珠三角濱海地區(qū)橋梁承臺(tái)支護(hù)結(jié)構(gòu)若干技術(shù)問題的分析與探討

張 濤

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

珠江三角洲地區(qū)表面軟土層深厚，一般為第四紀(jì)淤積土，其具有高含水率、高壓縮性、低滲透性、低承載力等特點(diǎn)[1],是一種高靈敏性的土，當(dāng)受到擾動(dòng)時(shí)，其強(qiáng)度迅速降低。軟土的力學(xué)特性造成了在深厚軟土地基上進(jìn)行基坑的設(shè)計(jì)和施工難度大、造價(jià)高、易發(fā)生工程事故。廣州、深圳和珠海是珠江入?？诘牡湫统鞘校滠浲恋奶匦跃哂写硇?，表1是廣州、深圳、珠海地區(qū)軟土力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)。

表1 珠江三角洲典型區(qū)域軟土力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)[2-4]

隨著大灣區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)劃，在珠江口需要修建大量的橋梁連接珠江口東岸與西岸。珠江三角洲濱海地區(qū)表層淤積層強(qiáng)度低、厚度大，在進(jìn)行橋梁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工時(shí)所需考慮的因素較多，也較為復(fù)雜。在該地區(qū)的基坑支護(hù)中常常由于設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化等因素造成支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大、失穩(wěn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)局部破壞等事故時(shí)有發(fā)生。

1 濱海地區(qū)地基上常見橋梁承臺(tái)圍堰支護(hù)形式

由于珠江三角洲濱海和淺海區(qū)域大量的橋梁承臺(tái)基坑存在地表潛水或位于淤泥吹填區(qū)范圍內(nèi)，因施工條件和地質(zhì)條件所限，放坡、土釘墻、水泥攪拌樁懸臂支護(hù)等支護(hù)形式往往難于實(shí)施且經(jīng)濟(jì)性較差?？紤]到橋梁承臺(tái)施工的安全、便捷和經(jīng)濟(jì)性，目前在國(guó)內(nèi)外常選擇以可進(jìn)行垂直開挖土層的支護(hù)形式為主，主要有：鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、雙壁鋼圍堰和鋼吊箱等支護(hù)形式(圖1)。

由于軟土層的特性，在深厚軟土中采用拉錨式支撐較難得到足夠的錨固力，以限制基坑支護(hù)的變形，因此多采用內(nèi)撐式的支護(hù)形式。

圖1 軟土地基上橋梁施工常用的基坑支護(hù)形式

2 軟土地基上橋梁承臺(tái)基坑支護(hù)常見的破壞和失穩(wěn)形式

位于濱海區(qū)的橋梁承臺(tái)基坑往往受到潮汐的影響，水位隨時(shí)間的變化較大。當(dāng)采用鋼板樁圍堰和鋼管樁圍堰，由于勘察、設(shè)計(jì)、施工的誤差，在基坑開挖和施工過程中，常存在圍堰體沉降、變形過大侵入承臺(tái)，鋼板樁和鋼管樁樁體或連接部位局部破損導(dǎo)致涌水、圍堰整體或局部失穩(wěn)等情況。軟土地基上橋梁承臺(tái)圍堰失穩(wěn)破壞的主要類型如圖2所示。

圖2 軟土地基上橋梁承臺(tái)圍堰失穩(wěn)破壞的主要類型

3 深厚軟土地基上橋梁承臺(tái)基坑支護(hù)插入深度的確定

3.1 基坑支護(hù)插入深度的確定方法[5]

對(duì)于懸臂支護(hù)和單一支撐的支護(hù)的插入深度常用等值梁法確定，對(duì)于多層支撐支護(hù)的插入深度常用等值梁法或盾恩近似法確定。以上方法均是采用力的極限平衡原理所推導(dǎo)出來的，未考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

珠三角濱海區(qū)域表層淤積土通常為淤泥或淤泥質(zhì)土，其飽和度接近100%，強(qiáng)度指標(biāo)較差，具有觸變性和高靈敏性。表層淤泥受到擾動(dòng)后，強(qiáng)度急劇下降，淤泥的內(nèi)摩擦角近似于零，作用于支護(hù)上的主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力均接近于淤泥土的豎向應(yīng)力。對(duì)于表層淤泥土層深厚地質(zhì)條件下的橋梁承臺(tái)支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開挖后主動(dòng)土壓力大，被動(dòng)土壓力不足，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性，可采用平面地基梁法和空間地基梁法(即m法)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2 基底墊層施工方法對(duì)橋梁承臺(tái)基坑支護(hù)埋入深度的影響

