鋼板樁圍堰在水下深基坑中的應用
2015-04-29 00:00:00陳友存
【摘 要】鋼板樁圍堰以其施工方便，安全防護效果好，效率高以及可重復利用等特點，在基坑圍護施工中得到了廣泛的應用。以鄭開城際鐵路鄭州特大橋跨賈魯河現(xiàn)澆梁313#墩基礎為模型，介紹鋼板樁圍堰在水下深基坑中的應用
【關鍵詞】鋼板樁圍堰；水下施工；計算
鄭開城際鐵路工程鄭州特大橋跨賈魯河為（48+32+3×48+32+48）m預應力混凝土簡支箱梁，其中310#～315#墩位于賈魯河河灘上，309#和316#墩位于賈魯河河堤外側(cè)，312#、313#為主墩。主墩承臺平面尺寸為9m×9m，高度為2.5m，其上為5.4m×5.4m，厚度為1m的加臺。313#承臺基礎埋深10.68米，河床下7米?；铀幈韺訛楹勇┥祥_辟的農(nóng)田雜填土，下層為粉質(zhì)砂土和細砂。
1.鋼板樁圍堰的設計
1.1地址及水溫資料
（1）313#基坑土層參數(shù)取值如下表1所示：
表1 313#基坑土層參數(shù)取值（河床底往下）
（2）根據(jù)水利部門的資料顯示，H1%=84.3m。施工時的水位高程為79.93m。鋼板樁施工前先對河灘進行了筑島，頂高程為81.43m。鋼板樁施工選擇在賈魯河水位最低的冬季進行。最高水位80.0m?？紤]安全系數(shù)，鋼板樁的頂高程取81.43m，與筑島高程相同。
1.2鋼板樁、圍囹支撐的規(guī)格、型號
（1）鋼板樁的規(guī)格、型號參數(shù)如下表2所示：
表2 拉森IV 鋼板樁的規(guī)格、型號參數(shù)
（2）313#墩圍堰內(nèi)側(cè)四周圈及大斜撐采用H型鋼HK550b，分上、中、下三層以圍檁形式支護；中間小斜撐HK400b型鋼斜撐，對撐采用600mm直徑，壁厚10mm鋼管制作。
1.3鋼板樁的布置形式
鋼板樁支護的結構尺寸為12m×12m?；娱_挖深度為10.22m。鋼板樁入土深度為14m。鋼板樁內(nèi)部加強支撐共設置3到。布置形式如圖1所示：
圖1 鋼板樁布置圖
1.4鋼板樁計算
（1）作用在鋼板樁上的土壓力強度。
k=tg（45°-）=0.49，k=tg（45°+）=2.04
（2）計算樁頂部懸臂部分的最大允許跨度。
h===3.03m
其中：[f]=200MPa——板樁的抗彎強度設計值，γ=18kN/m3——板樁墻后的土的容度，Ka=0.49——主動土壓力系數(shù)。
（3）利用等值梁計算鋼板樁。
等值梁模型如下：
結論：鋼板樁的最大應力σmax=96MPa<[σ]=200MPa，滿足強度要求。
剛度f=12.4/（5040）=1/406<[f]=1/400剛度稍顯大。
（4）入土深度計算：
計算鋼板樁入土深度：
x===3.81m
式中：Po=121kN——壓力零點處剪力，γ=18kN/m3——土體容重，K=1.6被動土壓力修正系數(shù)Kp=2.04——被動土壓力系數(shù)，Ka=0.49——主動土壓力系數(shù)。
（5）樁長計算：
t0=x+y=3.81+1.923=5.733m，t=1.2*t0=1.2*5.7=6.9m，取鋼板樁長度為：
10.22+6.9=17.1m，取18m樁長。
（6）鋼板樁穩(wěn)定性檢算。
1）抗傾覆穩(wěn)定性分析。
抗傾覆穩(wěn)定性又稱踢腳穩(wěn)定性，是驗算最下道支撐以下的主動、被動土壓力繞支撐點的轉(zhuǎn)動力矩是否平衡，按下式計算：
K=，式中：K——抗傾覆安全系數(shù)，根據(jù)基坑重要性取值； M——抗傾覆力矩，取開挖面以下鋼板樁內(nèi)側(cè)人土深度范圍內(nèi)的土壓力，對最下一道支撐點的力矩；M——傾覆力矩，取最下一道支撐 點以下鋼板樁外側(cè)人土壓力支撐點的力矩。
取18米鋼板樁時，最下一道支撐受力情況如下（不考慮被動土壓力修正系數(shù)）。
