紧邻防汛墙的大桥桥墩深基坑设计和施工

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

黄浦江大桥位于上海松江区主城区的西南部呈南北走向的辰塔公路上，是辰塔公路（D30公路）跨越黄浦江（原名横潦泾）的一个重要节点。

工程北起甘德路以南218 m，南至北十二勤河以北228 m，路线全长1 648 m。主桥桥型为双塔双索面混凝土梁斜拉桥，跨径布置：49.55 m+75.45 m+296 m+ 75.45 m+49.55 m。索塔主墩基础采用60根Φ1 800 mm钻孔灌注桩，承台长度58.2 m，宽度19.0 m，厚度5.5 m，顶标高+3.7 m，底标高－1.8 m。本工程江北承台自然地坪标高为+4.420 m，江南承台自然地坪标高为+3.480 m。

2 工程特点和难点

（a）江南主墩（P10墩）基坑开挖深度为5.5 m，江北主墩（P9墩）为6.5 m。根据本工程特点和周边环境，主墩基坑安全等级为三级，环境保护等级为二级。

（b）索塔主墩基坑紧邻黄浦江防汛墙，其中江南承台距离防汛墙11 m左右，对基坑防水和基坑变形的控制要求较高。

（c）江南主墩承台顶标高高于现状地面标高，基坑支撑的设计难度较大。

3 基坑围护设计

3.1 设计原则

（a）主墩承台要求一次浇筑成形，基坑中间不设临时支撑[1]。

（b）为简化承台模板安装工作量，缩短施工工期，承台浇筑不设模板，基坑平面较承台边线各放大10 cm，承台混凝土与基坑围护用油毛毡隔离。

（c）由于本基坑距离黄浦江防汛墙较近，基坑设计时必须采取有效措施控制渗水。

（d）基坑设计必须兼顾到防汛墙的沉降和变形，控制其垂直位移和水平位移在20 mm以内。

3.2 基坑设计

（a）基坑内边尺寸为长度58.4 m，宽度19.2 m，单边比承台扩大10 cm。承台不设模板，采用油毛毡隔离围护体后直接浇筑混凝土。

（b）基坑围护体采用Φ650 mm@450 mm三轴水泥土搅拌桩，内插500 mm×300 mm的H 型钢，采用插一跳一的形式（因南侧P10墩离防汛墙较近，故临江一侧采用插二跳一的形式）。

（c）在临江一侧采用坑内墩式加固的形式对坑内土体进行加强，以加强保护防汛墙，防止防汛墙变形。加固体采取Φ700 mm双轴搅拌桩，加固深度4.0 m，加固宽度4.2 m。

（d）本基坑仅在承台以上设置1 道水平支撑，支撑结构采用钢筋混凝土（C30混凝土）+钢管支撑（Φ609 mm×16 mm）。由于承台面与地面相平，设计对支撑进行了适当的提高，这样承台就可以一次性浇筑完成。

由于水平支撑高于地面，在圈梁上设置钢筋混凝土牛腿以支撑牛腿荷载。牛腿后部布置Φ650 mm@450 mm三轴水泥土搅拌桩。

（e）为防止基坑渗水，在临江一侧设止水帷幕，采用Φ650 mm@450 mm三轴水泥土搅拌桩。详见图1、图2。

图1 基坑围护设计平面

图2 P10墩（临江侧）基坑围护立面

3.3 基坑设计计算

基坑计算采用专业的大型岩土工程有限元分析软件Plaxis按平面应变连续介质有限元方法进行分析[2]。通过自动网格生成模拟土体、结构和界面单元的有限元网格模型（图3），采用摩尔-库仑模型、硬化模型和蠕变模型等土体本构模型模拟土体的不同特性。采用不同的迭代过程计算控制方法，模拟分步施工、单元死活和荷载激活。

图3 有限元网格划分

基坑围护体系的计算采用规范推荐的竖向弹性地基梁法，土的c、φ值计算采用勘察报告提供的固结快剪峰值，围护体变形、内力计算和各项稳定验算均采用水土分算原则（表1）。

表1 基坑设计参数

3.3.1 计算工况和设计荷载

（a）计算工况

STEP1：场地整平，在施工完硬地坪后进行围护桩的施工。

STEP2：浇筑混凝土圈梁及挡土墙，并施工钢支撑。

STEP3：水平支撑形成，基坑内土方向下分块、分层开挖至基底，铺设混凝土垫层。

STEP4：待承台达到设计强度后，进行回填，最后拆除支撑，施工上部桥墩结构。

（b）地下水位埋深：0.50 m。

（c）地面超载：20.0 kPa。

3.3.2 计算结果

挖至基底时，江北基坑（围护桩）最大位移为34 mm，出现在基坑底附近；河堤竖直位移沉降，水平位移向坑内方向，其最大水平位移在7.2 mm，最大沉降在6.3 mm。

