石頭步大橋17 m深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

王 哲

(中鐵建港航局集團(tuán)路橋工程有限公司,廣東 廣州 511446)

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石頭步大橋17 m深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

王 哲

(中鐵建港航局集團(tuán)路橋工程有限公司,廣東 廣州 511446)

摘要：針對石頭步大橋17 m的深基坑，通過方案比選，采用了鉆孔防護(hù)樁結(jié)合旋噴樁形成止水帷幕施工方案。通過合理布置腰梁和支撐體系，并采用理正深基坑和midas軟件進(jìn)行建模計(jì)算，結(jié)果表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均達(dá)到要求。經(jīng)過施工實(shí)測，支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形與計(jì)算結(jié)果相符。為了提高施工速度，采用了排水和不排水開挖相結(jié)合的方式，提高了開挖作業(yè)的速度，降低了施工難度，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。可為類似深基坑的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：深基坑；支護(hù)設(shè)計(jì);止水帷幕；施工

1 工程概況

石頭步大橋位于廣東省郁南縣平臺鎮(zhèn)的新屋村，大橋隸屬于新建南寧至廣州鐵路站前工程標(biāo)段。石頭步大橋的中心里程為DK266+712.20，大橋跨越寬10 m的河流，河中水流較緩，水深1.2 m，線路與河道成56°夾角。

石頭步大橋全長473.12 m，橋梁的孔跨布置為14×32 m簡支箱梁?；A(chǔ)采用?1.25 m的鉆孔灌注樁，橋臺樁基礎(chǔ)為18根鉆孔灌注樁，橋墩樁基礎(chǔ)為98根鉆孔灌注樁，平均樁長度約19.5 m，最大樁長32 m。橋臺采用雙線矩形空心橋臺，橋墩采用雙線實(shí)心墩，平均墩高9.5 m,最大墩高11.5 m。上部結(jié)構(gòu)為32 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱形梁。箱梁采用滿堂支架現(xiàn)澆法施工。橋址處地貌類型主要為山前沖積平原，地形平坦，多為農(nóng)田和桔樹園。橋址區(qū)的邊坡土質(zhì)為花崗巖殘坡積層和全、強(qiáng)風(fēng)化層，風(fēng)化不均勻，局部全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度較大，抗剪強(qiáng)度低，邊坡不穩(wěn)定，地表存在砂土流失現(xiàn)象。有特殊巖土，淤泥，軟塑狀粉質(zhì)黏土，這些土層承載力低，壓縮性高。

由于8#和9#橋墩中間預(yù)留一座地道橋的空間，所以橋墩承臺的埋深很大，其底面位于地面以下17 m，承臺共有兩個臺階，底階承臺的尺寸為14.6 m×14.6 m×3 m，上階承臺尺寸為11.0 m×8.0 m×2 m。水位位于地面以下2 m。

2 深基坑支護(hù)方案選擇

2.1 方案選擇[1-2]

根據(jù)工程和地質(zhì)條件，經(jīng)過初步分析，深基坑支護(hù)方案采用鋼板樁圍堰或鋼管樁圍堰與鉆孔防護(hù)樁配合止水帷幕兩種方案進(jìn)行比較和篩選。

鋼板樁或鋼管樁圍堰方案：具有施工過程簡單，止水效果好、受力比較明確并且材料能夠回收等顯著優(yōu)點(diǎn)；此外，鋼板樁或鋼管樁的插打施工技術(shù)已經(jīng)很成熟。采用這兩種形式的基坑支護(hù)具有一定的可行性，但是針對該基坑鋼板樁的插打深度比較大，而且在地下土層有一定厚度的礫砂層，鋼板樁的插打存在一定技術(shù)難度，需要進(jìn)行試打，經(jīng)過Ⅳ型拉森鋼板樁和?500 mm鋼管樁的試打作業(yè)，當(dāng)鋼板樁或鋼管樁打入到深度6 m左右時很難繼續(xù)打入，盡管采取了一些措施如加大墜錘重量和輔助振動的方式，仍然無法繼續(xù)打入，因此不能采用該方案進(jìn)行基坑支護(hù)。

