CN108775020B - 自平衡钢板桩围堰及其修复水下混凝土衬板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自平衡钢板桩围堰，包括由多根竖直设置的钢板桩顺次通过在其拉森接口处焊接围成的外框、围囹和内支撑，外框转角处的两个钢板桩之间通过连接件连接，在外框的内侧从上到下固定设置若干层围囹，且每层围囹均由四根围囹组成，每根围囹对应外框的一个面设置，四根围囹围成水平框型结构，在每层围囹的转角处均固定连接一个内支撑。本发明所述的一种自平衡钢板桩围堰，能够置于衬板上，并不损坏其他衬板，且能够在保证渠道正常过水的情况下进行破损混凝土衬板的置换。

Description

自平衡钢板桩围堰及其修复水下混凝土衬板的方法
技术领域
本发明属于钢板桩围堰技术领域，尤其是涉及自平衡钢板桩围堰及其修复水下混凝土衬板的方法。
背景技术
南水北调是举世瞩目的一项特大型跨流域调水工程，是实现我国水资源战略布局调整、优化水资源配置、解决黄、淮、海平原、胶东地区和黄河上游地区特别是津、京、华北地区缺水问题的一项特大基础措施。其中南水北调中线干线工程，是缓解我国黄淮海平原水资源严重短缺、优化配置水资源的重大战略性基础设施。输水干线全长1432km(其中天津输水干线156km)。中线总干渠特点是规模大，渠线长，建筑物样式多，交叉建筑物多，总干渠呈南高北低之势，具有自流输水和供水的优越条件。以明渠输水方式为主，局部采用管涵过水。
南水北调中线工程所在区域6-9月份为汛期，年平均降雨量为675mm，60％—70％集中在汛期，多以暴雨形式出现。施工区段为上黏性土、下软弱膨胀泥岩结构，局部为卵石、砾质黏土、砾岩和砂岩透镜体。地下水位多位于开挖面以下0.5-4m。厂区地下水主要为上第三系软岩孔隙裂隙水，主要赋存与黏土岩中，部分位于砂岩、砾岩透镜体中，局部具承压性和强透水性。由于地下水具动态变化特征，水位变化受降雨影响较大。
目前，部分渠段的混凝土衬板出现了裂缝，且有些裂缝已经发展为贯穿性裂缝，对渠道的稳定安全及渠道水质造成了不利影响。然而，对混凝土衬板的修复方法研究基本停留在断水情况下进行灌浆修复。即在渠道断水情况下，对裂缝处灌注不同材料进行裂缝修复，该方法难以应用于肩负着北方地区用水重任的南水北调渠道裂缝修复，将严重影响北方地区的正常供水。此外，若衬板贯穿裂缝过多，仅进行局部修复难以保证其以后的正常使用，故需要进行新旧面板的置换。因此，提出在不断水情况下，进行新旧面板的置换的方法，确保修复过程中南水北调渠道过水的正常功能，既是工程的迫切需求，也是社会和谐的有力保障。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种自平衡钢板桩围堰，能够置于衬板上，并不损坏其他衬板，实现了在不中断供水情况下进行混凝土衬板的置换。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种自平衡钢板桩围堰，包括由多根竖直设置的钢板桩顺次通过在其拉森接口处焊接围成的外框、围囹和内支撑，外框转角处的两个钢板桩之间通过连接件连接，在外框的内侧从上到下固定设置若干层围囹，且每层围囹均由四根围囹组成，每根围囹对应外框的一个面设置，四根围囹围成水平框型结构，在每层围囹的转角处均固定连接一个内支撑。
进一步的，所述钢板桩为U型钢板桩。
进一步的，每层所述围囹均采用上下两块型钢进行拼接的方式。
进一步的，所述外框内侧的围囹设置上中下三层。
一种自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，包括以下步骤：
步骤一：选型钢板桩、围囹、内支撑及转角处的连接件，并对钢板桩设置吊装孔；
步骤二：在钢板桩底部设置橡胶垫与防水材料；
步骤三：在钢板桩接口处填充压缩型密封剂，然后通过钢板对钢板桩接口处进行焊接密封，进一步密封其接口；
步骤四：将各块钢板桩按步骤三组装成整体作为装置的外框；
步骤五：在外框内部自上而下焊接若干层围囹；
步骤六：在每层围囹的转角处均焊接一个内支撑；围囹与内支撑需要严格控制其精度，安装时测定各构件的平面位置，控制好各部位高程，使其在同一高程上，确保均匀受力；
步骤七：自平衡钢板桩围堰组装完毕后，由起吊装置将自平衡钢板桩围堰吊起运送到所需置换面板处，即待修复衬板处；
