深水钢板桩围堰设计与施工

赵景方

(中铁二十三局一公司，山东日照 276800)

深水钢板桩围堰设计与施工

赵景方

(中铁二十三局一公司，山东日照 276800)

结合新建大连长兴岛铁路五岛站至长兴岛港站工程，介绍了基础施工过程中的钢板桩围堰支护技术，并总结了基坑支护结构稳定性、整体抗浮稳定性以及基坑开挖时空效应特点等设计施工中应注意的事项。

深水钢板桩，设计，施工，时空效应

1 工程概况

葫芦山湾特大桥既是本线的重点工程，又是控制工程，是连接岛内与岛外的跨海大桥。全桥按一次双线施工建设。现场地貌以滨海平原为主，小里程一侧地貌为剥蚀丘陵，地形较起伏。大桥4号～16号墩位在海水内，设计水位H1/100=6．91 m，施工水位2．0 m，基础为钻孔桩、低承台基础。施工现场的地质资料如下：

人工填土：φ =16°，r=18 kN/m，c=3 kPa，h=5．09 m;淤泥质土：φ =10°，r=17．5 kN/m，c=13 kPa，h=7．6 m;粉质粘土：φ = 20°，r=18 kN/m，c=19 kPa，h=5．7 m。

根据各土层力学参数，加权平均值计算结果如下：

r，c，φ按总厚度18．39 m范围内的加权平值：

其中，r为重度;c为粘聚力;φ为内摩擦角。

海湾、深水河道或软土地段的深大基坑开挖，一般采用排桩帷幕、SMW工法桩、地连墙、沉井或钢板桩等方法进行围护施工。目前应用的排桩帷幕、SMW工法桩、地连墙、沉井等施工方法施工周期长、成本高、不经济。而钢板桩施工速度快，围护材料可以多次周转使用，造价低。结合实际情况，本工程采用钢板桩施工基础承台。施工钢板桩前，先在河道两侧相向筑岛，中间预留100 m宽河道通水，其上搭设刚便桥。图1为钢板桩围堰施工现场。

2 钢板桩施工设计

本工程采用拉森Ⅳ型钢板桩，截面尺寸：宽度为40 cm，高度17 cm，厚度 15．5 mm。

围堰钢板桩采用拉森Ⅳ型钢板桩，截面模量为2 037 cm3/m。

2．1 钢板桩各层围檩间距

1)顶层钢板桩支撑位置的确定。按等弯矩布置确定各层支撑的间距，根据拉森Ⅳ型钢板桩能承受的最大弯矩确定板桩顶悬臂端的最大允许跨度h：

2)下部各层支撑的间距确定。把钢板桩视作一个承受三角形荷载的连续梁，各支点近似地假定为不转动，即把每跨都视作两端固定，可按一般力学计算出各支点最大弯矩都等于Mmax时，钢板桩强度所允许的条件下，各层围檩间的最大间距(各层间距系数可以通过力学计算推算)：

2．2 板桩入土深度计算

采用盾恩近似法计算板桩入土深度(板桩顶离筑岛顶面1．2 m)，见图 2。

图1 钢板桩围堰施工现场

图2 钢板桩长度计算简图

计算钢板桩总长度：L=1．2+h1+h2+h3+x=1．2 m+3．2 m+ 2．5 m+2．2 m+5．24 m=14．34 m，故选用的钢板桩长度应不小于15 m。经计算，连续梁主墩需要长度在15 m以上的钢板桩，海湾内其他各墩钢板桩长度至少在12 m以上。

2．3 整体抗浮稳定性验算

本围堰采用有水开挖和水下封底，封底混凝土厚度2．0 m。当停止降水或抽干基坑内积水时，封底底面因受到静水压力作用而有上浮趋势，则要求满足：

其中，K为整体抗浮稳定安全系数，一般取1．05;Pk为总抗浮力;Pf为总的上浮力;Ph为封底混凝土及钢板桩的总重量;λ为抗拔容许摩阻力与受压容许阻力比例系数，取0．8;L为钢板桩与土体接触外壁周长;fι为支护侧各土层的容许摩阻力;hι为支护侧各土层的厚度。

K=［(17．2 m ×13．2 m ×2 m ×25 kN/m3+2 597 kN)+0．8 × (17．2 m+13．2 m) ×2 ×15 m ×9．1 kN/m2］/17．2 m ×13．2 m × 7．94 m ×10 kN/m3=1．14≥1．05，满足要求。

2．4 封底混凝土强度验算

封底混凝土在上浮力作用下的内力，可近似简化为简支单向板计算，封底混凝土抗拉强度［2］：

其中，f为封底混凝土抗弯曲强度;ι为基坑底小边尺寸;Q为封底底面静水压力;W为封底混凝土每1 m宽截面的抗弯模量;h为封底顶面处水头;d为假定的封底混凝土最小厚度;rw为水的容重;rc为混凝土的重度。2

