深水坡面巖基礎施工方法

任毓堯

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海 200030）

1 施工前準備及要點

1.1 施工組織工作流程

施工準備→測量定位→制作導向框→插打鋼板樁→第一道鋼板樁圍囹制作安裝→清淤→封底→第一道圍囹縱橫向支撐加固→抽水→第二道鋼板樁圍囹制作安裝→第二道鋼板樁內支撐系統(tǒng)制作安裝→……→澆筑圍堰四周條形基礎→抽水→澆筑墊層→鋼筋綁扎→安裝模板→澆筑基礎混凝土→支撐體系轉換→拆除鋼板樁圍堰。

1.2 施工前準備工作

1.2.1 施工環(huán)境調查

根據(jù)工程具體位置，認真閱讀設計資料，將工程地點地質情況研究清楚，如河床傾斜情況、坡度有多大、施工范圍最大高差多大、從河床表層往下依次是什么地層、分布情況、有多厚、承載力情況等，粗略估算將來鋼板樁將插入哪個地層，覆蓋層到鋼板樁底有多深，結構物底部到鋼板樁底部有多深。掌握設計資料后到現(xiàn)場進行核查，查看現(xiàn)場實際情況是否與設計相符，進一步完善地質資料，必要時加密勘探地質孔，沿擬定圍堰四周按一定距離鉆取芯樣。同時，調查水文資料，施工地點水深和近段時間水流速度及變化規(guī)律，然后對比設計資料[1]。

1.2.2 鋼板樁圍堰設計及受力計算

根據(jù)水下基礎尺寸大小擬定圍堰尺寸，考慮到深水基礎不確定因素很多和特殊地質條件，例如覆蓋層薄、河床坡面傾斜度大等等，針對實際情況擬采取的具體措施，要預留足夠大的工作空間，根據(jù)情況預留1.5～3.0m，定出圍堰尺寸。

1.2.3 圍堰封底混凝土厚度計算

只有先計算出封底混凝土厚度，才能最終確定基坑的挖掘深度、封底混凝土厚度應根據(jù)《簡明施工計算手冊》計算。先應考慮到施工時的最壞情況，即在圍堰封底以后，圍堰內的水排干，封底素混凝土將受到可能的向上最大水壓力的作用，通常以此荷載（即地下水頭高度減去封底混凝土的重力）作為計算值。由于水下封底混凝土質量較普通混凝土差，并與各樁基連成一個整體，按簡支雙向板計算，承受均布荷載時，跨中M1、M2可按下式計算：

其中：

a1、a2——彎矩系數(shù)。

P——靜水壓力形成的荷載（KN/m2）。

l1——矩形板的計算寬度（取最小跨）（m）。

按簡支雙向板計算，選擇受力最不利的雙向板作為對象，計算公式：

式中：

h——封底混凝土厚度（mm）。

K——安全系數(shù)，按抗拉強度計算的受壓受彎構件，取2.65。

M——雙向板的最大彎矩（N . mm）。

b——雙向板的厚度。

fa——混凝土抗拉強度設計值。

D——考慮水下混凝土可能與圍堰底泥土摻混增加的厚度，一般取30~50cm。

將設計參數(shù)帶入計算出封底混凝土厚度。

1.2.4 鋼板樁入土深度計算

鋼板樁主要受水壓力（靜水壓力與動水壓力）及土壓力（外側為主動土壓力，內側為被動土壓力），為了簡化且偏于安全計算，只考慮不透水層土壓力，土壓力按朗金理論計算，主動土壓力應力計算：

p主=tan2（45o-ф/2）×（γ土h1+γ水h2）-2ctan（45o-ф/2）

式中：

ф——土層內摩擦角。

h1——鋼板樁的入土深度。

h2——水的深度。

c——土的粘聚力。

被動土壓力應力計算：

p被=tan2（45o+ф/2）×γ土h1+2ctan（45o+ф/2）

式中：

ф——土層內摩擦角。

h1——鋼板樁的入土深度。

c——土的粘聚力。

流水壓力計算：

P=khbγ水V2/(2g)

其中：

k——形狀系數(shù)，槽型鋼板樁圍堰取18~20。

h——水深（m），取最高水位計算。

b——寬度，取1m 為單位計算。

γ水——水的容重。

V——水流速度，s/m。

凈水壓強計算：

P=γ水h

按淺埋法計算鋼板樁入土深度，即鋼板樁外側主動土壓力及動、靜水壓力與鋼板樁內側被動土壓力對內支撐端點（即第一道圍囹）的力矩平衡來確定鋼板樁入土深度，被動土壓力考慮1.25 安全系數(shù)。對于河床是土質或沙質地層容易計算出來，若覆蓋層薄下面又是巖層，鋼板樁入土深度只能按到巖層頂部的深度，受力計算要考慮封底混凝土參與受力，驗算是否滿足受力要求。

