩;起吊后,将后一根桩对准前一根桩锁扣振动下沉,整个过程用铅锤控制垂直度,及时调整,合格后进行下一根施工。


3)钢板桩平面线性控制。定位桩与定位桩之间用钢丝连接,以定位桩为基准沿钢丝绳方向进行桩的打设,施工过程中用全站仪测量控制。


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钢板桩围堰工后效果分析

4.1钢板桩监测

为验证使用效果,施工完成后进行分阶段监测,防止变形过大影响施工安全。

1)变形监测点沿桥长方向布置,钢板桩桩身每边均布5个监测点。监测点用短钢筋与钢板桩焊接固定。

2)监测基准点设置2个,需可靠、稳定和牢固。

3)地坪沉降和基坑坡顶位移测量采用全站仪进行,在地坪和坡顶两侧每隔40 m混凝土布置六角钉观测点,用仪器监测基坑。

4)围堰使用初期,每天监测2次,位移及变

形稳定后每天监测1次,直至结构工程施工结束。特殊情况下加密监测。

4.2钢板桩围堰在不同水位下监测数据

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根据监测数据,得到钢板桩围堰变形量随着现场水位升高逐渐变大,最大变形量为2020年7月汛期,水位高2.78 m,最大变形量36 mm,变形量在安全可控范围内;且渗水量较小,渗水通过明排水沟集流至排水井后排至水池内,渗水量远远小于2台泵的排水量,说明围堰工后止水效果明显且安全。截至目前本工程钢板桩围堰已施工完成近1 a,成功抵御汛期多次强降雨的考验,在保证机场防汛与机场运营的前提下,保证施工安全和工效。汛期中的围堰实景图见图15。

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结  语

拉森钢板桩围堰具有施工速度快、止水效果明显等优点。此次其在上海虹桥机场区域内成功运用,保证国内最长滑行道桥的顺利施工,最大程度减少对机场运营、安全的影响。同时,也为后续机场领域不停航施工提供宝贵借鉴。



来源:《中国市政工程》

编辑整理:项 敏

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