拉森鋼板樁在橋梁工程中的應(yīng)用

楊 東 張寶周 魏 君

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070)

1 工程概況

本項(xiàng)目為沿黃高速公路武陟至濟(jì)源段，是高速公路“13445 工程”第一批切塊項(xiàng)目，路線全長約100.131km，本項(xiàng)目位于溫縣境28.411 公里。本工程采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)速度120 公里/小時(shí)，雙向六車道，路基寬度34.5m。

本項(xiàng)目為沿黃高速武陟至濟(jì)源段YHSG-3 標(biāo)段，主要工程內(nèi)容包括：路基填方711.2 萬m3，瀝青混凝土路面620.03 千m2，南水北調(diào)特大橋1268m/1 座，設(shè)互通式立交3 處（其中樞紐互通1 處、服務(wù)型互通2 處），服務(wù)區(qū)1 處，養(yǎng)護(hù)工區(qū)1 處。

南水北大橋里程樁K56+311.40～K57+579.400，全長1268m[4×30+4×30+5×30+3×40+3×30+（80+140+80）+4×30+4×30+3×40]。第1 到第5 聯(lián)、第7 到第9 聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，第6 聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，承臺(tái)平面尺寸14m×14m，厚度4.0m。施工時(shí)采用拉森鋼板樁對(duì)承臺(tái)施工基坑進(jìn)行支護(hù)，雙幅承臺(tái)距離較近，考慮進(jìn)行共同支護(hù)。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)情況

跨總干渠處屬黃河沖擊平原區(qū)，平坦、開闊，北高南低、西高東低。高程105.0m 左右。出露地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)，巖性主要為粉土、黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等。

2.2 水文情況

橋址地下水類型為松散巖類孔隙水，地下水位埋藏較深，勘察期間地下水埋深多在14.6～18.1m（88.0m～89.8m），由東向西地下水埋藏深度呈減小趨勢，南水北調(diào)干渠東側(cè)水位略高于西側(cè)，地下水變幅在3～10m 之間。

3 施工方案

3.1 施工方案的分析和選擇

本工程17#、18#橋墩承臺(tái)位于南水北調(diào)干渠東西兩側(cè)，跨度140m?；娱_挖深度4.5m，長度35.6m，寬度18m。

目前比較常見的支護(hù)形式有自然放坡、土釘墻支護(hù)、懸臂樁+樁間噴錨支護(hù)、型鋼水泥土攪拌墻支護(hù)、重力式水泥土墻支護(hù)、拉森鋼板樁+內(nèi)支撐支護(hù)。

（1）自然放坡適用于地下水位以上，施工作業(yè)面大，周圍無重要建筑物的工程。自然放坡具有施工簡單、工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是開挖范圍較大，常用于地上水位以上的二級(jí)、三級(jí)基坑，基坑開挖土方量較多，后期土方回填量多。由于承臺(tái)臨近南水北調(diào)干渠，開挖范圍過大容易對(duì)干渠現(xiàn)有土層造成擾動(dòng)，現(xiàn)場場地緊張，堆土范圍有限，自然放坡不適用本項(xiàng)目。

（2）土釘墻支護(hù)適用于二級(jí)、三級(jí)基坑支護(hù)。工程造價(jià)比自然放坡要高，土方開挖量較自然放坡小。土釘墻支護(hù)施工工藝簡單，施工周期短，但施工現(xiàn)場臨近南水北調(diào)干渠，為屬于一級(jí)水源，對(duì)環(huán)境保護(hù)及水資源防護(hù)要求非常高。施工時(shí)現(xiàn)場需要存放水泥及砂石料，拌和混凝土?xí)r水泥揚(yáng)塵比較大，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染，因此此支護(hù)方案也不適用于本項(xiàng)目。

（3）懸臂樁+樁間噴錨支護(hù)，適用于淺基坑，施工比較復(fù)雜，施工工期較長，造價(jià)高于自然放坡及土釘墻支護(hù)，樁間噴錨時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的污染，故本項(xiàng)目不考慮。

（4）型鋼水泥土攪拌墻支護(hù)，利用鉆機(jī)攪拌形成連續(xù)水泥土體，然后在水泥土體中插入H 型鋼，具有良好的抗?jié)B性及良好的側(cè)向抗壓力，是一種復(fù)合型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；踊靥钔瓿珊?，可拔出型鋼重復(fù)利用，從而降低了工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)性較好。拔除型鋼后的空隙，一般采用水泥砂漿填筑。型鋼水泥土攪拌墻攪拌時(shí)水泥漿的控制將是一個(gè)難點(diǎn)，由于施工場地靠近一級(jí)水源，對(duì)環(huán)境保護(hù)要求比較高，攪拌時(shí)水泥漿會(huì)對(duì)淺層地下水硬度造成影響，綜上所述本工程不采用此支護(hù)方案。

