復(fù)雜地形鋼管與拉森樁組合式基坑圍堰施工技術(shù)

張愛軍

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

滬通鐵路是國家鐵路“十二五”規(guī)劃建設(shè)的重點項目之一,是國家沿海通道的重要組成部分,滬通鐵路建成后,沿海鐵路大通道將全面貫通。本文取滬通長江大橋陸域南引橋單建鐵路S42號墩為例,部分承臺位于三干河中,部分毗鄰G204國道車道位置,與之斜向交叉,在承臺基坑開挖時應(yīng)該最大限度地確保G204國道行車安全,道路結(jié)構(gòu)安全和深基坑施工安全。承臺、三干河和G204國道相對地理位置見圖1。

圖1 基坑、三干河和G204國道地理位置

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)場情況

滬通長江大橋陸域南引橋單建鐵路S42號墩,承臺結(jié)構(gòu)尺寸為21.8 m×17.9 m×5.0 m,部分承臺位于三干河中,部分位于G204國道車道位置,三干河施工時水位標(biāo)高+1.5 m,國道標(biāo)高為+4.238 m,承臺標(biāo)底標(biāo)高為-5.842 m,基坑平面24 m×20 m,基底標(biāo)高-7.3 m,基坑開挖深度11.5 m。

S42承臺位置環(huán)境復(fù)雜,三干河長江南側(cè)主河槽段長江下切,河床達(dá)下部砂層中,水位動態(tài)隨季節(jié)及潮汐變化,水量豐富,G204國道車輛量大而密集,采取加寬、限速等措施[1-2]。同時考慮深基坑水系變化和既有國道結(jié)構(gòu)安全,深基坑支護(hù)形式選擇至關(guān)重要。

1.2 水文地質(zhì)情況

滬通長江大橋南引橋單建鐵路段位于張家港市,屬于亞熱帶大陸季風(fēng)性氣候地區(qū),具有四季分明,無霜區(qū)長,雨水充沛,氣候溫和,是典型的海洋性氣候。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告,承臺施工基坑開挖主要涉及①1層填筑土,②1層淤泥質(zhì)黏土,③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,基底主要位于粉砂層上。黏土層天然含水量大,滲透性弱,抗剪強(qiáng)度低,土層開挖后穩(wěn)定性差。墩位地質(zhì)情況見表1。

表1 墩位地質(zhì)情況表

2 深基坑支護(hù)形式的選擇

深基坑就是豎向延伸空間,能為橋梁下部施工提供安全可靠、干燥的施工環(huán)境,深基坑支護(hù)一般有鋼板樁支護(hù)、鋼管樁支護(hù)、套箱、沉井及井點降水等形式,結(jié)合現(xiàn)場S42墩位河道、既有道路的平面和空間相互影響,為了進(jìn)一步發(fā)揮基坑支護(hù)材料的潛在能力,使支護(hù)形式更加合理,綜合利用“空間效應(yīng)”,確保安全、快捷、經(jīng)濟(jì)和實體質(zhì)量,采用鋼管樁局部加強(qiáng)支撐G204國道+拉森鋼板樁圍護(hù)止水+局部降水確保G204國道基層沙不流失的組合基坑支護(hù)形式。

