鋼板樁在深基坑支護(hù)中的模擬應(yīng)用分析

劉功奎 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

1 工程概況及水文地質(zhì)

1.1 工程概況

跨京滬高鐵特大橋起止里程為DK137+387～DK163+025，全長23.6 km，共計(jì)686 個(gè)墩（臺(tái)）。其中518#墩為70+135+70 m 連續(xù)梁跨錫澄運(yùn)河主墩，承臺(tái)完全侵入河道，承臺(tái)尺寸為：19.9 m×14.4 m，高度5.0 m，結(jié)構(gòu)為四邊形承臺(tái)。錫澄運(yùn)河設(shè)計(jì)最高通航水位標(biāo)高為3.01 m，設(shè)計(jì)最低通航水位標(biāo)高0.81 m，常水位標(biāo)高1.6 m，枯水期標(biāo)高1.4 m，實(shí)測最大浪高0.5 m。鉆孔平臺(tái)頂面標(biāo)高為4.8 m，承臺(tái)基坑開挖13.4 m，承臺(tái)埋入河床深度6.1 m。

1.2 水文地質(zhì)

本橋沿線地處長江三角洲平原區(qū)，河網(wǎng)湖塘密布，地表水極發(fā)育。其上部為黏性土層，下部含多層粉細(xì)砂層，淺層地下水屬孔隙潛水，潛水位埋深0.5 m～3 m 不等，下部砂層為良好的含水層，地下水具微承壓性，地下水較豐富，水位變化幅度不大。

2 鋼板樁圍堰施工

2.1 施工背景

承臺(tái)施工前先采用鉆孔平臺(tái)的方法進(jìn)行了樁基礎(chǔ)的施工，平臺(tái)主要采用鋼管柱φ508 mm×8 mm 與主梁I45a、二次分配梁I25a等組成，保證在300 Mt可變荷載作業(yè)下強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性滿足要求。

2.2 鋼板樁圍堰布置

518#墩承臺(tái)深基坑采用18 m 拉森VI 鋼板樁，圍檁采用雙拼I40a 型鋼，設(shè)計(jì)安裝四道，每道圍檁設(shè)置1 根通長φ630 mm 橫撐，每層圍檁在順橋向四分之一及二分之一處設(shè)置直角斜撐，并且在圍檁與鋼板樁連接處、支撐與圍檁連接處設(shè)計(jì)加強(qiáng)板。開挖完成后及時(shí)進(jìn)行混凝土封底作業(yè)，封底厚度1.0 m。

鋼板樁的頂標(biāo)高為2.8 m，底標(biāo)高為-15.2 m，開挖后錨固深度為4.48 m。為便于承臺(tái)施工時(shí)立模和墩身鋼筋預(yù)埋，圍堰尺寸設(shè)計(jì)為：22.9 m×17.5 m，分別在標(biāo)高1.9 m 處、標(biāo)高-1.1 m 處、標(biāo)高-4.1 m 處、標(biāo)高-7.1 m 處設(shè)置四道圍堰。支撐腰梁采用φ630 mm螺旋管，圍堰內(nèi)中間設(shè)置1道對(duì)撐，每個(gè)拐角處設(shè)2 道斜撐，均采用φ630 mm，壁厚10 mm 的螺旋焊管。圍堰平面布置見圖1所示。

圖1 圍堰平面布置（單位：cm）

2.3 定位樁、導(dǎo)向框施工

鋼板樁在插打過程中受水流影響易發(fā)生位置偏移,施工期間需設(shè)置臨時(shí)定位樁和導(dǎo)向裝置。首先在平臺(tái)上面插打單向樁作為定位樁，定位樁采用φ508 mm 鋼管，壁厚8 mm，在距離定位樁頂部60 cm 安裝導(dǎo)向框，保證鋼板樁插打完成后在一條直線上。

2.4 鋼板樁插打與合攏

在插打過程中，由于鋼板樁鎖口和鎖口之間縫隙較大，而鋼板樁下端有土擠壓，上端是自由的，總會(huì)使鋼板樁產(chǎn)生向遠(yuǎn)離第一根鋼板樁的方向傾斜，每打4～5根鋼板樁就要用靠尺測量垂直度，將鋼板樁的傾斜度控制在1%以內(nèi)。

