鋼板樁在基坑開挖支護(hù)中的應(yīng)用

□張征浩　□張光明（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

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鋼板樁在基坑開挖支護(hù)中的應(yīng)用

□張征浩□張光明（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)發(fā)展迅猛，有時(shí)需要在很多現(xiàn)狀河道或者渠道上修建跨河、跨渠建筑物，在有條件限制時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)狀河道或者渠道的邊坡進(jìn)行開挖施工。鋼板樁作為一種快速、有效并能顯著減少開挖范圍的臨時(shí)支護(hù)方案，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程中的分離墻、河堤、碼頭、壁岸防護(hù)、臨時(shí)圍堰等。文章通過對(duì)鋼板樁在南水北調(diào)總干渠渠道外坡開挖中的具體應(yīng)用分析，對(duì)以后類似跨渠建筑物的修建提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼板樁；渠道外坡；開挖支護(hù)

1工程概述

省道236改建工程在南水北調(diào)總干渠寶豐至郟縣段SH（3）55+791.40處跨越，路渠夾角90°，橋面全寬13 m。橋位處總干渠為半挖半填渠道斷面，總干渠底板高程120.59 m，設(shè)計(jì)水位127.59 m，最大水位128.22 m，底寬24.50 m，堤頂高程129.08 m?？偢汕烫罡呒s4 m，全斷面采用混凝土板襯砌，渠道外坡腳采用干砌塊石加強(qiáng)防護(hù)，防護(hù)高度2.50 m。

為避免橋梁建設(shè)對(duì)總干渠輸水能力的影響，橋梁采用50+90+50 m跨徑組合，中跨一跨直接跨越總干渠，將橋墩置于總干渠外坡坡腳之外。由于橋墩設(shè)置有3 m高承臺(tái)，承臺(tái)施工開挖時(shí)需要占用總干渠渠堤外坡，承臺(tái)底高程121.45 m，現(xiàn)狀渠堤外坡腳處地面高程124.52 m，承臺(tái)施工時(shí)渠堤外坡臨空面高度4.50 m。由于橋梁建設(shè)時(shí)，南水北調(diào)總干渠渠堤已經(jīng)填筑完成并已試通水，渠堤外坡應(yīng)盡可能減少開挖范圍，并需進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)，同時(shí)需保證總干渠的運(yùn)營(yíng)安全。

橋位處場(chǎng)區(qū)地層主要有第四系上更新統(tǒng)沖洪積成因及中更新統(tǒng)沖洪積成因土層、上第三系洛陽(yáng)組巖層，與渠堤滲透穩(wěn)定分析及邊坡穩(wěn)定分析有關(guān)的地層為黃土狀重粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土。

2承臺(tái)基坑開挖支護(hù)方案

由于承臺(tái)基坑開挖深度約4 m，且總干渠渠堤填高約4 m，經(jīng)比較分析，決定在承臺(tái)基坑開挖時(shí)采用工程經(jīng)濟(jì)、施工快捷的鋼板樁支護(hù)方案對(duì)渠堤外坡進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。根據(jù)鋼板樁性能參數(shù)，型號(hào)采用PU12型。為減少對(duì)總干渠渠堤的擾動(dòng)，施工方式采用靜壓施工，鋼板樁施工完成后不再拔出，為此需要對(duì)鋼板樁做防銹蝕處理：刷紅丹酚醛防銹底漆，再涂灰鋁粉石墨面漆，各兩道，每道干膜厚度≥35 μm，總干膜厚度≥140 μm。

鋼板樁中心沿承臺(tái)四周距離承臺(tái)邊緣1m（渠堤外坡腳側(cè)距離承臺(tái)邊緣0.25 m，鋼板樁直接作為承臺(tái)模板使用）布置?？偢汕虃?cè)鋼板樁樁頂高程為125.95 m，樁底高程116.95 m，樁長(zhǎng)9 m；承臺(tái)其余三側(cè)的鋼板樁樁長(zhǎng)8 m，樁頂高程與現(xiàn)狀地面齊平。為減少鋼板樁變形對(duì)總干渠渠堤安全的影響，在鋼板樁施工完成并進(jìn)行承臺(tái)基坑開挖時(shí)，采用18#工字鋼對(duì)鋼板樁進(jìn)行支撐加固，橫橋向間隔3 m設(shè)置，邊開挖邊支撐，支撐位置在鋼板樁樁頂以下50 cm處。

為保證總干渠的安全，在鋼板樁施工過程中，要求施工單位在橋位處30 m范圍內(nèi)的總干渠堤頂每間隔10 m設(shè)置4處觀測(cè)點(diǎn)對(duì)渠堤的沉降和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3總干渠外坡滲透穩(wěn)定分析

以橋位處總干渠斷面進(jìn)行滲流計(jì)算分析，該斷面為半挖半填斷面，填土采用渠道開挖棄料黃土狀重粉質(zhì)壤土，渠基為黃土狀重粉質(zhì)壤土。滲透穩(wěn)定計(jì)算考慮的工況為防滲材料失效，渠道內(nèi)水向渠堤外滲漏，計(jì)算鋼板樁布設(shè)前后渠堤堤身、堤基及背水坡滲流出逸段的滲透穩(wěn)定性。

滲流計(jì)算采用有限元數(shù)值分析方法計(jì)算，采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編制的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》程序進(jìn)行計(jì)算分析?；灸Ｐ蜑椋?/p>

