近堤深水承臺施工支護體系的設計與受力研究

劉鴿，黃修平，庾焱秋，江曉陽，羅亞林，賀祖浩

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增長，對基礎設施的需求日益增加。特大型跨江跨河橋的出現(xiàn)，對橋梁基礎的設計及施工提出了更高的要求。為適應橋梁上部結構重載、大跨等特點，基礎向深水大尺寸方向發(fā)展，單跨過江致使基礎一般位于河道近堤處。

近堤處的承臺施工中，支護結構兩側泥面高差很大，導致存在不平衡土壓力，同時開挖過程中基坑的穩(wěn)定性常與大堤穩(wěn)定性相互影響，支護體系設計難度大，往往面臨著嚴峻的安全風險。鋼板樁圍堰以其施工簡便、經(jīng)濟性好、防漏性能好等特點，被廣泛應用于開挖深度不大于11 m 以內的承臺基礎施工中[1-8]。然而，鋼板樁相對于鉆孔灌注樁、雙壁鋼圍堰等支護體系，剛度較小，不平衡土壓力導致板樁頂整體變形很大，僅采用鋼板樁圍堰無法解決此問題，須輔以其他減小不平衡土壓力的措施。

為確保近堤承臺的安全施工，進一步發(fā)揮鋼板樁圍堰在深水基礎施工的優(yōu)勢，本文依托龍?zhí)堕L江大橋南塔承臺，通過對支護體系結構設計、受力分析及施工過程中的應力位移監(jiān)測，從而指導同類型近堤深水鋼板樁圍堰的設計施工。

1 近堤深水承臺施工支護體系設計思路

近堤承臺一般埋于淺灘斜面上，采用鋼板樁圍堰支護是最便利、最節(jié)省成本的方式，但由于其剛度較弱，面臨整體位移過大的風險[2]。造成位移過大的原因有：一是兩側泥面高度差及大堤上的車輛荷載造成近堤側與親水側土壓力差別較大，不平衡的土壓力造成圍堰整體向河側變形；二是有限元計算中，鋼板樁采用桿系單元模擬，未考慮變形增大后鋼板樁墻鎖扣間的整體咬合作用，不平衡土壓力引起的變形通過圍檁支撐直接傳遞到河側板樁，導致位移計算較實際偏大。

針對不平衡土壓力，有以“頂、卸、擋、加固”為思路的多種解決方案來輔助鋼板樁圍堰施工：1）在鋼護筒上增設頂撐；2）開挖放坡，對大堤側土體進行卸載；3）堤腳設置抗滑樁，抗滑樁可采用灌注樁或鋼管樁；4） 采用高壓旋噴樁加固近堤側土體，增強土體抗剪強度。4 種方法（表1）工程中均有應用，各有優(yōu)缺點，設計中需結合實際情況擇優(yōu)采用一種或多種支護形式。

表1 不平衡土壓力作用下基坑支護形式Table 1 Supporting type of foundation pit under unbalanced soil pressure

2 工程概況

龍?zhí)堕L江大橋主橋是主跨1 560 m 的兩塔單跨鋼箱梁懸索橋，南塔為鉆孔灌注樁群樁基礎，承臺為啞鈴形，在每側塔柱下承臺平面尺寸為33.5 m（橫橋向）×40.5 m（順橋向），厚度6 m。兩承臺之間通過6 m 厚系梁相連。承臺頂標高4 m，底標高為-2 m。

根據(jù)近10 a 南京站10 月份潮位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，承臺施工期間設計高水位+4.217 m，設計低水位+1.10 m。筑島施工承臺，江側及下游側采用鋼管樁擋土，整個區(qū)域回填至+7.5 m 標高。承臺邊緣距離堤腳21.5 m，大堤頂標高+9.2 m，江側泥面標高+1.6 m，上游側泥面標高+7.5 m，下游側泥面標高+4.0 m，下游靠江側泥面逐漸過渡至+1.6 m，大堤江側最大高差7.6 m，上游下游側最大高差5.9 m，河床斷面呈兩方向斜槽狀態(tài)。承臺最大埋深9.5 m，土質從上到下主要為素填土、淤泥質粉質黏土、粉砂夾粉土，其中，淤泥質粉質黏土層最大厚度9.8 m，施工風險大，需采取可靠的減小不平衡土壓力的措施輔助鋼板樁圍堰施工，保證施工安全。另外，承臺開挖深度大，緊鄰江水，基坑施工過程中可能存在承壓水頭沖破隔水頂板，有突涌的風險，設計中需特別重視。