對(duì)處于濱海軟土地基上的基坑，由于軟土的蠕變性，當(dāng)基坑開挖到位后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行墊層的施工。橋梁承臺(tái)基坑常用的基底墊層施工方法有排水封底法和水下封底法。

排水封底法需要基坑開挖到坑底后排干基坑內(nèi)的水進(jìn)行封底混凝土的澆筑。對(duì)于多層內(nèi)撐支護(hù)的結(jié)構(gòu)，底層支護(hù)距離坑底的距離越小，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性越有利。對(duì)用于橋梁承臺(tái)施工的基坑，通?？紤]到內(nèi)撐的設(shè)置不干擾承臺(tái)的施工，采用排水封底法，基坑開挖到坑底排干基坑內(nèi)的水未進(jìn)行混凝土的工況往往是控制支護(hù)結(jié)構(gòu)埋深的工況。

水下封底法是水下開挖至基坑坑底后，采用水下澆筑混凝土墊層，混凝土墊層形成強(qiáng)度后再抽干坑內(nèi)水分的施工方法。對(duì)于存在較深潛水的橋梁承臺(tái)基坑，基坑開挖施工過程可通過圍堰內(nèi)外的水位差來保證圍堰的穩(wěn)定性。水下進(jìn)行封底混凝土后，封底混凝土在坑底形成對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向支撐，可有效地限制支護(hù)樁體的位移。混凝土的自重及與支護(hù)樁體的粘結(jié)力限制了坑內(nèi)土體的隆起。相較于排水封底法，通常水下封底法可用較淺的支護(hù)埋深滿足橋梁承臺(tái)基坑的使用要求。

4 珠三角地區(qū)含深厚軟土橋梁承臺(tái)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工需注意的問題

珠江三角洲地區(qū)含深厚軟土區(qū)橋梁承臺(tái)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工時(shí)，往往會(huì)忽視軟土的特性以及淺海區(qū)環(huán)境的變化等一系列問題，易出現(xiàn)基坑失穩(wěn)、變形過大等事故。

“老婆，咱們終于發(fā)達(dá)了！”他一邊說，還一邊打著嗝，隔老遠(yuǎn)都能聞到酒味，不一會(huì)兒酒味就充斥了整個(gè)屋子。看到他滿臉潮紅，我心里有說不出的滋味。

(1)注意土的力學(xué)參數(shù)的選擇。在橋梁工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員往往選取勘察資料中對(duì)應(yīng)承臺(tái)樁位處土層的力學(xué)指標(biāo)作為設(shè)計(jì)參數(shù)。在存在深厚軟土的珠江三角洲地區(qū)進(jìn)行橋梁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意勘察資料中取得力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)方法，需考慮施工擾動(dòng)、水位變化等對(duì)軟土層力學(xué)參數(shù)的影響。

(2)注意內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)。在深厚軟土中，支護(hù)結(jié)構(gòu)常常因基坑內(nèi)土體的被動(dòng)土壓力不足而引起坑內(nèi)土體隆起，踢腳內(nèi)移，使得第一道內(nèi)支撐處于受拉的狀況。在基坑內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)中需考慮到這種狀況，采用基坑尺寸較大或者溫差較大時(shí)，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)需考慮溫度應(yīng)力的影響，并需加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

(3)注意考慮支護(hù)沉降帶來的風(fēng)險(xiǎn)。軟土地基承載力低、壓縮性大，對(duì)于鋼板樁和鋼管樁圍堰，支護(hù)樁易產(chǎn)生不均勻沉降，對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

(4)注意施工過程中臨時(shí)荷載和環(huán)境變化對(duì)基坑安全性的影響。在淺海軟土區(qū)進(jìn)行基坑開挖施工，基坑周邊情況的變化往往可能較大地影響到基坑的安全性。基坑在施工過程中周邊情況的變化容易被忽略，在基坑開挖過程中，施工機(jī)械、臨時(shí)道路、開挖土體的堆放等都直接關(guān)系到基坑的安全性，因此，在設(shè)計(jì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮基坑開挖各工況下周邊情況對(duì)基坑安全的影響。