C25混凝土抗拉强度为1．9 MPa，故水下混凝土强度需不小于C25，本设计采用C25水下混凝土封底。

2．5 围檩受力计算

各内支撑反力采用简支梁法近似计算各内支撑反力：

其中，Pn为所求横梁支点承受的土压力;D为横梁支点至板桩顶距离;Hn为横梁支点至上一支点的跨度;Hn+1为横梁支点至下一支点的跨度。

通过各层内力计算分析，第三层围檩支撑受力最大，故重点检算第三层支撑的稳定性。

2．5．1 三拼Ⅰ40b工字钢围檩验算

1)围檩采用Ⅰ40b工字钢三拼卧置。对跨度最大边的围檩进行验算。

2)计算模型如图3所示。

围檩可以看作三不等跨连续梁。

3)计算轴向压力。

4)计算轴心受压构件的纵向弯曲系数。

其长细比 λ1=L0/r=4 720/156 ×3=10．1;查表［9］得：φ1=0．9。

根据φ2取值说明，三拼Ⅰ40b失稳平面和弯矩作用平面一致，故取φ2=1。

5)计算μ值。

所以有 μ=(1－n1N×λ2/π2EAm)×m。

其中，n1为受压杆允许应力安全系数，荷载组合Ⅰ时取1．7;在荷载组合Ⅱ～Ⅳ时取1．4;N为计算轴向力;λ为构件在弯矩作用平面内的长细比;E为弹性模量;Am为毛截面积;M为当弯矩在荷载组合Ⅰ时取1．0，在荷载组合Ⅱ～Ⅳ时取1．4。

所以，第三层钢板桩围檩的整体稳定性是安全的(第一、二层围檩检算类似)。

2．5．2 三拼Ⅰ40b工字钢围檩角部斜撑检算

水平斜撑轴向稳定性验算示意图见图4。

计算轴心受压构件的纵向弯曲系数。

2．5．3 围檩纵向φ630水平支承杆受力计算

采用φ630×10的钢管对围檩纵向支撑。

3 水下开挖，坑内最低水位的计算

第三道围檩以下钢板桩受到的周侧主动土压力，一半由第三道围檩承受，一半由基底以下的坑内土体承受，为浇筑封底混凝土，在进行基底以下继续开挖时，要考虑围堰内的最低水位以平衡围堰外的主动土压力。也即以围堰内水头压力平衡围堰内的主动土压力损失。

得：x=3．98 m。即在开挖封底混凝土的土层厚度时，围堰内必须保证有3．98 m以上深度的水位。

4 基坑开挖的时空效应理论应用

合理的钢围堰支护及开挖设计，保证基坑稳定性和控制变形，是施工成功的前提。在地质和环境条件复杂的深大基坑中，往往控制变形是设计施工的要点。

结合时空效应理论，本工程钢板桩围堰在进行分层开挖，逐层支护［1，3，4］时，要求：

1)尽量缩短每层开挖与支撑时间，每层要求在24 h以内完成。

2)进行φ609×10钢管支撑时，按设计钢管受力的5%施加预应力。

用于施加预应力的钢支撑构件为活接头，在活接头两侧用双千斤顶同时施压，采用δ40锲铁锁定，误差±50 kN。施加预应力过程中检查各节点连接状况，如有异常应及时加固;钢制牛腿、三榀H型铜节点制安及DN609钢支撑安装示意图见图5。

图4 水平斜撑轴示意图（单位：cm）

图5 三榀工字钢围檩与钢管支撑安装示意图

在钢围堰基坑开挖中，适当减小每步开挖土方的空间尺寸，减小每层开挖在支撑前的暴露时间，是考虑时空效应、科学利用土体自身控制变形、位移的潜力，解决软土深基坑稳定和变形问题的基本对策。以此为指导思想，形成基坑工程的设计和施工方法。

5 结语

深基坑工程涉及岩土力学、结构力学、材料力学、工程地质和施工技术等专业知识，是一项很强的学科。由于影响基坑工程不确定因素很多，基坑工程又是一项风险性很大的工程，稍有不慎就会酿成巨大的工程事故。因此，确保基坑工程的安全是总体方案设计的目标，也是施工的目标。应结合当地工程的施工经验与技术能力进行具体分析，设计时确保满足规范与工程对支护结构的承载能力、稳定性与变形计算(演算)的要求;并对施工工艺、挖土、降水等各环节进行充分的研究和论证。

［1］刘爱华，黎 鸿，罗荣武．时空效应理论在软土深基坑施工中的应用［J］．地下空间与工程学报，2001，6(3)：571-576．

［2］贺宝桥．新奥法设计施工的原理［J］．中国水运，2008，8(6)：197-198．

［3］刘建航，候学渊．基坑工程手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，1997．

［4］刘 燕，刘国彬，孙晓玲，等．考虑时空效应的软土地区深基坑变形分析［J］．岩土工程学报，2006(28)：39-40．

［5］刘建航，刘国彬，范益群．软土基坑工程中时空效应理论与实践(上)［J］．地下工程与隧道，1999(3)：7-12．

［6］王新丰．深水钢板桩围堰设计分析［J］．工程建设与设计，2012(5)：158-164．

［7］崔 浩．钢板桩围堰的设计与施工［J］．公路，2008(2)：68-71．

［8］魏爱军．钢板桩围堰施工技术［J］．北方交通，2008(1)：101-103．

［9］建筑施工计算手册钢结构工程［S］．

Design and construction of deep water steel sheet pile cofferdam

ZHAO Jing-fang

(China Railway 23rd Bureau 1st Company，Rizhao 276800，China)

The paper introduces the basic construction of the steel sheet pile cofferdam in the process of supporting technology based on the engineering of Five Islands on Dalian Changxing Island railway station to Changxing Island harbor station，and the paper summed up the stability of foundation pit supporting structure，overall anti-floating stability and effect of excavation space and time characteristics etc．maters needing attention in construction．

the deep water of steel sheet pile，design，construction，time-space effect

TV551．3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.061

1009-6825(2013)10-0169-03

2013-01-23

赵景方(1975-)，男，工程师