3 支護體系設計

3.1 結構設計

進行龍?zhí)赌纤鞫罩ёo體系設計時，既要對大堤側與江側、上下游側高差引起的不平衡土壓力采取措施支護，又要對承臺開挖深基坑進行支護，形成組合式支護體系。承臺為啞鈴形，圍堰平面可選用形式為矩形、啞鈴形，鑒于啞鈴形板樁施打定位難度大，且圍檁支撐型鋼焊接量大，連接節(jié)點受力復雜，用鋼量大，經(jīng)過比選，推薦平面采用矩形。

設計方案為：承臺基坑支護采用鋼板樁圍堰，大堤側采用抗滑樁輔助措施，上游側采用開挖邊坡卸土輔助措施，如圖1 所示。

圖1 支護體系結構圖Fig.1 Supporting system structure diagram

鋼板樁圍堰尺寸為在承臺外輪廓的基礎上外擴1.5 m，即43.5 m×81.95 m。鋼板樁采用SPIVw 型號，長18.0 m，鋼板樁頂標高+6.00 m，底標高-12.00 m，設置兩道支撐體系，標高為+5.00 m、+1.00 m?；硬捎酶赏谂潘┕?，封底混凝土厚度0.5 m。

大堤側抗滑樁直徑1.8 m，間距2.3 m，其上設置帽梁?？够瑯吨行木嗟棠_17.4 m，距鋼板樁邊緣2.18 m?？够瑯锻瑫r當龍門吊軌道基礎用，龍門吊橫跨承臺施工區(qū)域，江側龍門吊軌道基礎設置于鋼管排架上。抗滑樁兼顧龍門吊軌道基礎，其變形要求更高。

上游側泥面標高從+7.5 m 卸土至+5.5 m，卸土范圍不小于4.5 m。下游側低于+4.0 m 標高區(qū)域進行拋石防護，防護至+5.0 m 標高，防護范圍不小于3 m。同時江側泥面拋石防護至+2.5 m。

3.2 施工流程

施工工序如下：1）回填筑島平臺，進行鉆孔灌注樁及堤腳防護樁的施工；2）鋼板樁四周泥面進行開挖、防護處理；3）插打鋼板樁；4）開挖至第1 層支撐圍檁下，安裝第1 層支撐圍檁；5）降水并開挖至第2 層支撐圍檁下，安裝第2 層支撐圍檁及聯(lián)系撐；6）降水并開挖至基坑底；7）澆筑混凝土墊層；8）澆筑第1 層2.0 m 厚承臺；9） 體系轉換，拆除第2 層支撐，澆筑第2 層承臺；10）澆筑塔座；11）土體回填，拆除支撐圍檁及鋼板樁。

4 結構計算分析

4.1 鋼板樁入土深度的確定

鋼板樁入土深度由圍堰開挖至基坑底時嵌固穩(wěn)定、抗隆起穩(wěn)定性、流土穩(wěn)定性確定。計算時取較為不利的上游側和大堤側分別進行計算，其中大堤側選取抗滑樁底為計算點進行計算?？孤∑鸱€(wěn)定、流土穩(wěn)定性易滿足要求，嵌固穩(wěn)定若考慮上游側原始泥面+7.5 m，18 m 樁長底標高-10.5 m，嵌固穩(wěn)定系數(shù)僅1.12，不滿足要求，因此要求在上游側卸2 m 高度、寬度不得小于4.5 m 的土，板樁頂標高調整為+6 m，底標高-12 m，嵌固穩(wěn)定系數(shù)達1.26＞1.25，確保圍堰開挖期間不會發(fā)生踢腳破壞。

4.2 結構整體計算

采用有限元軟件對結構進行計算，鋼板樁底部豎向約束，被動土壓力采用只受壓土彈簧模擬，圍檁與鋼板樁之間采用只受壓彈簧模擬。

結合施工流程，對圍堰施工階段進行分析計算。經(jīng)計算，最不利工況為開挖至基坑底工況，鋼板樁的強度σmax= 241 MPa＜f = 260 MPa，圍檁的強度σmax=180 MPa＜f=205 MPa，τmax=51 MPa＜fv= 125 MPa，支撐的強度σmax= 170 MPa ＜f =215 MPa，強度滿足規(guī)范要求。