步骤八：待自平衡钢板桩围堰稳定后利用抽水泵进行排水，在排水过程中一方面观察钢板桩的稳定性，若出现局部失稳现象需停止排水进行加固；另一方面在自平衡钢板桩围堰外部投入混合物，混合物为黄油、灰渣或锯末，利用内外部水压的改变将混合物吸入钢板接口与钢板与衬板之间的缝隙中；
步骤九：待排水完毕后，在所需置换的衬板上打入膨胀螺栓设置吊装孔，利用起吊装置进行新旧面板的置换；
步骤十：置换完毕后将自平衡钢板桩围堰吊出，移动至下一个需进行面板置换处。
进一步的，若面板上均为较浅的非贯穿性裂缝，则将面板一次性全部吊出进行置换。
进一步的，若面板上存在贯穿性裂缝，且贯穿性裂缝已将混凝土衬板分割为独立部分，凭一次吊装将衬板吊出已无法实现，此时需在根据裂缝划分的衬板区域分块安装膨胀螺栓设置吊装孔，分块进行吊装，若贯穿性裂缝没有将衬板分割为独立部分，仅仅存在于衬板内部而无延伸到边界，此时需用切割机将裂缝进行延伸，使之成为独立部分再进行吊装。
进一步的，若面板上存在裂缝为非贯穿性裂缝，但裂缝深度较深，达到板厚的一半，此时仍进行整块吊装，极易在吊装过程中在裂缝处发生混凝土断裂造成危险，因此若存在较深的非贯穿性裂缝时，需先沿裂缝处将混凝土衬板贯穿切割成独立部分，再分别进行吊装。
相对于现有技术，本发明所述的一种自平衡钢板桩围堰具有以下优势：
1、现有的混凝土衬板修复技术多为断水灌浆修复，对于南水北调这样肩负北方地区用水的重大工程来说，断水显然是不可能的。本发明提出了一种新的混凝土衬板修复措施，能够在保证渠道正常过水的情况下进行破损混凝土衬板的置换，保证了北方地区的正常用水。
2、传统的钢板桩围堰法主要用于基坑支护，桥墩施工等工程中，都需将钢板桩打入土体形成悬臂构件，而由于本工程的特殊性，钢板桩无法***土体中，只能置于混凝土衬板之上。本发明根据工程的特殊性，设计出能够置于衬板上的围堰装置，能够在不损坏其他衬板的情况下进行新旧面板的置换。
3、现有的钢板桩围堰法施工，均是将钢板桩逐根***土体，耗时较长，且易产生较大误差。而本发明的新型围堰装置，预先将钢板桩拼接组合好，然后将整体投入使用，一方面预先将各钢板焊接连接在一起，能够有效的提高防渗能力，另一方面能有效的缩短施工时间，提高工作效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种自平衡钢板桩围堰的U型钢板桩截面示意图；
图2为U型钢板桩的接口处钢板+焊接密封示意图；
图3为钢板桩和连接件组合形式图；
图4为自平衡钢板桩围堰的侧视图；
图5为自平衡钢板桩围堰中围囹与内支撑的俯视细节图；
图6为图5的1-1截面图；
图7为自平衡钢板桩围堰与面板(待修复衬板)的位置关系主视图；
图8为自平衡钢板桩围堰与面板(待修复衬板)的位置关系俯视图；
图9为面板(待修复衬板)一次性吊装置换步骤图；
图10为面板上存在贯穿性裂缝的情况下，面板(待修复衬板)分部吊装示意图；
图11为面板上存在非贯穿性裂缝，但裂缝深度较深，达到板厚的一半的情况下，面板(待修复衬板)分部吊装示意图；
图12为自平衡钢板桩围堰的俯视图；
图13为自平衡钢板桩每延米受力示意图；
图14为结构力学求解器计算弯矩图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图6所示，一种自平衡钢板桩围堰，包括由多根竖直设置的钢板桩顺次通过在其拉森接口处焊接围成的外框、围囹和内支撑，外框转角处的两个钢板桩之间通过连接件连接，在外框的内侧从上到下固定设置若干层围囹，且每层围囹均由四根围囹组成，每根围囹对应外框的一个面设置，四根围囹围成水平框型结构，在每层围囹的转角处均固定连接一个内支撑。
一种自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，包括以下步骤：
步骤一：选型钢板桩、围囹、内支撑及转角处的连接件，并对钢板桩设置吊装孔；
步骤二：在钢板桩底部设置橡胶垫与防水材料；
步骤三：在钢板桩接口处填充压缩型密封剂，然后对其进行钢板+焊接密封，进一步密封其接口，对于很宽或者有水流经过的缝隙来说，一般的焊接亦不能满足防渗要求，若水深较深，水流较大，此时，可以在连接处焊接一块适当宽度的平板，形成一个竖向排水渠，引导水流排出；
