大型钢管桩围堰设计实例研究

顾军生

（中铁十一局集团第一工程有限公司，湖北 襄阳 441000）

0 引言

钢管桩围堰在国内应用起步较早，在大型桥梁承台水深、坡陡、近岸、深埋的特定施工条件下,采用锁口钢管桩围堰作为深水、大面积、深基坑的支护结构是比较经济可靠的[1-3]。本文以广州南沙港铁路西江特大桥跨西江水道斜拉桥157#墩主墩的施工为例，研究大型钢管桩围堰的设计，并结合理论和有限元计算对设计进行验算，判断基坑开挖过程中围堰结构的稳定性。

1 工程概况与水文地质条件

1.1 工程概况

新建广州南沙港铁路西江特大桥跨西江水道斜拉桥（见图1）位于西江与古镇水道的分流口处。西江为I级航道，通航净高22m，通航净宽350m，通航3000t级海轮，目前桥址处西江水面宽约840m。

图1 主桥总体布置图（单位：m）

主桥采用（2×57.5+172.5+600+4×57.5）m混合梁斜拉桥，主跨600m，长1118.7m。主桥位于双向3‰的纵坡上，变坡点位于主跨跨中处，竖曲线半径为10000m，平面位于直线上。小里程钢-混分界点位于172.5m边跨距离辅助墩10.5m处，大里程钢-混分界点位于600m主跨距离P157#桥塔26m处。两处钢-混结合段之间采用钢箱梁，两侧边跨采用混凝土箱梁。

主塔157#墩为低桩承台，采用钢管桩围堰，承台尺寸为44.7m×36.8m×6m，承台底标高-7.561m。围堰平面尺寸47.73m×39.96m，钢管桩长25m，基坑深度13.361m，为减少钢管桩深度，且满足基底抗隆起计算要求，承台底以下设计5m粉喷桩处理区域。

1.2 水文地质条件

西江桥址位置最高通航水位+6.530m，最低通航水位0.290m，百年一遇设计水位为6.77m，百年一遇设计流速为1.6m/s。水流方向与线路中心线方向夹角为85°，局部冲刷深度为水面以下11.937～25.492m；通过对江门（潮连）站近10年各月最高水位和最低水位调查得知西江每年水位最高的月份为6～8月，10年内最高与最低水位分别是：最高水位标高+5.264m，最低水位标高0.064m。

157#墩所处位置覆盖层上部主要为素填土、粉砂、淤泥和淤泥质粘土，覆盖层中部为强风化泥质砂岩及细砂岩，覆盖层下部为弱风化泥质砂岩及细砂岩。

2 钢管桩围堰设计与验算

2.1 施工临时围堰方案优选

根据157#墩处地质情况和项目工期的要求，结合施工单位近几年相似桥梁深基坑围堰的施工经验以及佛山市西江水道附近桥梁深水围堰施工案例，初步确定三种围堰结构形式：拉森钢板桩围堰、钢管桩围堰、双壁钢围堰。对三种围堰结构形式进行初步设计计算，钢板桩围堰受力不能满足使用要求，项目就钢管桩围堰和双壁钢围堰（详见表1）在使用性、经济性等方面进行分析比选。

表1 围堰方案对比分析表

根据围堰方案的对比分析，最终选择钢管桩围堰作为最终围堰形式。

2.2 钢管桩围堰适用性与优点

（1）钢管桩围堰适用性：1）基坑开挖深度比较深或水头差较大，基坑以下土质较差情况或者钢板桩围堰自身刚度不能满足使用要求的情况可采用钢管桩围堰；2）地层为砂性土、黏性土、砾石土等小颗粒土体，地层中不含有大块碎石、孤石并且土体颗粒差异性较小的土层可采用钢管桩围堰。

（2）钢管桩围堰优点：1）深基坑围堰中与其他围堰相比用钢量相对较小；2）加工简单周期短，施工机械化速度快，效率高；3）钢材回收率高。

2.3 钢管桩围堰设计方案

157#墩钢管桩围堰采用锁口钢管桩，其中主管采用Ф820mm×10mm螺旋钢管，锁口桩间距1.11m，钢管桩长25m，锁口长度20m，平面尺寸47.73m×39.96m（见图2）。钢管桩锁口采用C-T型，C型锁口采用Ф180mm×8mm钢管，开槽宽度28mm，T型锁口采用I20a工字钢。钢管桩围堰顶高程设置为5.5m，钢管桩底高程设置为-19.5m。

