某特大桥深水墩承台开挖支护方案设计

2011-06-21祁俊明上海铁路局上海华东铁路建设监理有限公司

上海铁道增刊 2011年3期

祁俊明上海铁路局上海华东铁路建设监理有限公司

连续发生的施工工地基坑坍塌事故，引起了社会各界对建筑施工安全问题的广泛关注，深基坑等地下作业安全成为重点监控对象。上海铁路局关于开展施工安全专项整治的通知中也明确要求：对危险性较大工程（如：深基坑的围护和拆除），必须单独编制专项施工方案。由此可见，深基坑开挖支护方案的优劣，对施工安全、工程进度、环境保护等至关重要。

1 工程概况

某特大桥工程跨越一条重要河道。该桥为双线桥，钻孔灌注桩基础，矩形承台和圆端形变截面实体墩身。

该桥在50#～55#墩跨越河道，为(48+80×3+48)m 悬臂浇筑连续梁，也是控制本桥工期的重点。其中53#墩位于河道中央。53#墩设计概况见表1 所示。

表1 53#墩结构设计概况表

承台分为两层，底层尺寸为12.4 m×19.1 m×4 m，上层尺寸为9.6 m×8.8 m×2 m。承台底标高为-5.014 m，去除回填土，施工期间河水位为+5.5 m。

2 方案选定

根据实地调查，承台位于河槽正中，河床面标高+2.5 m，+2.5～-15.8 m 范围内为淤泥质粉质粘土，饱和流塑。-15.8 m 以下为粉土。基坑开挖深度接近8 m，为保证河堤、基坑开挖以及承台施工安全，同时又能保证河道不污染或少污染，决定采取钢板桩支护开挖的方式（见图1）。

3 参数及材料选定

承台施工时间为枯水季节，实测水深2.5～3 m，按照3 m考虑，考虑到施工周期，冲刷深度按0.5m 考虑，则冲刷后河床面标高+2.5 m，水位标高按+5.5 m 计算。

图1 某特大桥53#墩纵断面

考虑到承台施工的作业空间，钢板桩围堰尺寸每边比承台大1.5 m。则钢板桩围堰平面尺寸为22.4×15.6 m。

因基坑自水面往下开挖深度近11 m，必须设多道内支撑，按多支撑式板桩计算。施工选用Ⅳ型拉森钢板。W=2037cm3, [σ] =200MPa。

图2 钢板桩入土深度示意图

4 结构设计计算

4.1 入土深度计算

在实际施工中，因钢板桩沉入困难，实际地质情况发生了变化，所以钢板桩顶标高最高定为+8.5 m，局部为7.5 m，钢板桩在水中长度为3 m，在淤泥质粉质粘土中的长度为11.87 m，在粉质粘土中的长度为6.13 m (见图2) ，将水视作土层，则基坑外侧γ、φ、C 按18 m 范围内的加权平均值计算：

4.2 确定支撑层数及间距

按等弯矩布置确定各层支撑的间距，则钢板桩顶部悬臂端的最大允许跨度：[σ] -钢板桩允许弯曲应力，γ-钢板桩墙后的土重度，ka-主动土压力系数，ka=tg2(45°-12.65°/2)=0.641。根据施工的具体情况，确定采用的布置形式如下：底部封底混凝土浇筑后也当一道支撑。

4.3 用盾恩近似法计算钢板桩入土深度

主动土压力系数:ka=tg2(45°-12.65°/2)=0.641，被动土压力系数:kp=tg2(45°+12.65°/2)=1.561，

GH 的斜率:kn=γ(kp-ka)=16.857×(1.561-0.641)=15.51，

e1=kaγH=0.641×16.857×11.514=124.41 kN/m2。

FI 钢板桩上的荷载FIJK 一半传递到F 点，另一半由坑底土压力GHI 承担（见图3），则：

图3 钢板桩受力分析图

根据入土部分的固定点，在P 的作用点E，距坑底的距离为：

2h/3=2×9.32/3=6.213 m，故钢板桩总长度至l=11.514+9.32+3=23.834 m，即钢板桩长度为23.834 m，入土深度为9.32 m 时即能保证桩体本身的稳定性，选用24 m 钢板桩。实际入土深度为9.486 m。

5 钢板桩稳定性检算

5.1 管涌检算

钢板桩入土深度除保证本身的稳定外，还应保证基坑底部在施工期间不会出现管涌现象，此时需满足：

式中：K-抗管涌安全系数，一般取1.5～2.0，本工程取1.5；-土的浮重度，本工程取8 kN/m3，j-最大渗流力(动水压力)，j=iγw=[H/(H+2h)] ×γw,i-水头梯度，i=H/(H+2h)，h-钢板桩入土深度，待求；H-水位至坑底的距离，即水头差，本工程为11.514 m，γw-水的重度，本工程取10 kN/m3，代入式中，则：即入土深度大于5.04 m 时，不会发生管涌。

