某深基坑鋼板樁支護方案的設計探究

賀亮

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200231）

1 引言

近幾年，隨著國家基建工程的高速發(fā)展，深基坑工程作為重要的地下工程，得到了充分的應用。深基坑的施工方案設計、驗算[1]與位移監(jiān)測，對深基坑工程的實施起到了至關重要的作用。如何確保設計方案的可行性、安全性、經(jīng)濟性，是諸多工程人員研究的重要課題。本文通過對虞河特大橋深基坑方案進行工況設計并對施工過程中位移監(jiān)測進行布置設計，為以后類似工程深基坑的設計與施工提出有力經(jīng)驗參考。

2 工程概況

望虞河特大橋位于蘇州市常熟市海虞鎮(zhèn)境內，線路于DK224+658 里程處跨越204 國道，于DK224+658 里程處跨越204 國道。204 國道面寬約24.7 m，道路立交協(xié)議要求橋下凈寬21.5 m，既有道路凈空要求5.5 m，線路與204 國道夾角為150°，采用70 m+125 m+70 m 連續(xù)梁跨越204 國道。本連續(xù)梁DK224+519.000～DK224+613.524段位于直線上坡段，坡率為2.3‰，DK224+613.524～DK224+686.476 段位于半徑R=25 000 m 的豎曲線上，DK224+686.476～DK224+785.500 段位于直線下坡段，坡度為-0.618‰，線間距5 m。望虞河特大橋183#和184#承臺尺寸為14 m×17.8 m×4 m，承臺基坑采用鋼板樁圍護。

3 方案選擇

3.1 方案設計

根據(jù)實際情況，183#承臺處地面標高為+2.632 m，現(xiàn)狀為水泥路面，考慮現(xiàn)場平整場地后的實際情況，設計確定鋼板樁圍堰頂標高為+3.132 m，鋼板樁采用拉森Ⅳ型長18 m 的鋼板樁，鋼板樁底標高為-14.868 m，鋼板樁深度是9.870 m，基坑開挖深度是8.130 m。184#主墩地面標高為+2.400 m，設計預定鋼板樁圍堰頂?shù)臉烁邽?2.900 m，鋼板樁均采用拉森型長18 m 的鋼板樁，鋼板樁底標高為-15.100 m，鋼板樁入土深度為10.54 m，基底開挖深度6 m。

鋼板樁圍堰設計考慮的工藝[2]：鋼板樁插打合龍后進行基坑開挖，開挖過程中采用邊挖邊撐的方法，為了在開挖過程及底板施工過程中控制基坑的變形及位移，基坑設置2 道圍檁及內支撐，上層圍檁支撐設置于二級承臺頂面以上10 cm 處，使用雙拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mmH 型鋼，斜撐采用道雙拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mm 型鋼斜撐，內支撐采用2 道φ609 mm×10 mm鋼管。下層圍檁支撐設置于二級承臺以上20 cm 處，及使用三拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mm H 型鋼做為斜撐[3]?？紤]斜撐采取層拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mmH 型鋼斜撐，內支撐采用2 道φ609 mm×10 mm 鋼管[4]。開挖到支撐位置后必須盡快完成支撐安裝，然后方可繼續(xù)開挖，開挖至設計標高后，澆筑20 cm 厚墊層，然后進行承臺施工。承臺施工完成后，在承臺與鋼板樁之間利用良好干燥的原狀土進行回填，壓實合格后及時地拔鋼板樁。具體鋼板樁圍護設計布置形式如圖1、圖2 所示。

圖1 鋼板檁平面圖（單位：m）

圖2 鋼板樁面圖（單位：m）

3.2 工況設計

內力計算方用增量法，支護的安全等級為二級，支護結構的重要性系數(shù)取1.00?；由疃?.130 m。嵌固深度9.87 m，計算超載值為24.00 kPa，有效的寬度為2.50 m，距離基坑坑邊2.40 m[5]。鋼板樁分別深入黏性土、粉砂、黏性土3 層土質。內側降水隨開挖過程變化。在應力狀態(tài)下決定利用瑞典條非法計算其穩(wěn)定性。施工工況見表1。

表1 基坑施工工況

3.2.1 截面驗算

基坑內側的最大彎矩設計值為280.13 kN·m、基坑外側最大彎矩設計值為277.19 kN·m，最大剪力值為250.67 kN。

基坑內側的抗彎驗算結果為（沒有計算軸力影響）：

σwai=Mn/Wx=127.333 MPa＜f=215.000 MPa（規(guī)范允許值），驗算符合要求。

基坑外側抗彎驗算結果為（沒有計算軸力影響）：

σnei=Mw/Wx=125.997 MPa＜f=215.000 MPa，驗算符合要求。

式中，σwai為深基坑外側最大彎矩處的正應力，MPa；σnei為深基坑內側最大彎矩處的正應力，MPa；Mw為深基坑外側最大彎矩設計值，kN·m；Mn為深基坑內側最大彎矩計值，kN·m；Wx為鋼材x 對軸的凈截面模量，m3；f 為鋼材的抗彎強度設計值，MPa。