步骤四：将各块钢板桩按步骤三组装成整体作为装置的外框；
步骤五：在外框内部自上而下焊接若干层围囹，每层所述围囹均采用上下两块型钢进行拼接的方式，因若围囹采用单层型钢为满足稳定性则需选用较大尺寸型钢，会减少施工空间，因此采用将两根型钢进行进行上下拼接的方式，增大截面惯性矩，减少所占施工面积；
步骤六：在每层围囹的转角处均焊接一个内支撑；围囹与内支撑需要严格控制其精度，安装时测定各构件的平面位置，控制好各部位高程，使其在同一高程上，确保均匀受力；内支撑必须焊接牢固，避免局部失稳，且与围囹间要尽量密贴，有空隙处必须用钢板抄垫；
步骤七：自平衡钢板桩围堰组装完毕后，由起吊装置将自平衡钢板桩围堰吊起运送到所需置换面板(即待修复衬板)处；
步骤八：待自平衡钢板桩围堰稳定后利用抽水泵进行排水，在排水过程中一方面观察钢板桩的稳定性，若出现局部失稳现象需停止排水进行加固；另一方面在自平衡钢板桩围堰外部投入混合物(黄油，灰渣，锯末等)，利用内外部水压的改变将混合物吸入钢板接口与钢板与衬板之间的缝隙中，提高防渗能力；
步骤九：待排水完毕后，在所需置换的衬板上打入膨胀螺栓设置吊装孔，利用起吊装置进行新旧面板的置换；
步骤十：置换完毕后将自平衡钢板桩吊出，移动至下一个需进行面板置换处。
如图7和图8所示，衬板两侧均留有空间进行吊装置换，空间充足；能够保证正常施工的最小尺寸，利用自平衡钢板桩围堰对混凝土衬板置换可行性高。
如图9所示，若面板上均为较浅的非贯穿性裂缝，则可以将面板一次性全部吊出进行置换。
如图10所示，若面板上存在贯穿性裂缝，且贯穿性裂缝已将混凝土衬板分割为独立部分，凭一次吊装将衬板吊出已无法实现，此时需在根据裂缝划分的衬板区域分块安装膨胀螺栓设置吊装孔，分块进行吊装，若贯穿性裂缝没有将衬板分割为独立部分，仅仅存在于衬板内部而无延伸到边界，此时需用切割机将裂缝进行延伸，使之成为独立部分再进行吊装。
如图11所示，若面板上存在裂缝为非贯穿性裂缝，但裂缝深度较深，达到板厚的一半，此时仍进行整块吊装，极易在吊装过程中在裂缝处发生混凝土断裂造成危险，因此若存在较深的非贯穿性裂缝时，需先沿裂缝处将混凝土衬板贯穿切割成独立部分，再分别进行吊装。
以修复水深7米处的混凝土衬板为例来设计自平衡钢板桩围堰，具体如下：
钢板桩选型计算
1、选型：根据《钢板桩工程手册》所述，常用的钢板转形式有U型，Z型，直腹式桩，H型钢。不同的形状所适合情况不同，为保证工程用钢量较小且符合安全要求，故选择截面惯性矩较大且连接较方便的U型钢板桩。拟初步选择U型拉式钢板桩，其截面构造如图1所示。
2、设置围囹与支撑，为保证钢板桩稳定，拟沿钢板桩高度方向设置上中下三道围囹，其中上下两道围囹取近端两侧1m处，中部围囹利用影响线思想，取使底部围囹反力较小处的位置，取一米计算如图12和图13所示，利用结构力学求解器将钢板桩简化为简支梁进行计算，计算简图如图14所示：
由图14可知，A处弯矩MA＝-1667N·m，B处弯矩为MB＝-33333N·m，C处弯矩为MC＝-20250N·m,最大弯矩为Mmax＝-33333N·m＝33KN·m，A,B跨中最大弯矩处记为D点。
A处反力为FA＝28805N＝28KN，C处反力为FC＝91319N＝91KN，B处反力为FB＝124875N＝125KN。
根据经济性原则，进行多次试算，初步选择AU14拉森式钢板桩，截面参数如下：
b＝750mm，h＝408mm，t＝10.0mm，s＝8.3mm。
为计算简便，取AU14对桩计算，其截面参数如下：
面积S＝198cm2，质量m＝116.85kg，惯性矩I＝43020cm4，弹性截面模量W＝2107.5cm3，回转半径r＝16.43cm。
取每延米计算：
S＝132cm2，m＝77.9kg，I＝28680cm4，W＝1405cm2，r＝16.43cm，
因此在弯矩最大处，最大应力为
Figure GDA0002408110260000071
符合安全要求。
围囹内力计算，根据施工的空间性及安全性，经过多次试算，拟采用双I56a，其Wx＝4684cm3，
在A、B、C点的应力为：
Figure GDA0002408110260000072
Figure GDA0002408110260000073
Figure GDA0002408110260000074
