某深水基坑開挖支護(hù)方案研究

朱培男

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四0五隊(duì)，遼寧鞍山 114000)

1 工程概況

該大橋跨三岔河段采用45 m+70 m+70 m+45 m懸澆梁跨越設(shè)計(jì)，兩孔下水面寬度為65 m。三岔河枯水期河寬230 m，最深處水深6 m，橋梁沿既有溝海線走行，采用圓端形橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)，其中480號(hào)墩均在水中，局部沖刷線與各項(xiàng)安全主通航指標(biāo)要求。480號(hào)主墩需由河面高程垂直下挖17 m～19 m深，屬于超深基坑開挖，墩臺(tái)參數(shù)如表1所示。

表1 墩臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù) m

2 橋梁深水基礎(chǔ)類型特點(diǎn)及方案比選

2.1 比選原則

1)根據(jù)鉆孔地質(zhì)資料，判定符合施工的支護(hù)體系;

2)支護(hù)方案要具備足夠剛度、強(qiáng)度，確保開挖施工安全;

3)支護(hù)體系能有效解決滲漏水及地下涌泥、涌砂等情況;

4)支護(hù)方案必須考慮汛期及各項(xiàng)防護(hù)要求;

5)支護(hù)方案力求經(jīng)濟(jì)、簡單、易行。

2.2 鋼板樁方案

三岔河大橋水中以480號(hào)墩為研究對(duì)象，筑島頂面標(biāo)高+3.6 m，河床標(biāo)高?。?.0 m(根據(jù)設(shè)計(jì)圖估取)。承臺(tái)分三級(jí)，第一級(jí)承臺(tái)厚3 m，臺(tái)頂標(biāo)高－6.588 m，第二級(jí)承臺(tái)厚3 m，第三級(jí)承臺(tái)厚0.5 m。臺(tái)底標(biāo)高－12.588 m。擬采用鋼板樁圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工，鋼板樁采用拉森IV型，長24 m，圍堰平面尺寸為21.6 m×17.6 m，共設(shè)置五道內(nèi)支撐。圍堰樁頂標(biāo)高為+2.442 m，第一道內(nèi)支撐標(biāo)高為+1.942 m，第二道內(nèi)支撐標(biāo)高為 －1.058 m，第三道內(nèi)支撐標(biāo)高為－3.558 m，第四道內(nèi)支撐標(biāo)高為－6.058 m，第五道內(nèi)支撐標(biāo)高為－9.058 m，封底混凝土厚度為2.5 m，基坑底高程為－15.058 m(即封底底面標(biāo)高)。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.3 鋼圍堰方案

1)鋼圍堰制作周期長，所占場地多，不易管理。

2)鋼圍堰下沉必須采用駁船等大型水上運(yùn)輸工具，或采用鋼平臺(tái)，配合投資大，射水下沉周期長。

3)鋼圍堰設(shè)計(jì)為一次性投入，需水下潛水員施工割接，投入材料殘值收益低，且危險(xiǎn)性高。

圖1 圍堰立面圖

2.4 鋼板樁與鋼管樁結(jié)合方案

2.4.1 方案概況

三岔河大橋水中以480號(hào)墩為研究對(duì)象，筑島頂面標(biāo)高+3.6 m，河床標(biāo)高?。?.4 m(按筑島填土厚度4 m的底面而定)，承臺(tái)底面標(biāo)高 －12.558 m。

采用鋼管樁結(jié)合拉森鋼板樁圍堰進(jìn)行承臺(tái)施工，鋼管樁φ630 mm×10 mm×24 000 mm、拉森鋼板樁575 mm×10 mm×12 000 mm(豎向2根焊接接長到24 000 mm)，圍堰平面尺寸為21.6 m×17.6 m，共設(shè)置5道內(nèi)支撐，承臺(tái)底面以下2 m為C30封底混凝土。

原鋼板樁方案:圍堰樁頂標(biāo)高為+3.6 m，第一道內(nèi)支撐位于樁頂以下2 m，標(biāo)高為+1.6 m，以下各道支撐按等間距3 m逐道支撐，第五道支撐到封底混凝土頂面距離為2.5 m(此值無法設(shè)置承臺(tái)模板)。需注意的是:考慮到土體壓力從地表向下呈三角形分布遞增，建議從樁頂向下由稀到密布置內(nèi)支撐進(jìn)行支撐。例如，第一道位于樁頂以下2 m，以下各道內(nèi)支撐間距3 m+3 m+2.5 m+2.5 m逐道支撐，第五道支撐到封底混凝土頂距離為3.5 m。經(jīng)驗(yàn)算，第五道支撐不穩(wěn)定。鋼板樁結(jié)合鋼管樁方案:圍堰樁頂標(biāo)高為+3.6 m，第一道內(nèi)支撐位于樁頂以下2 m，標(biāo)高為+1.6 m，以下逐道間距(3+3+2.5+2.5)m逐道支撐，第五道支撐到封底混凝土頂距離為3.5 m(此值保證承臺(tái)模板的支立)，如圖2所示。