图2 钢管桩围堰平面布置图（单位：mm）

围堰设三层圈梁，在+3.5m高程处设置第一层圈梁，圈梁采用2I56b，倒角撑以及内支撑主钢管为Ф820mm×10mm，平联与斜撑分别是Ф630mm×10mm与Ф426mm×10mm圆钢管；在-0.45m高程处设置第二层圈梁，圈梁采用2HN850×300，圈梁与锁口钢管桩焊成整体，圈梁内支撑以及倒角撑均采用Ф1000mm×14mm钢管，平联与斜撑分别是Ф820mm×10mm与Ф630mm×10mm圆钢管；在-3.95m高程处设置第三层圈梁，圈梁采用2HN1000×300，圈梁与锁口钢管桩焊成整体。圈梁内支撑以及倒角撑均采用Ф1000mm×14mm钢管，平联与斜撑分别是Ф820mm×10mm与Ф630mm×10mm圆钢管，锁口钢管桩围檩及内支撑材料均为Q345b。

设计方案中钢管桩围堰的施工步骤：钻孔桩施工完成→场地清理→安装导向架→插打钢管桩→粉喷桩施工→干挖至第一道围檩以下0.5m→安装第一道围檩及支撑→干挖至第二道围檩以下0.5m→安装第二道围檩及支撑→干挖至第三道围檩以下0.5m→安装第三道围檩及支撑→干挖至垫层底→基坑清理及封底→施工首层承台→拆除第三道支撑→施工第二层承台→拆除第二道支撑→塔座以及3m实心段塔身施工→基坑回填至第一道围檩以下0.5m→拆除第一道围檩及支撑→回填至原地面→拔出钢管桩[4]。

2.4 钢管桩围堰参数与工况设计

2.4.1 参数设计

钢管桩围堰具体参数设计可见表2。

表2 钢管桩围堰参数设计表（单位：m）

2.4.2 工况设计

按照施工工序，本设计主要考虑以下不利荷载工况：

工况1：围堰内开挖至第一层支撑以下0.5m处，准备安装内支撑时的最不利工况；

工况2：第一层内支撑安装完毕后，围堰内开挖至第二层内支撑以下0.5m处还未安装第二层内支撑时；

工况3：第二层内支撑安装完成后，围堰内开挖至第三层支撑标高以下0.5m处时；

工况4：第三层内支撑安装完成后，围堰内开挖至设计底标高。

各工况考虑两种荷载组合形式，即标准组合和基本组合。

荷载组合形式如下：

以上组合中，标准组合计算结果用来评价刚度指标，基本组合计算结果用来评价结构强度指标。

2.5 钢管桩围堰设计验算

2.5.1 抗隆起稳定性验算

抗隆起稳定性计算简图见图3。

图3 抗隆起稳定性计算简图

最不利工况（工况4）抗隆起稳定性评价系数：

式中：

D——入土深度；

H——开挖深度；

γ1——墙体外侧土体重度；

γ2——基坑底土体重度；

N、c Nq——地基承载力系数；

q1——墙体外侧超重；

q2——墙体内侧超重。

通过计算可知，围堰抗隆起计算稳定性系数2.25＞1.4,满足设计规范要求[5]。

2.5.2 踢脚稳定性验算

嵌固稳定性评价系数：

式中：

Epk——基坑内侧被动土压力合力作用；

Eak——基坑外侧主动土压力合力作用；

ap2——基坑内侧被动土压力合力作用点至支点的距离；

aa2——基坑外侧主动土压力合力作用点至支点的距离。

经计算可知，踢脚稳定性2.53＞1.15,满足基坑三级稳定性要求。

2.5.3 圆弧滑动稳定性验算

根据《建筑基坑技术规程》相关规定，选择工况4进行圆弧滑动稳定性计算，计算简图见图4。

图4 圆弧滑动稳定性计算简图

计算结果表明，工况4的锁扣钢管桩围堰圆弧滑动稳定性，满足基坑三级安全等级要求。

2.5.4 各工况有限元验算

各工况下钢管桩围堰结构的有限元计算结果见表3。

表3 钢管桩围堰有限元计算表

由计算结果可知，钢管桩围堰有限元模拟计算结果满足设计规范要求[6]。

2.5.5 结果校核

从表3可知工况4的情况，校核如下：

（1）钢管桩：σvon=194＜f=205（MPa）；

（2）围檩：σvon=242＜f=300（MPa）；

（3）内支撑：σvon=258＜f=300（MPa）。

由计算结果可知，锁扣钢管桩围堰计算结果满足设计规范要求。

3 结束语

钢管桩围堰能够很好地满足深基坑施工的要求，设计过程中需要注意：（1）土压力计算过程中需要注意土层的参数选取，内摩擦角、粘聚力等参数对设计计算影响很大，取值应该根据地质勘察报告或相应的土工试验确定。（2）对于淤泥质深基坑中水压力计算，水压力应该从水面标高至桩底标高范围全部进行计算。（3）确定钢管桩入土深度的计算时，应当根据施工节段验算入土深度。进行钢管桩围堰设计时，只有准确地开展设计才能保证施工的安全以及施工的总体质量和经济效益。