4 基坑施工

4.1 基坑围护施工

（a）三轴水泥土搅拌桩施工时相邻搭接一孔，采用一喷一搅的施工工艺。三轴搅拌桩按跳槽式连接顺序施工，转角处按单排咬合式连接施工，以保证墙体的连续性和接头的施工质量。

（b）水泥浆配合比采用P42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量为20%，（即每立方米被搅拌土体中水泥掺入量不应小于360 kg），并掺入10 kg/m3膨润土，水灰比1.5。搅拌桩28 d无侧限抗压强度标准值不宜小于0.8 MPa。

（c）严格控制注浆量和提升速度，防止出现夹心层或断浆情况。桩机预搅下沉应根据原土情况，保证充分破坏原状土的结构，使之利于同水泥浆均匀拌和，故钻头预搅下沉（提升）速度控制在0.5 m/min，钻头每转1 圈的提升（或下沉）量控制在10～15 mm。

（d）型钢的插入宜在搅拌桩施工结束后30 min内进行，插入前必须检查其直线度、接头焊缝质量并确保满足设计要求。

（e）浇筑圈梁前，在H型钢外露部分固定泡沫塑料以隔离混凝土，高出圈梁顶50 cm，用U形粗铁丝卡固定。

（f）支撑采用Φ609 mm×16 mm钢管支撑，中心标高为+4.300 m。钢管支撑连接采用螺丝对接。钢管主撑施加350 kN预应力，采用 1 台1 000 kN液压千斤顶施顶（图4）。

图4 支撑及牛腿

表2 辰塔大桥基坑报警指标

4.2 基坑开挖和垫层浇筑

（a）为控制基坑变形，基坑土方开挖采取上下分层、纵向分块、左右对称的顺序进行。上下分2 层开挖，分层厚度3 m左右；挖机布置于基坑长边侧，沿水平撑方向进行分块开挖。

（b）机械挖土至桩边30 cm时，采用人工将靠近围护体的土体清理出来；严禁让挖土机械任意碰撞钢板桩，以保证围护的稳定性。挖土时不得超挖，坑底必须留厚200～300 mm基土用人工铲除修平。

（c）基坑开挖完成，对基底整平处理后，在24 h内铺筑碎石垫层，并浇筑混凝土垫层。

（d）为加快基坑开挖速度，减少基坑暴露时间，本次开挖采用2 台长臂挖机进行，基坑开挖时间控制在7 d以内。

5 基坑监测

为确保主桥墩稳定安全性及临近防汛墙的安全稳定，控制施工对周围环境的影响并提供判断数据，需对基坑进行监测。

5.1 监测内容

临江侧防汛墙垂直位移、水平位移监测；围护顶部垂直位移、水平位移监测；围护结构侧向位移监测；坑外土体侧向位移监测；坑外潜水水位观测；支撑轴力监测。

5.2 基坑报警指标

监测报警指标一般以总变化量和变化速率2 个量控制，累计变化量的报警指标一般不宜超过设计限值。根据设计要求和环境特点，本工程报警指标见表2。

5.3 监测结果

基坑监测工作从2013年4月围护施工开始，到2013年9月主桥墩施工完成，监测数据基本趋于收敛为止，围护结构经受了基坑开挖、承台施工等工况的考验，表明围护结构工程的设计、施工、监测方案是相当成功的。

防汛墙最大累计垂直位移为－6.2 mm；围护顶部在垂直方向最大位移为－8.5 mm，在水平方向最大位移为+9.0 mm；围护结构侧向位移最大为18.2 mm（图5）。

在整个基坑施工过程中，围护结构总体变形不大，围护结构的变形无突变现象发生，表明地下围护结构始终处于安全可控的范围，基坑运行正常。

图5 围护结构侧向位移变化曲线

6 结语

本工程主桥墩基坑围护设计和施工，通过选择合适的基坑围护方案并在坑内进行土体加固，确保基坑变形和防汛墙处于可控范围内；通过在临江侧设置止水帷幕保证了坑内止水效果；通过水平支撑节点构造设计解决了支撑高于地面的现实问题；通过合理的施工顺序安排和有效的施工监测保证了施工工期及基坑变形控制。从实际效果来看，以上措施是可行的，它确保了辰塔大桥主桥墩基坑的施工质量和安全，在类似工程中值得借鉴。