KQ=（1111.1*8.207）/（1307.9*6.107）=1.14；雖滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求，但稍偏小。可以通過必要的加強支撐，以提高抗傾覆穩(wěn)定性。
（7）基坑底部隆起驗算。
基底抗隆起穩(wěn)定性分析可采用以下公式求抗隆起安全系數(shù)：
式中，γ1，γ2——坑內(nèi)、外土層的容重加權平均值，取18kN/m2；
c——樁底處地基土粘聚力，為0；q——坑外地面荷載，取10kN/m2；H——基坑開挖深度，10.22m；t——鋼板樁入土深度，取7.78；Nq、Nc ——地基承載力系數(shù)；Φ——樁底處地基土內(nèi)摩擦角，取18oKS——抗隆起安全系數(shù)，根據(jù)基坑重要性取值，取1.7。
Nq=etg（45+）；N=
K===2.20>1.7
即鋼板樁打入深度7.78m，地基土穩(wěn)定，不會發(fā)生隆起。
1.5圍囹檢算
1.5.1計算模型
圍囹所受最不利均布荷載為413.5kN/m，在圍囹縱、橫長度方向的中部位置。：
1.5.2計算結果
圍囹最大正應力σ=158.5Mpa<[σ]=200MPa，滿足強度要求。最大豎向位移V=-3.587mm
2.鋼板樁的施工過程
2.1鋼板樁的施工準備
對于關鍵材料鋼板樁的驗收操作如下：
鋼板樁運到工地后，需進行整理。清除鎖口內(nèi)雜物（如電焊瘤渣、廢填充物等），對缺陷部位加以整修。
（1）鎖口檢查的方法：用一塊長約2米的同類型、同規(guī)格的鋼板樁作標準，將所有同型號的鋼板樁做鎖口通過檢查。檢查采用卷揚機拉動標準鋼板樁平車，從樁頭至樁尾作鎖口通過檢查。對于檢查出的鎖口扭曲及“死彎”進行校正。
（2）鎖口潤滑及防滲措施，對于檢查合格的鋼板樁，為保證鋼板樁在施工過程中能順利插拔，并增加鋼板樁在使用時防滲性能。每片鋼板樁鎖口都須均勻涂以混合油。
2.2鋼板樁的施工
（1）施工設備：鋼板樁下沉采用振動錘沉入，9m和15m鋼板樁使用小松400型機械臂振動錘打入；18m鋼板樁利用50t履帶吊和DZ60液壓振動錘沉入，電焊機4臺。
（2）施工過程：
在鋼板樁施工中，為保證沉樁軸線位置的正確和樁的豎直，控制樁的打入精度，防止板樁的屈曲變形和提高樁的貫入能力，一般都需要設置一定剛度的、堅固的導向架，亦稱“施工圍囹”。導向架采用I40工字鋼制作，即縱斷面圖上的樁頂圍囹，場地平整后按照設計尺寸吊裝就位，并連成整體，必要時在圍囹內(nèi)側(cè)打設幾根定位樁。然后鋼板樁貼著導向架下沉。
導向架安裝前，在導向架內(nèi)側(cè)四個角點準確放出鋼管樁位置，打入時，用兩臺全站儀，從兩個不同的方向控制鋼管樁的垂直度，當有偏差時及時糾正。
（3）鋼板樁打設。
根據(jù)現(xiàn)場施工條件，采用單獨打入法。此法是從一角開始逐塊插打，每塊鋼板樁自起打到結束中途不停頓。因此，樁機行走路線短，施工簡便，打設速度快。但是，由于單塊打入，易向一邊傾斜，累計誤差不易糾正，墻面平直度難以控制。機械手或履帶吊停在打樁點外側(cè)河岸上，側(cè)向有施工人員監(jiān)控。掛上振動錘，升高，理順油管及電纜。錘下降，開液壓口，夾住一根由汽車吊喂至打樁錘下的鋼板樁，鎖口抹上潤滑油，起錘。機械手則直接夾起平放在地面上的鋼板樁.上升錘與樁，至打樁地點。對準樁與定位樁的鎖口，錘下降，靠振動錘與樁自重壓樁至表層軟弱土以下一定深度不能下降為止。試開打樁錘30秒左右，停止振動，利用錘慣性打樁至堅實土層，開動振動錘打樁下降，控制打樁錘下降的速度，盡可能的使樁保持豎直，以便鎖口能順利咬合，提高止水能力。板樁至設計高度前40cm時，停止振動，振動錘因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定時間，打樁至設計高度。
2.3基坑開挖與支撐安裝