鉆孔灌注樁結(jié)合旋噴樁形成帷幕進(jìn)行基坑支護(hù)的方案：施工工藝非常成熟，技術(shù)上不存在問題，且能夠適合各種土層要求；由于形成了止水帷幕，使得防護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效果也比較好。但是鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕支護(hù)的施工方案費(fèi)用偏高，并且鉆孔灌注樁和旋噴樁均無法回收再利用，從而會造成浪費(fèi)，并對環(huán)境有一定的污染。

經(jīng)過綜合的研究和利弊分析，并且與監(jiān)理和業(yè)主單位協(xié)調(diào)，最后采用鉆孔灌注樁結(jié)合旋噴樁形成帷幕的施工方案進(jìn)行基坑支擋作業(yè)。

2.2 方案設(shè)計(jì)

17 m深度的基坑支護(hù)采用?1.25 m、間距為1.5 m的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，并在外側(cè)鉆孔樁的間隙處布置?60 cm的旋噴樁形成止水帷幕，達(dá)到防水的目的，如圖1所示。旋噴樁施工完成后，在鋼筋混凝土樁頂澆筑寬度1 m、厚度0.5 m的冠梁(按照構(gòu)造配筋即可)，以增加防護(hù)樁的整體性；然后再進(jìn)行基坑開挖作業(yè)。

圖1 基坑防護(hù)樁布置結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

根據(jù)底階承臺的尺寸，并且考慮支立模板和作業(yè)空間，承臺側(cè)面預(yù)留1 m的空間，實(shí)際基坑開挖尺寸為16.6 m×16.6 m，封底混凝土厚度3 m(這樣基坑的開挖深度達(dá)到了20 m)。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排H型鋼做腰梁(HN 692×300×13/20)，粗鋼管(?60 cm、壁厚10 mm)作為內(nèi)支撐，共設(shè)計(jì)了4層支撐如圖2所示?？紤]施工的空間，最底層的內(nèi)撐體系距離底階承臺的頂面0.3 m，以保證承臺施工作業(yè)的空間。

圖2 腰梁和內(nèi)撐布置圖(單位：cm)

3 支護(hù)方案計(jì)算

3.1 入土深度計(jì)算

由于防護(hù)樁周圍的土層主要是砂土，根據(jù)施工環(huán)境及河床地質(zhì)資料，考慮在鋼筋混凝土樁施工完成后進(jìn)行基坑封底時極易出現(xiàn)涌砂，為了防止涌砂，就必須保證樁的打入深度，從而使基坑穩(wěn)定。若垂直向上的滲透力不超過砂的浮密度，則是安全的，即不涌砂。最不利的情況是不排水開挖到20 m尚未封底時，此時坑內(nèi)水面距離地下水位8 m，封底平面距離坑外地下水位18 m。

故安全條件公式為：

(1)

式中：ks為安全系數(shù)，取2.0；h1為涌砂條件下基坑內(nèi)外的水頭差(m)，取8 m；h2為涌砂條件下封底平面到坑內(nèi)水位的距離(m)，取10 m；t為封底處以下樁長(m)；γw為水重度，取10 kN/m3；γb為浮土重度，取8 kN/m3。

經(jīng)過計(jì)算，t=5 m，偏安全，這里取為7 m。鉆孔灌注樁長總計(jì)為27 m。

3.2 防護(hù)樁內(nèi)力和變形計(jì)算

防護(hù)樁排水開挖階段的計(jì)算采用理正深基坑軟件分工況進(jìn)行計(jì)算，邊開挖邊加腰梁和內(nèi)撐，設(shè)置支撐體系需要超挖50 cm，以保證施工空間和安裝牛腿。排水開挖并安裝第3道支撐后，進(jìn)行不排水開挖到坑底；隨后進(jìn)行水下混凝土封底作業(yè)，封底砼達(dá)到強(qiáng)度后抽干水；然后加設(shè)最后一道腰梁和內(nèi)撐。其中前3道內(nèi)撐采用排水開挖并用理正深基坑軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)開挖到11.5 m深度、安裝第3層支撐后，往坑內(nèi)注水到距離地面10 m的位置，采用不排水開挖的方式開挖到20 m深度，然后水下混凝土封底(厚度3 m)，封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，抽干水。此時的防護(hù)樁和封底混凝土已經(jīng)粘結(jié)，防護(hù)樁可以按照4跨連續(xù)梁(帶有一段3 m懸臂)進(jìn)行驗(yàn)算。采用midas對防護(hù)樁進(jìn)行建模計(jì)算，所受荷載為坑外土(水)的壓力，此時防護(hù)樁的彎矩和反力如圖4所示。