3 深基坑鋼管與拉森鋼板樁組合支護(hù)樁設(shè)計

S42墩基坑平面尺寸為24 m×20 m,頂面標(biāo)高設(shè)計為4.22 m,加強(qiáng)鋼管樁型號采用φ820×10 mm,單根長度21 m,間距1.5 m,數(shù)量13根；基坑止水支護(hù)[1-6]采用SKSP-Ⅳ型拉森鋼板樁21 m,每米鋼板樁截面特性：W=2 270 cm3,數(shù)量220根；為保證施工過程G204國道基層掏空,采用井點降水水密沙法灌注密實與支護(hù)樁體形成整體,避免路基沉降變形。根據(jù)承臺結(jié)構(gòu)和外界受力特性,承臺分為2次澆筑成型,第一次澆筑2 m,第二次澆筑3 m,為此基坑支護(hù)內(nèi)部共設(shè)3道型鋼內(nèi)支撐,第一道標(biāo)高為3.14 m,圍囹采用2HW300×300型鋼,加設(shè)四角2道鋼管斜撐,第二道標(biāo)高為-0.17 m,圍囹采用2HW588×300型鋼,加設(shè)四角2道鋼管斜撐和1道鋼管對撐,第三道標(biāo)高為-3.17 m,圍囹采用2HW700×300型鋼,加設(shè)四角3道鋼管斜撐和1道鋼管對撐；斜撐和對撐均為φ630×10 mm型號鋼管,圍囹四角處加設(shè)20 mm三角鋼板固結(jié)形成超靜定結(jié)構(gòu),圍囹與鋼板樁采用三角托架調(diào)平支撐[3],基坑封底混凝土厚1.5 m,基坑支護(hù)的立面和平面構(gòu)造布置見圖2、圖3。

圖2 基坑支護(hù)樁立面圖

圖3 基坑支護(hù)第三道圍囹平面圖

3.1 基坑支護(hù)施工工況

1)場地平整標(biāo)高降至4.22 m,插打鋼板樁；

2)基坑開挖2.2 m,在+3.14 m處安裝第一道內(nèi)支撐；

3)基坑開挖3 m,在-0.17 m處安裝第二道內(nèi)支撐；

4)基坑開挖3 m,在-3.174 m處安裝第三道內(nèi)支撐；

5)基坑開挖4.4 m；

6)施工澆筑1.5 m封底混凝土；

7)承臺施工澆筑第一次2 m混凝土,待承臺達(dá)到強(qiáng)度后,在頂部設(shè)置臨時支撐及基坑回填夯實,拆除第三道支撐,承臺施工澆筑第二次3 m混凝土；

8)臨時支撐轉(zhuǎn)移至承臺頂,拆除第二道支撐,開始墩身施工。

3.2 基坑支護(hù)樁模型計算

3.2.1 拉森鋼板樁強(qiáng)度計算

根據(jù)現(xiàn)場實際工況受力分析,對最不利的工況五、六、七采用邁達(dá)斯Civil模擬進(jìn)行驗算。

1)樁長選擇：基坑開挖至-7.35 m,清理基底,γ、φ、c按21 m范圍內(nèi)的加權(quán)平均值計算(表2)。

表2 土壓力參數(shù)表

根據(jù)等值梁法,計算圍堰壓力強(qiáng)度等于零點離基底面的距離y,建立方程式：

p0=153 kN

t=1.1×(x+y)=1.1×(5.4+2.0)=8.1 m

板樁總長L=t+h=8.1+11.5=19.6 m,選取長21 m板樁滿足要求。

2)鋼板樁強(qiáng)度

按簡支梁計算反力、彎矩,單位為kN、kN·m,邁達(dá)斯Civil模型見圖4～6,強(qiáng)度驗算見表3。

圖4 工況五彎矩圖

圖5 工況六彎矩圖

圖6 工況七彎矩圖

工況M/kN·mW/cm3σ/MPaσmax/MPa結(jié)論五255.82 70094.7215滿足六131.42 70048.6215滿足七97.32 70036.1215滿足

3.2.2 圍囹內(nèi)支撐體系計算

根據(jù)工況中最不利條件下,選取受力最大內(nèi)支撐體系進(jìn)行計算,見表4。

表4 工況鋼板樁內(nèi)支撐計算表

以工況五驗算第三道內(nèi)支撐強(qiáng)度和剛度為例,受力應(yīng)力和變形圖見圖7、圖8。

圖7 第三道內(nèi)支撐應(yīng)力圖

圖8 第三道內(nèi)支撐變形圖

斜撐和對撐φ630×10 mm鋼管最大應(yīng)力98.8 MPa,滿足要求。圍囹型鋼最大應(yīng)力153.7 MPa,滿足要求。最大位移6.0 mm,滿足要求。

3.2.3 鋼板樁穩(wěn)定性驗算(封底前)

