超长钢板桩设计及应用

梁生武， 马少军, 姜 枫

(1.中国铁路总公司工程管理中心, 北京 100038; 2. 中铁六局集团太原铁建公司, 山西太原 030013; 3. 中铁建工集团有限公司西南分公司, 贵州贵阳 550002)

钢板桩作为一种常见的基坑支护形式，具用施工速度快、相对施工费用低、具有很好的防水功能，且可多次周转使用的特点，在工程建设领域被广泛运用于建桥围堰、大型管道铺设、临时沟渠开挖时作挡土、挡水、挡沙墙。在水位不深的基础施工中，水深、流速、潮汐等环境荷载可能是控制钢板桩设计的关键因素。钢板桩的设计难点在于不同的地质条件和环境条件下，设计没有统一规范可以遵循，钢板桩围堰的不同工况下的受力分析关系到围堰的经济性和安全性。

1 工程简介

新建南沙港铁路通过广珠铁路向北连接京广铁路，辐射中南地区，向西沟通贵广高铁、南广高铁、柳肇铁路等铁路线路，辐射西南地区，向东衔接广深铁路(广九铁路)等。铁路自既有广珠铁路线上新建鹤山南站接轨引出，途经江门市鹤山、蓬江，佛山市顺德均安，中山市小榄、东凤、南头、黄圃，广州市万顷沙站至南沙港站，向南延伸至南沙港区南部车场。

洪奇沥水道特大桥全长13.54 km，于DK48+065处跨越黄圃水道，水道与线路夹角76°。该处设置60+100+60 m连续梁一座， 74#、75#主墩位于河道内。黄圃水道为Ⅵ级航道，河道20年水位为3.41 m。日均潮差2 m。本桥承台信息见表1。

表1 承台信息 m

地质层主要为淤泥层，其厚度达35 m。地基承载力为50 kPa，淤泥含水量大，主要为流塑性，水力联系通畅，略具承压性,水量较丰富(图1)。

图1 地质柱状

2 钢板桩设计原则及方案

本桥主墩基础位于河道内，基础埋入河床以下，同时本桥所在河道每日受潮汐影响，因此必须考虑不同工况条件下的钢板桩围堰稳定性、管涌、突涌、抗浮及构件的强度、刚度、稳定性验算。同时需要分别考虑围堰开挖至围堰底时的状况；支撑式围堰结构，围堰开挖至各层支撑施工面时的状况；在主体结构施工过程中分析拆、撑工况；水平内支撑式围堰结构，围堰各边水平荷载不对称的各种工况下计算。

2.1 方案的确定

根据设计文件，结合现场水文地质情况，综合考虑工期及经济等因素，本桥承台基础施工时采用VI型拉森钢板桩进行基坑支护。钢板桩顶部高出20年一遇水位标高0.5 m以上，设计钢板桩顶标高为3.91 m，本文以74#承台围堰的设计为例。

承台底标高-8.576 m，封底混凝土厚度2 m，则74#墩承台底至钢板顶高度为13.986 m。围堰设置4道内斜撑，标高分别为3.224 m、-0.276 m、-3.776 m及-5.776 m；围堰长度16.20 m，宽度15.20 m。围檩有两种形式，首道围堰为2I32b工字钢，其他为H型HN588×300×11×18窄翼型钢。钢板桩结构内撑平面设计见图2。

施工流程为：(1)钻孔桩施工结束后拆除钻孔平台、保留支栈桥，并安装钢板桩插打导向；(2)钢板桩在支栈桥进行插打，完成全部钢板桩的插打；(3)钢板桩围堰合拢后，进行第一道内支撑安装、焊接施工；(4)抽水至第二道支撑下约0.5 m，安装第二道支撑；(5)水下吸泥至封底混凝土顶面位置；(6)水下C30混凝土封底；(7)抽水至第三道内支撑下约0.5 m，安装第三道支撑。抽水至最后第四道支撑下约0.5 m，安装第四道支撑；(8)抽水至封底混凝土；(9)第一次施工承台2 m；(10)承台与钢板桩间回填沙1.5 m，施工临时圈梁0.5 m;(11)拆除最下面一道钢支撑；(12)第二次施工承台2 m。

图2 钢板桩结构内撑平面设计

2.2 设计参数取值

钢板桩承受荷载主要为土压力及水压力，可不考虑风力、船舶和漂浮物撞击力及温度等作用的影响。根据项目情况，分别确定土层、墩位标高参数、钢板桩截面参数及内支撑结构参数情况取值见表2～5。

表2 计算土层参数表

表3 墩位参数

表4 钢板桩截面参数

采用容许应力法，各种材料的容许应力取值可参照TB 10002.4-2005《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》进行取值。

表5 内支撑截面参数

2.3 荷载计算

(1)土压力

围堰外侧的土压采用主动土压力，围堰内侧的土压采用被动土压力。根据本桥地质，对于淤泥，采用朗肯水土合算土压计算公式。

围堰外侧主动土压：

围堰内侧被动土压：

(2)静止水压力(作用于围堰的四周的静水压力)可按下列公式计算：

μa=γwhwa

γw取10 kN/m3；计算可得出μa=γwhwa=10×7.82=78.2kPa

(3)流水压力计算(作用于钢围堰迎水面的流水压力)按照如下公式计算。

主动、被动土压系数计算方法可得出各项系数取值(表6)。

表6 系数取值

2.4 计算工况

由于最不利工况为围堰内抽水至封底混凝土顶面，此时内外的水压差最大，仅对此工况条件下围堰进行计算。

3 钢板桩围堰计算

将整个结构分解为围堰结构、内支撑结构分别进行分析。围堰结构采用平面杆系结构弹性支点法进行分析；内支撑结构按平面结构进行分析，挡士结构传至内支撑的荷载取围堰结构分析时得出的支点力。对围堰结构和内支撑结构分别进行分析时，考虑其相互之间的变形协调。多撑钢板桩嵌固深度按照下式计算(图3)。