從圖4可以看出，此時的彎矩為308 kN·m、反力為999.2 kN。

綜合圖3和圖4的計(jì)算結(jié)果，施工過程中防護(hù)樁的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為1 529.59 kN·m，考慮荷載安全分項(xiàng)系數(shù)等參數(shù)，采用1 869.6 kN·m進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。經(jīng)過計(jì)算防護(hù)樁最終采用22根?25 mm的HRB335的縱向鋼筋均勻布置，其承載能力Mu=1 890.3 kN·m > 1 869.6 kN·m(設(shè)計(jì)彎矩)，滿足要求;箍筋采用HPB235的?12 mm的鋼筋間距150 mm布置，加強(qiáng)箍筋采用HRB335的?16 mm鋼筋、間距1 000 mm布置。

圖3 排水開挖到第3道內(nèi)撐的計(jì)算結(jié)果

圖4 封底硬化抽水后計(jì)算結(jié)果

3.3 腰梁和內(nèi)撐計(jì)算

采用midas對腰梁和內(nèi)撐體系進(jìn)行建模計(jì)算，采用梁單元進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合圖3和圖4(b)可知，支護(hù)樁的最大支反力為2 007 kN，根據(jù)水平間距5.5 m，則腰梁所受均布荷載為365 kN/m。經(jīng)過試算，最終采用雙排H型鋼(HN 692×300×13/20)作為腰梁，采用?600 mm、壁厚10 mm的鋼管作為內(nèi)支撐體系。根據(jù)對稱結(jié)構(gòu)對稱荷載的受力特點(diǎn)，建模時在4個腰梁中點(diǎn)施加約束，即約束腰梁中點(diǎn)兩個水平面方向線位移。

采用有限元midas建模進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 腰梁和內(nèi)撐結(jié)果

從圖5看出，腰梁最大正應(yīng)力：σ=159 MPa<

[σ]=181 MPa；內(nèi)撐最大正應(yīng)力：σ=145 MPa<[σ]=181 MPa；腰梁最大位移：f=6.8 mm<[L/400]= 5 500 mm/400=13.75 mm?？紤]穩(wěn)定問題后，內(nèi)撐最大正應(yīng)力160 MPa，仍然滿足要求。

4 施工技術(shù)

施工前的準(zhǔn)備工作：基坑位置平整場地，場地標(biāo)高為在基坑底部標(biāo)高以上17 m位置。測量放線定出鋼筋混凝土樁和旋噴樁的位置。

4.1 鉆孔灌注樁施工

防護(hù)樁施工與樁基礎(chǔ)的鉆孔灌注樁施工相同。由于樁之間的凈距只有25 cm，所以在施工過程中，需要隔樁施工，不能順序施工，以防止鉆孔施工對剛剛澆筑好的樁產(chǎn)生擾動，或者破壞。鉆孔灌注樁施工標(biāo)高距離地面50 cm即可，但鋼筋籠需要延長到地面，冠梁的鋼筋要和防護(hù)樁的鋼筋連接起來。

4.2 旋噴樁施工

旋噴樁施工是為了形成止水帷幕，施工也是需要隔樁施工，不能順序施工。

4.3 冠梁施工

在旋噴樁施工完成后，在鋼筋混凝土樁頂澆筑厚度0.5 m、寬度1 m的冠梁(按照構(gòu)造配筋即可)，以增加防護(hù)樁的整體性;然后再進(jìn)行基坑開挖作業(yè)。

4.4 基坑開挖

待施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行基坑開挖作業(yè)，針對不同的土質(zhì)采用不同的開挖方式。基坑開挖時要求先挖中間土方，嚴(yán)禁超挖，然后再將基坑內(nèi)周邊土對稱均勻下挖，開挖時避免擾動基坑外土層;在開挖和整個施工過程中注意對樁的位移、沉降進(jìn)行觀測，遇異常情況立即停止開挖以及其它作業(yè)，通知坑內(nèi)人員迅速撤離，并采取回灌、加撐等措施處理，加固后方可繼續(xù)施工，以確保安全。