式中：H為滲流場(chǎng)的水頭函數(shù)，P為水壓力，γ為水容重，Kx和Ky分別為x和y方向土的滲透系數(shù)。

典型斷面所采用的地質(zhì)參數(shù)見表1。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL274-2001）及地層情況，土的滲透變形類型判別為流土型，因此按流土型計(jì)算臨界水力坡降和允許水力坡降，計(jì)算公式如下：

表1　滲透計(jì)算采用地質(zhì)參數(shù)表

式中：Jcr—土的臨界水力坡降；J允許—土的允許水力坡降；GS—土的顆粒密度與水的密度之比；n—土的孔隙率（%）；e—孔隙比；K—安全系數(shù)為1.50～2.50，按2.00選取。

經(jīng)有限元程序計(jì)算，渠道斷面在外坡腳的出逸高度和出逸段的計(jì)算滲透比降具體見表2。

表2　滲透計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，渠道防滲失效后，按照規(guī)范要求，鋼板樁布設(shè)前后，不安全出逸高度相差約1m，不安全出逸高度以下邊坡需采取貼坡排水防護(hù)措施，貼坡排水為：土工布（400 g/m2）+ 10 cm砂礫石+30 cm干砌石。

考慮到填方高度、浸潤(rùn)線不安全出逸高度及浸潤(rùn)線出逸高度，設(shè)計(jì)貼坡排水防護(hù)高度H=浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高度+0.50 m= 1.95 m。由于總干渠渠堤外坡設(shè)計(jì)有高度2 m的干砌塊石坡面防護(hù)，略大于設(shè)計(jì)貼坡防護(hù)高度，渠坡增設(shè)鋼板樁阻水致使浸潤(rùn)線抬高后，干砌塊石貼坡防護(hù)高度滿足要求。

4總干渠邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)外坡滲流分析計(jì)算成果，渠堤增設(shè)鋼板樁后，渠道浸潤(rùn)線明顯抬高，需對(duì)渠道邊坡進(jìn)行復(fù)核計(jì)算分析。渠道內(nèi)坡計(jì)算考慮“渠道防滲有效，地下水穩(wěn)定滲流”，渠段地下水位低于設(shè)計(jì)渠底以下約5m，故鋼板樁布設(shè)對(duì)渠道內(nèi)坡穩(wěn)定基本無影響，故僅對(duì)渠道外坡進(jìn)行計(jì)算分析。

渠道外邊坡計(jì)算工況、計(jì)算參數(shù)及計(jì)算方法與初步設(shè)計(jì)階段一致，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3　計(jì)算參數(shù)采用值表

鋼板樁布設(shè)前，邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果為：設(shè)計(jì)工況“渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水深7 m，地下水處于穩(wěn)定滲流，防滲有效”，安全系數(shù)F1= 3.12；校核工況“填方渠內(nèi)加大水深，局部防滲失效，計(jì)算渠堤外坡穩(wěn)定”，安全系數(shù)F2=2.13，均滿足設(shè)計(jì)要求。

鋼板樁布設(shè)后，浸潤(rùn)線抬高，在僅考慮鋼板樁對(duì)邊坡臨空面的支撐時(shí)，邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果為：設(shè)計(jì)工況“渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水深7 m，地下水處于穩(wěn)定滲流，防滲有效”，安全系數(shù)F1=2.98；校核工況“填方渠內(nèi)加大水深，局部防滲失效，計(jì)算渠堤外坡穩(wěn)定”，安全系數(shù)F2=1.98，較鋼板樁布設(shè)前安全系數(shù)有所降低，但仍均滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)以上計(jì)算分析可知，橋梁樁基承臺(tái)施工采用鋼板樁支護(hù)后，由于鋼板樁施工完畢后不再拔出，鋼板阻水致使浸潤(rùn)線抬高后，貼坡防護(hù)高度仍滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)使渠堤外坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低，設(shè)計(jì)和校核工況下，安全系數(shù)分別由F1=3.12和F2= 2.13降低至F1=2.98和F2=1.98，仍滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)≥1.50和校核安全系數(shù)≥1.30的要求。

5結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)總干渠邊坡的滲透穩(wěn)定及邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算，鋼板樁布設(shè)后，浸潤(rùn)線不安全出逸高度1.45 m，設(shè)計(jì)貼坡防護(hù)高度1.95 m，仍小于總干渠渠堤外坡設(shè)計(jì)的干砌塊石坡面防護(hù)高度2 m；雖然鋼板阻水致使浸潤(rùn)線抬高、渠堤外坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低，但貼坡防護(hù)高度、安全系數(shù)仍滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)、校核安全系數(shù)的要求。綜合以上情況，采用鋼板樁臨時(shí)支護(hù)方案對(duì)總干渠渠堤外坡進(jìn)行局部開挖是可行的。

目前，省道236改建工程跨南水北調(diào)總干渠大橋已經(jīng)竣工通車，總干渠也已正式通水運(yùn)營(yíng)且運(yùn)營(yíng)情況良好。渠道邊坡的局部開挖支護(hù)方案得到實(shí)踐驗(yàn)證，可以為以后跨渠建筑物的修建提供參考經(jīng)驗(yàn)。

（責(zé)任編輯：劉長(zhǎng)垠韋詩(shī)佳）

中圖分類號(hào)：U445

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）05-0062-02

收稿日期：2016-02-12