(5)注意施工過程的控制。應(yīng)嚴(yán)格控制支護(hù)的施工質(zhì)量，如進(jìn)行鋼板樁、鋼管樁的插打時(shí)需保證鋼板樁和鋼管樁的質(zhì)量，基坑開挖應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的施工順序進(jìn)行開挖和降水，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)和封底的施工，必要時(shí)應(yīng)考慮軟土的蠕變效應(yīng)等。

5 珠海市洪鶴大橋承臺(tái)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工

5.1 工程概況

珠海市洪鶴大橋位于廣東省珠海市珠江出海口西江流域，地貌單元屬海陸交互相，地形平坦開闊，現(xiàn)狀多為魚塘、圍堰區(qū)、海域及種植用地，地面高程介于-6.95～4.09m，各大水域水深0.40～9.10m。

洪鶴大橋由洪灣東引橋、洪灣水道主航道橋、磨刀門水道主航道橋、磨刀門水道輔航道橋、磨刀門非通航孔橋、鶴州南引橋等橋梁組成，其中洪灣水道主航道橋與磨刀門水道主航道橋?yàn)殡p塔雙索面半懸浮式疊合梁斜拉橋，其跨徑組合均為73m+162m+500m+162m+73m。磨刀門水道輔航道橋?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu)橋，磨刀門非通航孔橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力懸拼節(jié)段連續(xù)梁，其他橋梁均為橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力小箱梁。其中3#、4#、8#、9#墩為兩座主橋索塔墩，3#墩位于吹填區(qū)，4#、8#墩位于淺水區(qū)，9#墩位于深水區(qū)。

5.2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)狀況及支護(hù)形式的選擇

陸上承臺(tái)及淺水區(qū)域由于基坑所需開挖深度不大，均采用鋼板樁圍堰作為支護(hù)。隨著水深的不斷增大，為滿足承臺(tái)圍堰在最不利狀況下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求，根據(jù)水深和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用鋼板樁圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰和整體鋼圍堰。3#、4#、8#墩均采用鋼板樁圍堰，其中3#墩位于淤泥吹填區(qū)，8#墩位于淺水區(qū)，3#、8#墩均采用筑島鋼板樁圍堰。9#墩水頭差大，采用雙壁鋼圍堰。對(duì)于輔航道橋等墩當(dāng)水頭大于9.5m時(shí)，考慮到水頭高、地質(zhì)條件差、鋼板樁圍堰施工風(fēng)險(xiǎn)大，采用鎖口鋼管樁圍堰進(jìn)行施工。鋼管樁圍堰的鎖扣形式采用T-C型。

5.3 洪鶴大橋4#墩承臺(tái)圍堰的設(shè)計(jì)

洪鶴大橋的地理位置處于含深厚軟土的珠江三角洲珠江入?？凇榱私榻B該地區(qū)橋梁基坑的設(shè)計(jì)與施工，本文選取采用拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰的4#墩圍堰為例。

洪鶴大橋4#號(hào)墩承臺(tái)為洪灣水道主航道橋主塔承臺(tái)，尺寸為42.1m×22.6m×6.5m。承臺(tái)基礎(chǔ)為24根φ2.8m鉆孔灌注嵌巖樁，采用搭設(shè)水上鉆孔樁平臺(tái)、埋置鋼護(hù)筒的方式進(jìn)行樁基施工。承臺(tái)分兩次澆筑，第一次澆筑3.5m，第二次澆筑3m。4#墩承臺(tái)底標(biāo)高為-9.0m，根據(jù)勘探報(bào)告和區(qū)域水位歷史資料，波浪水位以20年一遇考慮，設(shè)計(jì)施工水位為2.2m，施工考慮水深13.2m。

表2 4#墩承臺(tái)處巖土參數(shù)