围囹内支撑计算：
为能够在保证内支撑稳定的情况下，尽量留出拆除面板的空间，内支撑应尽量选择较小的截面面积。内支撑拟采用I20a。按轴心受压构件计算，压杆两端按铰接简化。
为保证内支撑的设计不妨碍旧面板的拆除与新面板的放入，内支撑尺寸不易过大，先拟设计内支撑尺寸为0.56m，角度与两侧围囹均成45度角。
内支撑截面回转半径i＝8.16cm，则长细比
Figure GDA0002408110260000081
其三道内支撑的稳定计算：
Figure GDA0002408110260000082
Figure GDA0002408110260000083
可知三道支撑均稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，其特征在于：自平衡钢板桩围堰，包括由多根竖直设置的钢板桩顺次通过在其拉森接口处焊接围成的外框、围囹和内支撑，外框转角处的两个钢板桩之间通过连接件连接，在外框的内侧从上到下固定设置若干层围囹，且每层围囹均由四根围囹组成，每根围囹对应外框的一个面设置，四根围囹围成水平框型结构，在每层围囹的转角处均固定连接一个内支撑；
所述方法包括以下步骤：
步骤一：选型钢板桩、围囹、内支撑及转角处的连接件，并对钢板桩设置吊装孔；
步骤二：在钢板桩底部设置橡胶垫与防水材料；
步骤三：在钢板桩接口处填充压缩型密封剂，然后通过钢板对钢板桩接口处进行焊接密封，进一步密封其接口；
步骤四：将各块钢板桩按步骤三组装成整体作为装置的外框；
步骤五：在外框内部自上而下焊接若干层围囹；
步骤六：在每层围囹的转角处均焊接一个内支撑；围囹与内支撑需要严格控制其精度，安装时测定各构件的平面位置，控制好各部位高程，使其在同一高程上，确保均匀受力；
步骤七：自平衡钢板桩围堰组装完毕后，由起吊装置将自平衡钢板桩围堰吊起运送到所需置换面板处，即待修复衬板处；
步骤八：待自平衡钢板桩围堰稳定后利用抽水泵进行排水，在排水过程中一方面观察钢板桩的稳定性，若出现局部失稳现象需停止排水进行加固；另一方面在自平衡钢板桩围堰外部投入混合物，混合物为黄油、灰渣或锯末，利用内外部水压的改变将混合物吸入钢板接口与钢板与衬板之间的缝隙中；
步骤九：待排水完毕后，在所需置换的衬板上打入膨胀螺栓设置吊装孔，利用起吊装置进行新旧面板的置换；
步骤十：置换完毕后将自平衡钢板桩围堰吊出，移动至下一个需进行面板置换处。
2.根据权利要求1所述的自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，其特征在于：所述钢板桩为U型钢板桩。
3.根据权利要求2所述的自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，其特征在于：所述外框内侧的围囹设置上中下三层。
4.根据权利要求3所述的自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，其特征在于：每层所述围囹均采用上下两块型钢进行拼接的方式。
5.根据权利要求1所述的自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，其特征在于：若面板上均为较浅的非贯穿性裂缝，则将面板一次性全部吊出进行置换。
6.根据权利要求1所述的自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，其特征在于：若面板上存在贯穿性裂缝，且贯穿性裂缝已将混凝土衬板分割为独立部分，凭一次吊装将衬板吊出已无法实现，此时需在根据裂缝划分的衬板区域分块安装膨胀螺栓设置吊装孔，分块进行吊装，若贯穿性裂缝没有将衬板分割为独立部分，仅仅存在于衬板内部而无延伸到边界，此时需用切割机将裂缝进行延伸，使之成为独立部分再进行吊装。
7.根据权利要求1所述的自平衡钢板桩围堰修复水下混凝土衬板的方法，其特征在于：若面板上存在裂缝为非贯穿性裂缝，但裂缝深度较深，达到板厚的一半，此时仍进行整块吊装，极易在吊装过程中在裂缝处发生混凝土断裂造成危险，因此若存在较深的非贯穿性裂缝时，需先沿裂缝处将混凝土衬板贯穿切割成独立部分，再分别进行吊装。
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