4.3 不平衡土壓力對大堤的影響分析

4.3.1 施工期結構水平位移分析

承臺位于雙向斜槽處，對支護結構造成不平衡土壓力，引起整體大堤有向江側位發(fā)生位移的趨勢。同時，深基坑土體開挖、堤腳抗滑樁與板樁之間土體卸載均會對大堤穩(wěn)定性、抗滑樁位移產(chǎn)生影響，為了確保施工期大堤的穩(wěn)定、龍門吊的安全使用，采用巖土有限元軟件建立大堤、抗滑樁及圍堰結構的二維模型，土體本構關系采用莫爾-庫侖模型?？够瑯都皣咧蝿偠雀鶕?jù)實際間距進行等比例折減，荷載考慮自重、大堤側施工超載，邊界條件為約束土體兩側法向位移，底部固結。

施工期可能出現(xiàn)的最高水位和最低水位下，大堤穩(wěn)定計算結果如圖2、表2 所示。通過對基坑開挖過程中支護結構水平位移計算，大堤、防護樁、鋼板樁均發(fā)生了背離大堤側的水平位移，主要是由于受到兩側不平衡土壓力的影響。計算表明：大堤穩(wěn)定安全滿足要求，大堤整體水平位移17.6 mm，鋼板樁水平位移20.2 mm，抗滑樁最大水平位移15.7 mm，可確保基坑開挖期間龍門吊、大堤安全。

圖2 大堤水平位移理論計算值（m）Fig.2 The theoretical calculation value of the horizontal displacement of the embankment(m)

表2 大堤穩(wěn)定相關計算結果Table 2 Calculation results related to embankment stability

4.3.2 深層土體水平位移監(jiān)測

采用測斜儀對深層土體位移進行測量，來間接反映鋼板樁及抗滑樁樁身的位移。施工時在大堤側圍堰鋼板樁中部位置埋設測斜管，開挖過程中進行實時監(jiān)測（如圖3 所示），大堤側測斜孔中最大水平位移在開挖至基坑底達到最大，約59 mm，豎向在接近基坑底的位置（標高-2.5 m 處）最大，而理論計算此處水平位移最大約19 mm，實測位移與理論計算結果相差較大。

圖3 深層土體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Monitoring data of horizontal displacement of deep soil

造成差異的原因經(jīng)分析有：1）在插打鋼板樁的過程中，板樁人為斜向插打，后期安裝圍檁過程中板樁與圍檁間縫隙未進行塞墊，導致土體壓力前期幾乎全由板樁承受，支撐未充分發(fā)揮作用，支撐應力監(jiān)測結果很小也充分說明此問題。結合施工期大堤計算模型，若不考慮支撐作用，最大水平位移約45 mm，與實測結果較為接近；2）基坑開挖過程中存在超挖現(xiàn)象，導致土體向江側位移比理論計算偏大；3）作業(yè)車輛超載行駛于大堤側，造成位移偏大，尤其對龍門吊基礎影響較大。為確保安全施工，后續(xù)施工即時采取了相應措施，龍門吊限載，對軌道重新固定調整，對圍檁與板樁間進行塞墊緊密處理，同時加大監(jiān)測力度。鑒于此，澆墊層混凝土及承臺過程中深層土體位移趨于穩(wěn)定，抗滑樁及大堤在承臺施工期安全。

4.4 基坑內降水井布設

為防止坑底突涌事故的發(fā)生，基坑內采用坑內管井與集水抽排相結合的方式，基坑內根據(jù)地質差異共布設9 口井，下游側局部加密布設。降水井直徑為273 mm，上部9 m 為實心管，下部12 m 為濾管，降水井總長度為7.5 m，單井出水量按270 m3/d 考慮。同時針對降水對大堤的沉降影響進行了分析，計算得大堤處最大沉降1.9 mm，降水對大堤影響較小，沉降量與降深密切相關，施工期間根據(jù)情況采用小功率泵按需降水，避免降深過大，實際涌水量較小，確保了基坑干施工的安全環(huán)境。

5 結語

龍?zhí)堕L江大橋南主墩圍堰工程已成功實施，工程施工順利。圍堰處于雙向斜槽，兩側泥面高差大，由此引起的不平衡土壓力會導致整體結構向江側位移。通過采用鋼板樁+抗滑樁的方案，同時在不均勻兩側開挖和拋填減少高差，結果表明該方案能很好地解決基坑開挖對大堤及支護結構穩(wěn)定的影響。對大堤及支護體系進行了位移監(jiān)測，保障了工程實施過程安全。為類似地質條件下的支護體系設計提供了成功的案例。