（5）重力式水泥土墻支護(hù)，是通過鉆機(jī)將水泥與土按設(shè)計(jì)比例進(jìn)行混合攪拌，最終形成一種圓柱狀的水泥加固土體。依靠自身重力而構(gòu)成的支護(hù)結(jié)構(gòu)。其側(cè)向剛度比型鋼水泥土攪拌墻小，主要運(yùn)用在淤泥質(zhì)土、深度不宜大于7m 的基坑。一般采用雙軸或三軸攪拌樁或高壓旋噴樁等，其特點(diǎn)是易于取材、施工方便、收效快等。重力式水泥土墻攪拌時(shí)水泥漿的控制將是一個(gè)難點(diǎn)，由于施工場地靠近一級(jí)水源，對(duì)環(huán)境保護(hù)要求比較高，攪拌時(shí)水泥漿會(huì)對(duì)淺層地下水硬度造成影響，綜上所述本工程不采用此支護(hù)方案。

（6）拉森鋼板樁+內(nèi)支撐支護(hù)在橋承臺(tái)施工中是一種比較常見的支護(hù)方式，施工簡單、施工組織快、工期短，具有隔水的功能，基坑開挖范圍小，土方回填量小，土方回填后，鋼板樁可以拆除重復(fù)使用，回收率高，是一種比較經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式。施工主料為鋼板，施工時(shí)不會(huì)對(duì)水質(zhì)環(huán)境造成污染。

綜上因素考慮，最終確定采用拉森鋼板樁+內(nèi)支撐支護(hù)的方式進(jìn)行17#、18#承臺(tái)的基坑支護(hù)（見圖1）。本工程采用靜壓法施工，目的是減小施工時(shí)對(duì)南水北調(diào)總干渠土體的擾動(dòng)。靜壓法是利用樁機(jī)自重與配重（大小根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算確定）之和作為作用力，克服壓樁過程中樁身周圍的側(cè)摩擦阻及樁端阻力，將樁壓入土中的一種施工工藝。與振動(dòng)沉樁相對(duì)比，其具有無噪音、無振動(dòng)等特點(diǎn)。在靜壓的同時(shí)便可測出單樁承載力數(shù)值，不需要單獨(dú)再做承載力測試。本工程采用理正深基坑及有限元分析軟件Midas Civil 進(jìn)行模擬計(jì)算，樁長12m，嵌固6m，經(jīng)驗(yàn)算整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks＝2.172＞1.30，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算Kov＝1.447＞1.200,抗隆起驗(yàn)算Ks＝3.716＞1.60，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。圍檁及斜撐均采用2-I40b 工字鋼，橫撐采用φ630×10mm 鋼管，圍檁組合應(yīng)力smax＝63.6MPa＜215MPa，強(qiáng)度滿足要求。最大位移f＝15.641mm＜16860/400＝42.15mm，滿足要求。經(jīng)計(jì)算可知，基坑支護(hù)滿足規(guī)范要求。

圖1 基坑支護(hù)示意圖

3.2 地下水控制方案

地下水埋深多在14.6～18.1m，水位較低在橋臺(tái)施工可不考慮進(jìn)行降水。對(duì)于基坑內(nèi)部積水采用明溝排水，在四個(gè)角落挖四4 個(gè)0.8m×0.8m×1m 集水坑，布置4 臺(tái)泥漿泵，及時(shí)將基坑積水排除，保障基礎(chǔ)承臺(tái)施工不受影響。

3.3 關(guān)鍵施工工藝及重難點(diǎn)分析

3.3.1 工藝流程

清表、場地平整→測量定位放線→鉆機(jī)就位→鋼板樁施工→第一步土方開挖→安裝圍檁、斜撐、橫撐→第二步土方開挖→人工清槽、破除樁頭→承臺(tái)施工→土方分層壓實(shí)回填→拆除圍檁、斜撐、橫撐→拔除鋼板樁

3.3.2 施工要點(diǎn)分析

本工程基坑等級(jí)為二級(jí)，在基坑開挖上口線1.5m 的位置四周安裝鋼管護(hù)欄及阻燃型安全網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。在主要路口及基坑周邊設(shè)置安全標(biāo)識(shí)標(biāo)牌，基坑內(nèi)設(shè)置2 道上下人鋼結(jié)構(gòu)通道，確保施工作業(yè)人員進(jìn)出安全。由于拉伸鋼板樁高出地面50cm，可以有效阻擋地面水進(jìn)入基坑，故不再單獨(dú)設(shè)計(jì)截水溝。

靜壓鋼板樁施工第一根樁時(shí)，需根據(jù)土層參數(shù)及樁自身重量配置反重力塊。利用總重量與反重力塊相互結(jié)合使用，總重量作為反向力將第一根樁壓入土體。當(dāng)機(jī)身完全移動(dòng)到反力樁上時(shí)，前期的反重力塊即可拆除，初期壓入完成。施工時(shí)注意控制樁頂標(biāo)高，達(dá)到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后，進(jìn)行下一根樁的施工作業(yè)。