管涌主要是水頭差的作用引起,根據(jù)現(xiàn)場情況，計算時考慮有水一側(cè),基坑水頭差為h1=4.7 m。 基坑管涌計算簡圖見圖9。

圖9 基坑管涌計算簡圖

不發(fā)生管涌的條件為：

式中：K為抗管涌安全系數(shù)，一般取K=1.5～2.0；

γ′為土的浮重度,γ′=γ-γw；

γ為土的重度；

γw為地下水的重度；

h′為地下水位至坑底的距離(即地下水形成的水頭差)；

t為鋼板樁的入土深度。

計算結(jié)果如下：

安全系數(shù)大于1.5,滿足穩(wěn)定性要求,基礎(chǔ)開挖到設(shè)計標(biāo)高后根據(jù)設(shè)計要求做封底混凝土澆筑。

3.2.4 國道側(cè)不平衡荷載防護(hù)

由于基坑處于國道和河流之間,施工期間存在偏壓,在國道側(cè)設(shè)置鋼管防護(hù)樁抵銷部分不平衡荷載。

防護(hù)樁驗算：防護(hù)樁間距為1.5 m,采用1200 m×13 mm的管樁,長度21 m,計算與鋼板樁計算相同。則單根防護(hù)樁線基底處承受的土壓力荷載為：

考慮防護(hù)樁在基底處固結(jié),則防護(hù)樁最大應(yīng)力見圖10。由圖10可知，防護(hù)樁最大應(yīng)力為150 MPa,滿足要求。

圖10 鋼管樁應(yīng)力圖

鋼管樁穩(wěn)定性驗算：

鋼管樁屬于薄臂環(huán)形截面,采用A3碳素鋼,其相關(guān)驗算如下：

抗彎剛度EI=2.01×105×66.15×108=132.96×1013N·mm2

4 組合支護(hù)樁施工控制要點

4.1 組合支護(hù)樁施工工藝流程

組合支護(hù)樁施工工藝流程見圖11。

圖11 鋼板樁工藝流程

4.2 加強(qiáng)鋼管樁施工

鋼管進(jìn)場后,全面檢查其直徑、壁厚及磨損程度是否與設(shè)計一致,合格后按照測量放樣位置進(jìn)行施打。為保證樁體受力均勻和預(yù)防樁頂變形損壞,加設(shè)特制樁帽承受振動錘應(yīng)力荷載,采用2臺全站儀垂直控制樁體垂直度,樁體外露800 mm左右停止下沉,進(jìn)行接樁。接樁先修正接口,再垂直2點焊接400 mm×200 mm×10 mm樁體同體瓦板,確保瓦板與樁體密貼,滿足要求進(jìn)行臨時定位焊接, 加設(shè)2瓦板全面焊接成整體,樁體間坡口環(huán)焊,繼續(xù)進(jìn)行沉樁。

為保證既有G204國道基底穩(wěn)定和避免基坑涌水,在施打完成加避強(qiáng)鋼管樁后設(shè)置2點Φ400 mm,壁厚為50 mm混凝土管井點管,進(jìn)行井點降水加強(qiáng)并填砂密實,確保既有路堤砂層穩(wěn)定無沉降。

4.3 拉森Ⅳ鋼板樁施工

超長21 m拉森Ⅳ鋼板樁與日本長期合作定制,根據(jù)張家港地質(zhì)條件和以往施工經(jīng)驗,鋼板樁采用25 t吊車配合50 t履帶吊機(jī)吊掛DZ90振動打樁錘插打。

1)鋼板樁插打順序由加強(qiáng)鋼管樁角樁向兩側(cè)輻射順序插打,最后在河堤一角進(jìn)行合龍。

2)鋼板樁插打前設(shè)置測量觀測點并安裝鋼板樁插打?qū)驒M梁,控制鋼板樁插打位置、垂直度及標(biāo)高。

3)鋼板樁插打前在鎖口處,采用止水材料捻縫,防止在使用的過程中漏水并減小鋼板樁鎖口間摩擦力。鋼板樁可多次插打到位,應(yīng)盡量按組插打鋼板樁。

4)插樁過程中,應(yīng)做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調(diào)整合龍”的要點。