γ(Kp-Ka)t2=Ka(γH+q)(t+l)

河床面水压力q=10 kN/m3×(3.41-(-4.41))=78.2 kN/m2。计算参数及结果见表7，钢板桩长度28.9 m。

图3 嵌固深度计算图示

表7 嵌固深度计算参数及结果 m

4 封底混凝土抗浮计算

封底混凝土需要满足抗浮稳定性要求，抗浮安全系数≥1.15。按照抗浮安全系数和设计封底混凝土厚度2 m，抗浮计算公式为:

P=γwhwAn

Gc=γcVc

F1=τ1S1

计算参数见表8。

表8 混凝土抗浮计算参数

(1)承台封底混凝土抗浮计算

对承台封底混凝土抗浮计算进行计算，计算结果见表9。

表9 封底混凝土抗浮计算结果

(2)混凝土厚度验算

围堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水头差引起的向上的管涌力，封底混凝土标号为C30，其容重γ=24 kN/m3，封底混凝土厚度保证不小于计算厚度。封底混凝土厚度需同时满足下两式要求:

η为考虑桩基钢护筒约束作用的折减系数，依经验取0. 7；K为安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.65。

计算得出hc=1.7722m<2.0m，封底混凝土厚度满足要求。

5 稳定性计算

5.1 整体稳定性计算

采用瑞典条分法计算，应力状态按总应力法，土条宽度取1.00 m。钢板桩长28.9 m计算，围堰底至钢板桩底端长度为16.7 m。计算得整体稳定安全系数Ks=1.503>1.35，满足要求。

5.2 抗倾覆稳定性计算

抗倾覆安全系数:

Mp为被动土压力、支点力及附加水平力对桩底的抗倾覆弯矩；Ma为主动土压力和附加水平力对桩底的倾覆弯矩。

在施工封底混凝土之前(即施工完第二道支撑之前)，需要验算抗倾覆稳定性。根据不同工况计算(内撑一材料抗力取500 kN/m)，结果见表10。

表10 抗倾覆稳定性计算结果

5.3 流土稳定性计算

其中:Kf为流土稳定性安全系数；安全等级按一级的基坑支护，流土稳定性安全系数不应小于1.6；计算得出K=3.186≥1.6, 满足规范要求。

5.4 抗隆起稳定性计算

抗隆起稳定性计算包括地基承载力验算及圆弧滑动面验算。圆弧滑动面验算是在围堰内抽水进行清底及封底混凝土施工时需对按圆弧滑动模式验算绕最下道内支撑(或锚拉)点的抗隆起稳定性验算，本工程施工工艺中是在未全部抽水情况下水下清底及施工封底混凝土，因此不需要进行圆弧滑动面验算。地基承载力验算简图见图4，为：

图4 地基承载力验算简图

Nq=eπtanφktan2(45°+φk/2)

Nc=(Nq-1)/tanφk

式中：Kt为抗隆起稳定性安全系数，按一级安全等级围堰取2.5；封底混凝土容重24 kN/m3，摩擦角45度，粘聚力500 kPa；淤泥容重17 kN/m3，摩擦角5度，粘聚力7 kPa。钢板桩入土深度t=16.7 m。计算得出Kt>2.5，满足抗隆起稳定性要求。

6 钢围堰受力分析

6.1 计算模型

钢板桩长度按照28.9 m，围堰底至钢板桩底端长度为16.7 m。将流水压力换算成集中荷载，施加至钢板桩上。静水压力及土压力在模型中输入参数后自动计算添加。

6.2 单元计算结果

计算结果主要包括钢板桩、围檩及内撑。采用理正深基坑软件单元建模方案进行计算。计算得出钢板桩最大变形35.4 mm，内撑轴力值见表11。

表11 内撑轴力值 kN

钢板桩最大应力243MPa<310MPa(图5)。

图5

6.3 整体模型计算结果

整体模型计算整体变形、钢板桩内力、围檩内力及内撑内力进行计算得出钢板桩围堰整体最大变形2.844 mm；最大变形为第一道斜撑L1(图6)；钢板桩最大水平弯矩648.3 kN·m(图7)；承台钢围檩最大弯矩2.139 kN·m(图8)；钢斜撑最大弯矩14.2 kN·m，最大轴力371.4 kN(图9～图10)。

7 计算结果分析

整体模型由于是整体协同作用计算，计算结构内力比单元计算结果偏小。在结构受力计算时，采用单元计算结果最大值。

(1)钢围堰结构整体变形最大值2.845 mm，满足要求。

(2)钢板桩最大弯矩674 kN·m，钢板桩截面模量2 555cm3/m，最大应力264MPa<310MPa。

图6 钢围堰变形

图7 钢围堰水平弯矩

图8 墩围檩弯矩

图9 斜撑弯矩

图10 斜撑轴力

(3)内撑最大轴力592kN<2 119kN(内撑最小承载力设计值)，内撑稳定性计算折减系数取0.3时，0.3×2 119 kN=635 kN>592 kN，满足要求。

8 结论

本文通过在项目中采用超长钢板桩设计进行基坑支护，并在实际应用中取得了很好的项目效益和经济效益，为今后同类项目中超长钢板桩的使用积累了经验 。并通过本项目可看出在对不良地质的不同钢板桩设计时，需要根据项目地质、水文情况和不同工况进行设计，特别需要结合工程施工顺序进行分析计算，对不同阶段的工况进行验算，当有潮汐影响时，要适当考虑水流对围堰稳定性的影响，同时在施工中要加强对围堰变形的观测，以确保施工安全。