3.3.3 基坑開挖及鋼板樁支護(hù)系統(tǒng)施工

鋼板樁施工完成后，土方開挖1.5m 后，利用30t 汽車吊吊裝圍檁和內(nèi)部支撐；采用焊接連接圍檁和內(nèi)部支撐。圍檁及斜撐采用雙拼40b 工字鋼，四個(gè)角分別設(shè)置兩道雙拼40b 工字鋼斜撐，夾角為45°；中間橫撐采用φ630×10mm 鋼管，兩邊上下各設(shè)置一道雙拼40b 工字鋼斜撐，夾角45°。第一步支撐施工完成檢查合格后，立即開始進(jìn)行第二步土方開挖，開挖時(shí)采用機(jī)械開挖為主，人工配合為輔的方式進(jìn)行開挖，避免開挖時(shí)挖掘機(jī)觸碰到斜撐及橫撐鋼管，靠近鋼板樁處的表土采用人工清理，禁止用挖掘機(jī)挖斗與鋼板樁側(cè)壁直接接觸開挖。在開挖過程中還應(yīng)控制開挖的速度，開挖過快影響基坑邊緣處的動(dòng)載荷?；觾?nèi)土方開挖嚴(yán)格按照分層開挖原則，基底留30cm 采用人工清槽，破除樁頭，清理基底進(jìn)行人工找平，澆筑砼墊層。進(jìn)行承臺(tái)施工，承臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始進(jìn)行土方回填，分層壓實(shí)，回填至承臺(tái)頂面標(biāo)高后，拆除內(nèi)部支撐，拔除鋼板樁[1-5]。

4 基坑監(jiān)測

4.1 監(jiān)測目的

監(jiān)測目的是通過對(duì)基坑監(jiān)測觀察土體變形對(duì)防護(hù)堤的影響程度，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，保證施工周邊環(huán)境安全。

4.2 基坑等級(jí)及變形監(jiān)控值

根據(jù)規(guī)范規(guī)定本基坑屬于二級(jí)基坑，基坑周圍地面最大沉降監(jiān)控值為60mm。

4.3 基準(zhǔn)點(diǎn)的布置

基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置以每座橋?yàn)橐粋€(gè)工作面，設(shè)置3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，工作基點(diǎn)選擇在基坑深度2 倍以外的穩(wěn)定場地上，并在首次沉降觀測之前一個(gè)月埋設(shè)好，并做好相應(yīng)的保護(hù)。

4.4 監(jiān)測點(diǎn)布置及監(jiān)測和預(yù)警要求

4.4.1 監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)原則

監(jiān)測基點(diǎn)斷面設(shè)在坑邊中部、陽角處或其他有代表性的部位，并與坑邊垂直，每個(gè)主斷面不少于2 個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)位置離基坑邊緣垂直距離為2m。每個(gè)承臺(tái)周圍布置合計(jì)8 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

4.4.2 監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)時(shí)間及監(jiān)測頻率

監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)在承臺(tái)基坑開挖前一周布設(shè)?；娱_挖期間，監(jiān)測頻率采用4 次/1d，按國家二等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求施測。

4.4.3 預(yù)警

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》二級(jí)基坑監(jiān)測報(bào)警值為60mm，變化速率為4～6mm/d。出現(xiàn)規(guī)范要求報(bào)警情況時(shí)，必須立即報(bào)警；若情況比較嚴(yán)重，應(yīng)立即停止施工，并對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊的保護(hù)對(duì)象采取應(yīng)急措施。

5 結(jié)束語

在進(jìn)行施工工藝選擇時(shí)，需要從工程建設(shè)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性、環(huán)保性等方面進(jìn)行選擇。合理選擇基坑支護(hù)方案，控制好基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)力與周圍環(huán)境的變形關(guān)系。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)比分析不同基坑支護(hù)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇靜壓法施工拉森鋼板，其特點(diǎn)包括施工占用空間小，土方回填量小，施工工期短、經(jīng)濟(jì)性高，重復(fù)使用率高，節(jié)約資源，節(jié)省投資。鋼板樁相對(duì)其他工藝對(duì)周圍環(huán)境影響較小，現(xiàn)場整潔，有利保證水渠的水不受污染。在施工時(shí)做好基坑周邊的監(jiān)測，做到科學(xué)合理、精細(xì)化施工。及時(shí)將現(xiàn)場的各項(xiàng)觀測數(shù)據(jù)等反饋設(shè)計(jì)，不斷地修正完善設(shè)計(jì)參數(shù)，以及時(shí)解決現(xiàn)場出現(xiàn)的突發(fā)問題，真正地做到信息化施工。