1.2.5 鋼板樁長度及標高計算

鋼板樁頂要高出施工水位1m 以上，防止河流漲水淹沒圍堰。鋼板樁底標高為基礎底標高減去鋼板樁的埋深，鋼板樁頂標高減去底標高就待鋼板樁長度。

1.2.6 管涌安全系數(shù)計算

按《簡明施工計算手冊》，管涌安全系數(shù)：

K=（h+2h土）γ浮/(hγ水)≥1.5 時，則坑底安全，不會出現(xiàn)管涌現(xiàn)象

式中：

h——水頭差。

h土——鋼板樁入土深度。

γ浮——土的浮容重。

γ水——水容重。

1.2.7 鋼板樁內支撐受力驗算

本工法采用先封底后邊抽水邊做內部支撐，最不利工況是整個支撐系統(tǒng)做完圍堰內水全部抽完。事先根據(jù)圍堰的深度按一定間距設定幾道支撐，間距可以是等間距也可以是不等間距，求解幾道支撐受力情況，按多跨連續(xù)梁計算。運用結構力學求解出個圍囹支撐受力情況和鋼板樁所受的剪力和彎矩，驗算鋼板樁彎應力和剪應力是否在允許范圍及撓度大小內，需滿足受力要求。

圍囹支撐受均布荷載作用，按等跨連續(xù)梁查《路橋施工計算手冊》計算出圍囹最大剪力、彎矩以及各個中間橫向支撐桿受力情況，驗算圍囹是否滿足彎應力和剪應力及撓度要求。

中間支撐桿受自身重力和端部壓力作用，是一個彎壓構件，重力產(chǎn)生最大彎矩按公式計算：

Mmax=1/8×qL2

式中：

NEx——歐拉臨界力，為π2EI/L2。

фx——彎矩作用平面的軸心受壓構件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)λ=L/i=L/(I/A)1/2 ≤[λ]=100,查表得到。

W——截面抵抗矩。

βx——等效彎矩系數(shù)，取1.0。

Υx——W 相應的截面塑性發(fā)展系數(shù)，取1.05。

A——截面面積。

采用常規(guī)手算過程繁瑣，計算結果不直觀、全面，隨著科技提高、技術進步，用電腦采用大型有限元軟件處理，例如MADIScivil 建模計算，能夠準確掌握整個結構受力情況，最大應力出現(xiàn)在什么部位；也可隨時根據(jù)施工過程中不同工況進行受力計算。

2 施工流程

2.1 鋼板樁插打

鋼板樁的插打順序從水流的上游開始，這樣可以減少后面鋼板樁因水流阻力而導致的插打不便，且有利于鋼板樁的合攏，順水流兩側連續(xù)插打，直至下游處合攏。從第一塊角樁開始，在圍堰上下游一定距離及兩岸陸地設置兩臺經(jīng)緯儀從不同方向交匯觀測，開始插打的一、二塊鋼板樁的位置和方向應確保精確，以便起到導向樣板作用，每打入1m 應測量一次，檢查鋼板樁的位置及方向，且隨時糾偏，打至預定深度立即與圍囹支撐（也是導向框）電焊臨時固定，然后逐個插打至下游合攏。施工過程中必須保證鋼板樁的垂直度，及時用平臺上或岸上的儀器、垂球吊線檢查，以及人工掛倒鏈糾偏。插打時利用限位夾具準確定位使鋼板樁在插打過程中不左右偏移，插打完成鋼板樁穩(wěn)定后臨時與導向框聯(lián)接電焊，然后再插打其余的板樁。

合攏時應提前確定合攏位置，精確計算合攏段長度，滿足整樁寬度倍數(shù)。圍堰在合攏時，兩側鎖口不一定在一條直線上，左右偏移，合攏口上下大小不一，也不能滿足整樁寬度，因此在合攏前將合攏處5～7 片鋼板樁不打入河床設計位置，只需打入少許深度使之穩(wěn)定即可，用20t 倒鏈分別拉兩側鎖口，使之變大或變小，然后將板樁緩緩插入，再分塊打之，使之沉至設計位置，若用倒鏈調整仍不奏效用異形鋼板樁插打合攏。提前配置相應規(guī)格的異形鋼板樁，現(xiàn)場實測攏口的角度和尺寸，切割焊接異形鋼板樁，確保整個圍堰的密封性。合攏后，用振動錘將鋼板樁逐根全部復震一遍，然后將鋼板樁與圍囹型鋼焊接，使整個圍堰上部連接成整體[2]。