5)因鋼板樁最后合龍時,尺寸偏差大難以調(diào)整合龍,故可制做異形鋼板樁來合龍；鋼板樁尺寸合適,插下后兩邊鎖口阻力太大,插不到底,需采用倒鏈滑車輔助下拉。

6)鋼板樁圍堰開挖后漏水時在圍堰內(nèi)部采用棉絮擠壓塞縫進(jìn)行封堵；鋼板樁止口咬合不好涌水,通過堵漏導(dǎo)管在外側(cè)將堵漏調(diào)和物下放到需要堵漏上方,將粗砂、鋸沫粉、水泥等吸進(jìn)漏水的鋼板樁鎖口縫隙中將其填充密實達(dá)到止水效果。

4.4 基坑開挖和內(nèi)支撐安拆

為平衡承臺基坑不平衡土壓力,鋼板樁三干河側(cè)進(jìn)行加寬3 m土圍堰填筑?；娱_挖采用小挖機(jī)與長臂挖機(jī)配合開挖,坑頂機(jī)械設(shè)備站位與坑緣凈距保證在1.0 m以上,挖出的土方除填筑圍堰平衡三干河與國道土壓力外,均外棄。

鋼板樁基坑支護(hù)內(nèi)支撐設(shè)置三道圍囹,圍囹、對撐和斜撐根據(jù)開挖工況由上向下分次安裝一次成型。內(nèi)支撐安裝逐道進(jìn)行驗收、報檢合格后,進(jìn)行下步基坑開挖。第三道安裝完成,開挖至封底底標(biāo)高-7.3m,人工進(jìn)行清底和鋼板樁凹槽,澆筑1.3 m封底混凝土。強(qiáng)度達(dá)到25%時澆筑承臺調(diào)平墊層混凝土,周邊與鋼板樁預(yù)留500 mm排水溝槽。

破除樁頭,承臺第一次2 m混凝土澆筑,待混凝土強(qiáng)度滿足后,在2 m位置增設(shè)鋼管臨時支撐并回填土夯實,進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換拆除第三道圍囹內(nèi)支撐,再施工承臺第二次3 m混凝土澆筑,移動臨時支撐至承臺頂部,進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換拆除第二道圍囹內(nèi)支撐,進(jìn)行墩身施工,最后拆除第一道圍囹內(nèi)支撐和鋼板樁。

4.5 基坑組合支護(hù)體系應(yīng)力及變形監(jiān)控量測

根據(jù)組合支護(hù)體系計算,安裝圍囹內(nèi)支撐體系過程安全風(fēng)險最高,開挖和安裝內(nèi)支撐交替過程,全站儀進(jìn)行基坑支護(hù)變形觀測。完成后采用測量和力學(xué)儀器對基坑支護(hù)平面、空間變形及內(nèi)支撐應(yīng)力等進(jìn)行監(jiān)控量測。同時為保證既有G204國道和土圍堰安全,需要進(jìn)行道路沉降變形觀測、基坑周邊裂紋和沉降觀測。定期進(jìn)行循環(huán)數(shù)據(jù)采集,形成分析數(shù)據(jù)表,以觀測變形速率和趨勢,確保基坑支護(hù)體系整體安全穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

鋼管與拉森鋼板樁組合深基坑支護(hù)施工技術(shù)[6]在滬通長江大橋陸域南引橋單建鐵路S42號墩上成功應(yīng)用,充分利用大直徑鋼管抗彎、井點降水砂層自密、拉森鋼板樁止水、內(nèi)支撐彎拉和軸壓力材料特性,形成組合式深基坑支護(hù)體系[7-8],大大提升體系的安全性能,且具有施工簡便快捷、材料周轉(zhuǎn)性高、場地需要小及機(jī)械配備簡單等優(yōu)點,該技術(shù)在毗鄰重要結(jié)構(gòu)物、偏壓構(gòu)造、深基坑及場地狹小的復(fù)雜環(huán)境下,優(yōu)勢突顯,經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。