基坑開挖過程中在需要設(shè)置內(nèi)撐的位置，超挖50 cm后設(shè)置腰梁和內(nèi)撐，采用雙排H型鋼上下兩層并排布設(shè)。內(nèi)撐和H型鋼之間采用焊接方式連接，焊縫要求滿足規(guī)范規(guī)定。在腰梁和鋼管連接處需要在H型鋼上和鋼管外壁均設(shè)置加勁肋，防止局部壓力過大而失穩(wěn)破壞。

安裝第3層支撐后，由于主動土壓力太大，支撐體系受力嚴(yán)重超限，故不能繼續(xù)排水開挖，需要往坑內(nèi)注水到距離地面10 m左右的位置，用沖抓結(jié)合抽砂等不排水開挖的方式開挖到20 m深度。

4.5 封底混凝土作業(yè)

基坑不排水開挖到底后，進(jìn)行水下封底混凝土的澆筑，封底混凝土的厚度為3 m。為了提高混凝土早期強(qiáng)度和加快混凝土的凝結(jié)硬化，在封底混凝土中摻入早強(qiáng)劑，以盡早抵抗坑外水壓力。

4.6 承臺施工和回填作業(yè)

封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后就可以抽水，先安裝第4道支撐，然后進(jìn)行承臺的施工，第1臺階承臺施工完成后，回填夯實(shí)，然后進(jìn)行第2臺階承臺施工，然后回填夯實(shí)，并拆除第4道圍囹和內(nèi)撐。進(jìn)行橋墩的分段施工，一定要邊施工邊回填夯實(shí)，到相應(yīng)內(nèi)撐體系位置后，拆除相應(yīng)圍囹和內(nèi)撐，如此循環(huán)作業(yè)，直到墩身露出地面。

5 結(jié)論

針對石頭步大橋17 m深基坑支護(hù)問題，經(jīng)過比較，采用鉆孔灌注樁結(jié)合旋噴樁形成止水帷幕的支護(hù)方案，并且結(jié)合施工要求，設(shè)計(jì)腰梁、內(nèi)撐和布置。采用理正深基坑結(jié)合midas軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形均滿足要求。經(jīng)過施工中監(jiān)控實(shí)測，結(jié)構(gòu)的最大變形為5.5 mm，與計(jì)算結(jié)果6.8 mm基本吻合，這表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力基本一致。

由于對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了科學(xué)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，并且針對工程實(shí)際，采取了排水開挖和不排水開挖相結(jié)合的方式進(jìn)行施工，節(jié)省了開挖時間，降低了開挖難度，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。可為以后同類型的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]江正榮．建筑施工計(jì)算手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007

[2]張俊義.橋梁施工常用數(shù)據(jù)手冊[M]．北京：人民交通出版社，2005

收稿日期：2016-03-25

作者簡介：王哲(1979—)，男，工程師，主要從事土木工程施工技術(shù)管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.017

中圖分類號：U443.131

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)04-0066-04

On the Design and Construction of the Supporting for the 17 m-Deep Foundation Pit for the Shitoubu Bridge

Wang Zhe

(Road & Bridge Engineering Co. Ltd. of the Harbor Construction & Navigation Administration Bureau Group of China Railway,Guangzhou 511446,China)

Abstract:In view of the 17 m-deep foundation pit for the Shitoubu Bridge and upon the basis of the comparison of different construction schemes,the bored protective pile in combination with the rotary churning pile to form a water-stopping curtain is adopted for the project.Through providing reasonable waist beams and supporting systems,the construction is smoothly carried out,in the course of which the Lizheng Deep-foundation Pit and the Midas Software is used for establishing the simulation model, with the help of which the strength,rigidity and stability of the supporting system are found all up to the requirements.Through the actual survey during the construction, the actual deformation of the supporting system is found to be in agreement with the calculated results.To speed up the construction,the construction method of combining the draining excavation with the non-draining excavation is adopted for the project,with the construction speed improved,the construction difficulty lowered and fine economic effect achieved.The project may provide a useful reference for the design and construction of other deep foundation pit projects.

Key words:deep foundation pit；supporting design；water-stopping curtain；construction