根據(jù)4#墩所處位置的地質(zhì)狀況，表層的淤泥層和淤泥質(zhì)較厚，采用水下封底法可有效地減少鋼板樁的插入深度。

(1)進(jìn)行鋼板樁插打前的施工準(zhǔn)備并拆除承臺(tái)圍堰范圍內(nèi)的鉆孔平臺(tái)。

(2)對(duì)部分施工樁基的鋼護(hù)筒進(jìn)行接高，在接高護(hù)筒上焊接臨時(shí)牛腿并安裝吊掛系統(tǒng)。

(3)拼裝內(nèi)支撐，利用吊掛系統(tǒng)下放內(nèi)支撐并利用內(nèi)撐系統(tǒng)為導(dǎo)向插打鋼板樁。

(4)對(duì)圍堰內(nèi)的淤泥進(jìn)行吸泥或挖泥，達(dá)到指定標(biāo)高后進(jìn)行水下封底混凝土的澆注。

(5)當(dāng)水下封底混凝土形成強(qiáng)度后，抽圍堰內(nèi)的水至內(nèi)支撐可進(jìn)行固定施工的標(biāo)高處，進(jìn)行內(nèi)支撐的固定。

(6)抽干基坑內(nèi)的水，進(jìn)行承臺(tái)施工。

為了使基坑在開挖和降水的過程中位移較小，布置內(nèi)支撐時(shí)盡量使最下一道支撐靠近底部?？紤]到施工的便捷性和經(jīng)濟(jì)性，避免在施工承臺(tái)的過程中進(jìn)行內(nèi)支撐的拆除，將最下一道內(nèi)支撐設(shè)置在承臺(tái)頂面并預(yù)留必要的施工間隙?；谠摮信_(tái)圍堰的使用要求，對(duì)圍護(hù)頂?shù)淖冃我蟛桓?，則考慮只設(shè)置一道內(nèi)支撐。鋼板樁考慮插入淤泥質(zhì)土層中，鋼板樁長(zhǎng)24m，圍堰平面尺寸45.6m×25.2m。圍堰頂標(biāo)高為+3.22m，封底混凝土厚為2.8m，采用水下C30混凝土封底?；A(chǔ)施工設(shè)計(jì)水位為+2.220m。圈梁采用型鋼3HN800×300，正交對(duì)接為等強(qiáng)坡口焊接；內(nèi)支撐采用φ1000×12的鋼管，采用螺栓與圈梁進(jìn)行連接。

圖3 鋼板樁圍堰平面

圖4 鋼板樁圍堰立面

確定了鋼板樁圍堰的施工工序，按照4#墩施工過程的各工況，采用平面地基梁法進(jìn)行鋼板樁插入深度穩(wěn)定性、變形及強(qiáng)度的驗(yàn)算。

表3 鋼板樁驗(yàn)算工況

根據(jù)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，圍堰土壓力采用土彈簧法模擬計(jì)算，內(nèi)支撐采用只受壓彈性連接模擬，取每延米建立有限元模型，其中工況三、工況四封底混凝土強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，不需對(duì)鋼板樁的插入深度進(jìn)行驗(yàn)算。各工況驗(yàn)算結(jié)果見表4。

表4 圍堰各工況下驗(yàn)算結(jié)果

6 結(jié)語

珠江三角洲地區(qū)存在深厚的淤積土，其具有高含水率、高壓縮性、低滲透性、低承載力、高靈敏性等特點(diǎn)。本文對(duì)珠江三角洲地區(qū)含深厚軟土橋梁承臺(tái)圍堰的設(shè)計(jì)和施工的若干技術(shù)問題進(jìn)行了分析和討論，以珠海市洪鶴大橋?yàn)槔榻B了在珠江三角洲地區(qū)含深厚軟土橋梁承臺(tái)圍堰設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的問題。

(1)在存在深厚軟土的珠江三角洲地區(qū)進(jìn)行圍堰設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)充分重視環(huán)境變化對(duì)軟土力學(xué)參數(shù)的影響，對(duì)軟土的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減。

(2)橋梁圍堰設(shè)計(jì)應(yīng)重視施工工序的設(shè)計(jì)，合理的施工工序可有效地降低施工成本。

(3)在深厚軟土層上的橋梁基坑需考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形時(shí)，可采用平面地基梁法和空間地基梁法(m法)。

(4)在深厚軟土層上的橋梁基坑，當(dāng)采用鋼板樁圍堰或鋼管樁圍堰且圍堰樁體未插入堅(jiān)硬土層的，需重視不均勻沉降對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響。