2.2 圍堰封底

在深水坡面巖上施工，覆蓋層比較薄，鋼板樁入土深度不大，并且樁底高低不一，再加上巖層面高低起伏或有孤石、裂隙、溶槽、溶洞，很容易涌水，不能采用常規(guī)的施工順序，基坑支撐施工與基坑降水或基坑清泥交替進行，即“先支撐后抽水、挖泥，分層支撐分層抽水、挖泥”。

巖面上一般是淤泥和沉淀固結層，固結層非常的硬，開始就采用抽或吸的方法不能將圍堰內的固結土清除到設計標高，可采用抓泥斗下水抓泥。用吊車在平臺上或浮船上起吊抓斗抓泥，泥土丟放在圍堰外覆蓋層薄的地方。從一邊斗斗緊挨，重疊，不留間隙，S 折回直至清理完畢。施工過程中派潛水員下水摸排清理情況，發(fā)現(xiàn)有漏挖的部位立即補挖。抓斗不能將圍堰內的泥土清理干凈，遺留一層松散的泥土，此時用大功率的沙石泵在出水口端連接φ150mm 鍍鋅鋼管伸出水面，彎折一定長度再連接5m 左右白色加筋塑料管，以便于觀測抽淤情況，將泥沙排除圍堰；進水端連接8m 左右加筋塑料管，尾部連接用鋼板焊接的簸箕，潛水員潛入水底，拿著簸箕像掃地一樣抽取底部泥沙。在挖泥和抽泥過程中，技術人員用測繩探測標高，滿足最小封底砼厚度。

泥沙抽取干凈后派潛水員摸排圍堰內清淤情況，特別是鋼板樁和鋼護筒四周清淤，不能留泥沙隔離層，對清淤不徹底地方再次清理，直至全圍堰內滿足封底砼厚度[3]。

水下灌注封底砼采用導管法，采用一副導管，上口接料斗用吊車吊住，下口插入水中距離河床底20cm，料斗底部用鋼板蓋住，用砼泵車將砼泵入料斗，當料斗將滿時吊車小鉤快速起吊蓋板，混凝土迅速進入導管，灌注一定范圍派潛水員下水摸排灌注情況，對灌注欠佳的位置補澆，達到規(guī)定標高后停止，進行下一點的灌注，直至灌注完畢。在封底前對一些認為地質情況不好的位置插入側壁鉆有φ50mm 注漿孔的導管，伸出水面，以便封底混凝土后注漿堵漏。當封底混凝土達到2MPa 以上，根據(jù)圍堰封底混凝土厚度情況，必要時在圍堰四周水下立模板。

2.3 作圍堰內支撐系統(tǒng)

當封底混凝土達到強度要求繼續(xù)做圍堰內支撐，第一道圍囹提前做完，根據(jù)設計位置焊接角斜撐、縱橫向支撐，圍囹型鋼和內支撐接頭部位用三角加勁鋼板焊接，同時加強焊縫質量檢查。第一道圍囹支撐系統(tǒng)做完開始抽水，在剛開始抽水時加大抽水量，采用2.2KW 水泵4 臺同時抽水。抽水至第二道圍囹位置下30cm，開始制作第二道圍囹支撐系統(tǒng)，按照設計標高，在鋼板樁圍堰的每個側面用3 個厚15mm 的鋼板制成的40×40cm 三角形牛腿焊接在鋼板樁上，作為圍囹的臨時支撐結構，并安裝圍囹型鋼并焊接，角斜支撐和縱橫向支撐按第一道圍囹支撐系統(tǒng)方法加固，再進行抽水和焊接，直至所有圍囹支撐系統(tǒng)做完為止。

圍囹及內支撐系統(tǒng)安裝完畢抽水至封底混凝土面，在抽水過程中密切觀察水位變化，如出現(xiàn)漏水，找到漏水點，將漏水處封堵完再繼續(xù)抽水。抽水至封底混凝土面，少量滲水沿圍堰四周開鑿的小槽流入低洼處用水泵抽出圍堰外，保證基礎施工在無水的環(huán)境中，按正常施工進行。

3 結語

本文對深水坡面巖基礎進行了探討，但施工時需要專業(yè)鋼結構廠家加工成型，生產(chǎn)廠家較少，選擇面窄，產(chǎn)品運輸距離遠；圍堰耗鋼量大，造價高；施工條件高，河床底平整；整體拼裝一次下沉，起吊設備多，協(xié)同作業(yè)，整體沉放施工難度大，因此在實際施工時還需加強質量管理。