圖2 圍堰立面圖

2.4.2 鋼管樁強(qiáng)度驗(yàn)算

驗(yàn)算時(shí)的荷載最不利位置均位于第五道支撐到封底混凝土底面段3.5 m+2 m=5.5 m范圍。該段為開挖最深段，土壓力最大;該段跨度最大(5.5 m)。

具體分析如下:

1)開挖到樁頂以下約2.5 m深處，設(shè)置第一道支撐。設(shè)置第一道支撐前，管樁在外側(cè)土壓力下樁頂向內(nèi)側(cè)傾移，這一傾移使得管樁外側(cè)土壓力由靜土壓力(開挖前)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力(開挖后)。

此時(shí)，樁外側(cè)為主動(dòng)土壓力，內(nèi)側(cè)為部分被動(dòng)土壓力及靜土壓力(之所以稱之為部分被動(dòng)土壓力，是因?yàn)闃俄斚騼?nèi)側(cè)傾移或有傾移趨勢(shì)，但這一被動(dòng)土壓力遠(yuǎn)未達(dá)到臨界狀態(tài)的被動(dòng)土壓力—朗金理論中的被動(dòng)土壓力—土體被壓臨界破壞時(shí)的土壓力)。

2)封底混凝土底部以上共18.5 m，設(shè)置第一道支撐后，向下逐段(或逐層)開挖的過程中，鋼管樁不會(huì)再向內(nèi)側(cè)傾移。原因是:各道橫向內(nèi)支撐約束了管樁向內(nèi)側(cè)傾移。

3)鋼管樁實(shí)際會(huì)產(chǎn)生微小的向內(nèi)側(cè)傾移量，這一微小傾移量為內(nèi)支撐的彈性壓縮量，這一微小傾移量使得管樁外側(cè)土壓力由靜土壓力變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力。

4)封底混凝土層以下5.5 m范圍內(nèi)土層受力相對(duì)較復(fù)雜:開挖頂層土?xí)r，樁端部外側(cè)一定范圍內(nèi)為部分被動(dòng)土壓力;開挖到一定深度后，隨著各道內(nèi)支撐的設(shè)置及向下開挖卸載，其外側(cè)的部分被動(dòng)土壓力逐漸減小，直到最后成為主動(dòng)土壓力;而管樁內(nèi)側(cè)土則反之，開始在樁端部內(nèi)側(cè)一定范圍內(nèi)為主動(dòng)土壓力，開挖到一定深度后，隨著各道內(nèi)支撐的設(shè)置及向下開挖卸載，其內(nèi)側(cè)的主動(dòng)土壓力逐漸增大，直到最后成為被動(dòng)土壓力。

5)不考慮臨界狀態(tài)管樁的最小入土深度。理由是:設(shè)置的各道支撐限制了管樁的傾移，不會(huì)產(chǎn)生朗金被動(dòng)土壓力理論中或板樁計(jì)算理論中的臨界狀態(tài)。

6)基于以上各條分析，針對(duì)改進(jìn)方案，對(duì)長24 m的鋼管樁結(jié)合拉森板樁圍堰進(jìn)行受力驗(yàn)算。

經(jīng)上面各條分析，鋼管樁受力模型如圖3所示。

取單位寬度1 m為計(jì)算對(duì)象，則 p1=43.92 kN/m;p2=130.7 kN/m。

取最不利荷載AB段為驗(yàn)算對(duì)象:

計(jì)算假定:五道內(nèi)支撐視為剛性;各支撐間的鋼管樁段由連續(xù)梁簡化為簡支梁。因此，計(jì)算跨度LAB=5.5 m。

以一根鋼管樁結(jié)合一片拉森板樁為一個(gè)組合單元進(jìn)行計(jì)算，寬度為630+575=1.205 m。

于是，q=1.205 ×(130.7 －30)=121.5 kN/m(減30 kN/m 是由于帶水開挖)。

由計(jì)算資料知1 m寬度內(nèi)拉森板根數(shù)為100 cm÷57.5 cm=1.74 根。

所以，W拉森板=1 346 ÷1.74=773.6。

結(jié)論:從整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果得知，鋼管樁結(jié)合拉森鋼板樁強(qiáng)度滿足要求。

圖3 受力模型

3 主要結(jié)論

1)經(jīng)過對(duì)鋼圍堰、鋼板樁圍堰進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，并對(duì)鋼板樁圍堰內(nèi)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算表明均不符合工程穩(wěn)定要求，結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)出了鋼板樁與鋼管樁結(jié)合的圍堰方案。

2)通過對(duì)鋼板樁與鋼管樁結(jié)合的圍堰方案內(nèi)支撐及整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算表明第一道至第四道內(nèi)支撐符合工程穩(wěn)定性要求，由于第五道內(nèi)支撐承受土壓力巨大，選擇用2根φ630 mm內(nèi)支撐才能滿足工程穩(wěn)定性要求。