所需钢板桩长度：l=11.514+5.04+3=19.554。

选用24 m 钢板桩，则入土深度为9.486 m，反算抗管涌安全系数K=1.882，不会发生管涌。

5.2 基底隆起检算

钢板桩底土层为粉土，不透水，故不会发生隆起，不予检算。

5.3 围囹检算

5.3.1 工况分析和计算

本项目施工中设四道支撑和围囹，以及基坑底部灌注混凝土封底、两级承台施工等不同阶段，拉森钢板桩的受力情况不同，本文以两种工况加以分析：

(1)工况一

施作桩顶围囹和支撑后，开挖基坑至+2.0 m 标高，即3.5 m 深，未安装第一道支撑前，钢板桩为顶部简支的单锚浅埋板，则支撑受力为：Ra=Ea-Ep。

假定钢板桩所需入土深度为t，则：

在顶部支撑处力矩为零，因此最小入土深度：

t=4.9 m，Ea=381，Ep=315.9。因此：Ra=Ea-Ep=65.1 kN，剪力为零的点距支撑点的距离：

在剪力为零处弯矩最大，其值为Ra×2h/3=150.65 kN.m。

则此时钢板桩的应力为：

σ=M/W=(150.65×103)/(2037×10-6)=73.96MPa＜215 MPa，故在此工况下钢板桩能满足受力要求。

(2)工况二

安装好第一道支撑，开挖至6 m 深，第二道支撑没有施作。此时钢板桩可看作为在桩顶和第一道支撑处简支，基坑以下2 m 处固结的连续梁结构。则建模如图4，剪力情况见图5，弯矩情况见图6。

图4 工况二钢板桩受力图

图5 剪力图（kN）

图6 弯矩图（kN·m）

计算得钢板桩：Vmax=144.49 kN，Mmax=103.87 kN·m，最大支撑反力为156.72 kN。作用在第一层围囹和支撑处。则此时钢板桩的应力为：

σ=M/W=(131.69×103)/(2037×10-6)=64.6 MPa＜215 MPa。

故在此工况时Ⅳ型拉森钢板桩受力能满足要求。

通过进一步计算可知，在各种工况下采用Ⅳ型拉森钢板桩受力均能满足要求。

5.3.2 围囹计算

围囹设四个角撑和两道对撑，结构如图7 所示：

图7 围囹结构图

本文对顶层围囹作分析计算：

最大支撑反力198.4 kN/延米，即为作用在围囹上的均布荷载，横桥向围囹建模平面如图8，剪力分析见图9，弯矩情况见图10。

图8 横桥向围囹受力图

图9 顶层围囹剪力图（kN）

图10 顶层围囹弯矩图（kN·m）

围囹受力：Vmax=406.72 kN，Mmax=241.26 kN·m，对撑最大支撑反力为746.66 kN，斜撑最大支撑反力为686.89 kN。

围囹所需截面：

W=M/[σ] =241.26×103/(215×106)=1.122×10-3m3=1122cm3，选用单HW350 型钢（350×350×12×19），W=2257.49 cm3，I=39506.17 cm4，δ=12 mm，I/S=39506.17/1246.59=31.7 cm，故顶层围囹采用HW350 型钢能满足受力要求。

采用同样建模和计算可得出第四层围囹采用双HW400型钢（400×400×13×21）能满足受力要求，其他层同理。

5.4 对撑和斜撑检算

对撑和斜撑采用螺旋钢管桩，分析各工况下斜撑和对撑得受力情况如表2 所示：

表2 斜撑和对撑受力情况表

对撑承受轴向力，最大为1826.3 kN，为对撑处，采用Φ600 mmδ12 mm 螺旋钢管桩。最长对撑为14.88 m。

两端简支，长细比：

故Ф1=0.683，

σ=N/A=1826.3×103/22167=82.4MPa＜0.683×145=99 MPa。

故采用Φ600 mmδ12 mm 钢管桩作支撑能满足强度和稳定性要求。

综上计算可知，采用拉森Ⅳ型钢板桩作为挡水结构，长24 m，顶标高+6.0 m，入土深度20.5 m。顶层围囹采用单HW350 型钢（350×350×12×19）mm，第一层围囹采用HW350型钢（344×348×10×16）mm，第二层围囹采用单HW400 型钢（400×408×21×21）mm，第三、第四层围囹采用双HW400 型钢（400×400×13×21）mm 都能满足受力要求。斜撑和对撑采用Φ600 mmδ12 mm 钢管能满足受力要求。

经过检算，选用24 m 长Ⅳ型拉森钢板桩进行基坑支护，基坑底以下深度达到11.986 m，共设置4 层围囹和支撑。顶层围囹采用单HW350 型钢，第一层围囹HW350 型钢，第二层围囹采用单HW400 型钢，第三层、第四层围囹采用双HW400 型钢，围囹采用托架固定在钢板桩上，围囹四角设双斜撑，中部设双对撑，对撑和斜撑均采用Φ600 mmδ12 mm 螺旋钢管桩制作。斜撑与围囹焊接连接，对撑与围囹卡接。