由于313#基坑位于河道中，考慮到使鋼板樁內(nèi)外水壓力平衡，采用基坑內(nèi)帶水的水下開挖方式進行開挖。開挖的設備為水下沖砂（土）、吸砂（土）設備。將基坑內(nèi)部的土通過吸砂（土）設備不斷抽出基坑外。在吸砂（土）的同時不斷向基坑內(nèi)補充河水，保持吸砂（土）過程中的內(nèi)外水壓穩(wěn)定。
（1）帶水進行開挖至313#墩開挖至承臺底下1.5米處， 逐點檢查基坑底部標高后，進行封底混凝土的施工；待封底混凝土強度達到2.4MPa以上時，抽水，清理基坑。
（2）抽水，313#基坑樁頂往下1m處，安裝第一道圍囹和支撐。
（3）抽水，313#基坑在距樁頂為3.5米處安裝第二道圍囹和支撐。
（4）抽水，313#基坑在距樁頂為6米處安裝第三道圍囹和支撐。
（5）抽水，直至基坑設計高程。清理基礎表面進行承臺的施工。
2.4鋼板樁圍堰拆除
遵循先回填后拆除的原則，即在拆除鋼板樁和支撐之前，先回填基坑，采用原開挖棄土，嚴格按照施工步驟進行，根據(jù)工況分析鋼板樁圍堰支撐和圍囹在承臺施工完畢后均可拆除，待墩身施工完畢，鋼板樁圍堰仍采用振動錘拔除，邊拔邊倒運集中堆放整齊，保持場地整潔。
（1）鋼板樁施工中監(jiān)測。
在鋼板樁施工中，打設的允許誤差一般為：樁頂標高偏差±100mm；鋼板樁軸線偏差±100mm；鋼板樁垂直度偏差為1%。在打設過程中，應用全站以測試鋼板樁垂直度，確保垂直度偏差在允許范圍內(nèi)，在導向圍囹上標出軸線位置，確保打入時軸線偏差在允許范圍內(nèi)，用水平測出導向圍囹的標高，以備控制鋼板樁頂部標高。監(jiān)測是否在允許誤差范圍內(nèi)，超出時及時糾正。
（2）系統(tǒng)的監(jiān)測。
在施工支撐及承臺的過程中，應對支撐系統(tǒng)進行監(jiān)測。主要監(jiān)測支撐的變形、鋼板樁的變形、基坑內(nèi)流動水量及圍堰的位移等。在施工過程中可能出現(xiàn)如下的情況：①鋼板樁彎曲變形嚴重：這主要是鋼板樁斷面選用偏小，土壓力計算偏低，基坑超挖或支撐間距過大等原因造成的。②基坑底部涌水嚴重：主要是基坑封底時混凝土澆注質(zhì)量不好，出現(xiàn)開裂、夾泥等情況引起的。嚴重時可以致使封底混凝土不能發(fā)揮其作用，而需要進行二次封底。③支撐彎曲：這往往是由于支撐斷面不夠或受力不均造成?？稍黾又我越鉀Q。④圍堰整體位移：這主要是鋼板樁入土深度不夠，地質(zhì)情況有較大的出入等原因造成的。
（3）觀測點的布置。
基準點選擇已知點（315#墩右側(cè)大堤邊CPII012-2）。鋼板樁頂部設置8個水平位移和豎向位移點，在鋼板樁靠大里程側(cè)鋼板樁兩個角點地面上各設置一個土體沉降觀測點。
鋼板樁對撐每個中間設置一個點，共10個點。
（4）基坑監(jiān)測頻率。
監(jiān)測頻率應考慮基坑等級、基坑不同施工階段以及周邊環(huán)境變化，當監(jiān)測值相對穩(wěn)定時，可適當降低監(jiān)測頻率。本基坑監(jiān)測頻率參照《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB50497-2009）要求進行監(jiān)測。本鋼板樁圍堰基坑開挖深度最大為11.5m，觀測頻率按照一級基坑考慮。
（5）監(jiān)測報警值。
本工程基坑按照三級基坑考慮，其報警值見下表。
3.結語
313#基坑的鋼板樁圍堰順利施工完成。施工過程與設計基本吻合。施工中安全可控，證明設計選取參數(shù)合理，方案可行。為以后的類似的水下基坑施工提供了有力的參考。 [科]
【參考文獻】
[1]《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）.中華人民共和國建設部，2003，12.
[2]《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-99）.中國建筑科學研究院，1999，1.