3.2.2 整體穩(wěn)定性驗算

計算方法采用應力狀態(tài)下瑞典條分法，條分法中的土條寬度取0.40 m。滑裂面數(shù)據(jù)：圓弧半徑R=11.855 m，圓心坐標（-2.336 m，0.115 m）。

整體穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.531＞1.30（規(guī)范值），滿足規(guī)范要求。

3.2.3 抗傾覆(對護底矩)穩(wěn)定性的驗算

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式：

式中，kov為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內支撐支點力，由內支撐的抗壓力大小決定，對于錨桿或者錨索，支點力為錨桿或者錨索的錨固力大小和抗拉力大小之間的最小值；Ma為主動土壓力對樁底的抗傾覆彎矩。

經(jīng)計算，工況1～工況5 的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別為：3.282、6.201、4.941、7.421、6.065。工況1 的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)最小，kov=3.282＞1.200（規(guī)范值），滿足規(guī)范要求。

3.2.4 嵌固深度構造驗算

根據(jù)公式：嵌固構造深度=嵌固構造深度系數(shù)×基坑深度，計算可得最小嵌固深度為1.626 m，嵌固深度的采用值為9.870 m＞1.626 m，滿足構造要求。

3.3 圍檁及內撐計算

3.3.1 圍檁及內斜撐強度計算

根據(jù)理正深基坑軟件可以計算出的最大支反力為：上層圍檁293.06 kN；下層圍檁923.11 kN。最大支撐間距為3 m，上層圍檁最大分布荷載293.06/3=97.7 kN/m，下層圍檁最大分布荷載為923.11/3=307.7 kN/m。采用Midas/Civil建立φ609 mm×10 mm螺旋鋼管內撐、三拼或雙拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mmH 型鋼圍檁組成的空間整體模型（見圖3、圖4）。構件均采用梁單元模擬[6]，φ609 mm×10 mm 螺旋鋼管采用235 鋼材，圍檁和斜撐采用345 鋼材。

圖3 上層圍檁模型

圖4 下層圍檁模型

計算結果：最大組合應力107.2 MPa＜310 MPa；最大剪應力47.8 MPa＜180 MPa；最大位移為8.00 mm＜11.00 mm，圍檁組合應力計算如圖5、圖6 所示，強度和剛足規(guī)要求。

圖5 上層圍檁組合應力

圖6 下層圍檁組合應力

3.3.2 圍檁及內撐穩(wěn)定性計算

上、下層圍檁一階屈曲模態(tài)如圖7、圖8 所示。

圖7 上層圍檁一階屈曲模態(tài)

圖8 下層圍檁一階屈曲模態(tài)

綜上所述，上層圍檁結構穩(wěn)定系數(shù)為14.0，大于4；下層圍檁結構穩(wěn)定系數(shù)為13.5，大于4，則鋼圍檁及鋼管內撐的穩(wěn)定性滿足要求。鋼板樁的剛度、強度及結構穩(wěn)定性符合施工藝設要求。

4 位移監(jiān)測要求

對體系支撐結構平位移、地下水、周邊地表豎向位移，采用現(xiàn)場儀器監(jiān)測與巡視檢查相結合的方法進行檢測。根據(jù)GB 50497—2009《建筑基坑支護技術規(guī)程》表8.04，累計變形取表中絕對值與相對基坑深度控制值的較小者。累計水平位移絕對值：一級基坑為25～30 mm，二級基坑為40～50 mm。水平位移相對基坑深度控制值：一級基坑為（0.2%～0.3%）h（h 為基坑深度），二級基坑為（0.5%～0.7%）h。累計豎向位移絕對值：一級基坑為10～20 mm，二級基坑為25～30 mm。豎向位相對基坑深度控制值：一級基坑為（0.1%～0.2%）h，二級基坑為（0.3%～0.5%）h。建立三級預警制度：當監(jiān)測項目的變化率達到規(guī)定值或連續(xù)3 d 超過該值的70%，現(xiàn)場施工班組長第一時間將工人撤離危險區(qū)域，按照應急預案采取相應的應急措施，增加圍檁或內部支撐或向圍堰內部注水。最終確定本文設計基坑的預警值詳見表2。

表2 望虞河特大橋跨204 國道連續(xù)梁主墩深基坑預警值

5 結語

本文通過對望虞河深基坑的鋼板樁設計驗算，決定采用拉森型鋼板樁，樁長18 m。其驗算結果滿足基坑整體穩(wěn)定性、基坑抗傾覆、嵌固深度要求、鋼板樁、圍檁和內斜度及剛度、鋼圍檁和內撐穩(wěn)定性滿足要求，可以作為現(xiàn)場施工參考依據(jù)。并建議項目部所提供支護方案和地質信息如有變化或與實際不符，應及時重新檢算。雨季施工時，應注意加強防水排水工作。施工中，對鋼板樁及鋼板樁內外土體的變形沉降等按規(guī)定進行。施工過程中，樁采用拉森Ⅵ型鋼板樁，運至工地后對鋼板樁的彎曲、破損及鎖口情況進行檢查、整修；鋼板樁在插打前在鎖口處涂以減磨劑，以減少插打時的摩阻力，并提高防滲性能。