鋼板樁合攏需先確定合攏口位置，配置相應(yīng)規(guī)格異型鋼板樁，現(xiàn)場實(shí)測異形鋼板樁的角度和尺寸，以確保整個(gè)圍堰的密封性。

2.5 圍囹、支撐安裝

（1）支撐采用雙拼I40a 型鋼，沿鋼板樁圍堰內(nèi)部布設(shè)一周，支撐下部采用I20型鋼搭設(shè)牛腿支撐平臺(tái)。

（2）由于鋼板樁在插打過程中受多方面的影響，型鋼安裝后與鋼板樁之間有較大的間隙。為防止圍堰的變形，要求將型鋼與鋼板樁之間的間隙全部用型鋼焊接支撐連接。

（3）考慮到圍檁和支撐位置支撐面積不夠，以及圍檁與圍檁有夾角，在斜撐安裝之前，先把節(jié)點(diǎn)處支撐鋼板焊接到圍檁上，支撐鋼板和圍檁采用12 mm 厚加強(qiáng)鋼板焊接而成。支撐與支撐鋼板垂直連接，與支撐鋼板連接位置加肋板進(jìn)行連接。

2.6 鋼板樁堵漏

由于鋼板樁圍堰內(nèi)外水頭高度差為10.8 m,圍堰在流水和浪花作用下導(dǎo)致鋼板樁所受的內(nèi)外壓力反復(fù)變化,致使鎖口縫隙變大,漏水嚴(yán)重。在施工過程中經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究,鎖口堵漏采用了以下幾種方法:①鋼板樁施打過程中用棉絮、黃油等填充物填塞接縫；②使用棉絮摻植筋膠對(duì)漏水處進(jìn)行堵塞,從內(nèi)側(cè)保證封堵效果；③在鋼板樁的接縫外側(cè)下溜細(xì)砂或鋸末拌合濕砂的方法，借助水壓力將細(xì)砂吸入接逢；④通過水下補(bǔ)焊鋼板減少裂縫的繼續(xù)擴(kuò)大。通過實(shí)踐證明以上四種措施止水效果明顯。

2.7 封底混凝土澆筑

為控制超挖，在挖機(jī)大臂上做標(biāo)記并派專人監(jiān)控開挖深度。清基完成后盡量縮短圍堰暴露時(shí)間，以免對(duì)基底土體造成擾動(dòng)，開挖完成后迅速進(jìn)行封底施工,封底厚度為100 cm。

2.8 基坑明排降水和安全通道設(shè)置

根據(jù)實(shí)際情況，在承臺(tái)基坑底部四角開挖集水井，并用排水溝相連。在基坑兩側(cè)設(shè)置安全爬梯（圖2）。

圖2 明排降水和安全通道平面圖

3 鋼板樁支護(hù)體系分析

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（圖3）

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 圍堰工況分析

圍堰按照18 m 鋼板樁進(jìn)行驗(yàn)算,采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件。按照施工順序分為9個(gè)計(jì)算工況,具體見表1。

表1 9個(gè)計(jì)算工況的施工順序

圍堰采用干挖清基及抽水到基底,此時(shí)第二層圍檁及內(nèi)支撐均已施工，封底前最大水頭高度為10.8 m,此工況鋼板樁受力最為不利。

鋼板樁最大彎矩為212.37 kN·m,單位米鋼板樁截面抗彎彈模為1.8 cm×10 cm,最大彎曲應(yīng)力:

σmax=212.37×103/1.8×103=117.99 MPa＜215 MPa，滿足要求。

3.3 支撐體系檢算

開挖至基底，封底前鋼管內(nèi)支撐受力最大，屬于最不利情況，此工況下φ630 mm×10 mm鋼管撐腰梁承受的支反力為219.51 kN/m，計(jì)算模型如圖4示。

圖4 支撐系統(tǒng)計(jì)算模型（單位：kN/m）

3.4 支撐強(qiáng)度驗(yàn)算

在最不利情況下，支撐體系腰梁和內(nèi)支撐在土壓力作用下的組合應(yīng)力如圖5所示。

圖5 支撐體系組合應(yīng)力圖（單位：MPa）

由圖5見，最大應(yīng)力大小為84.0 MPa，小于215 MPa，滿足GB50017-2017要求。

3.5 抗隆起驗(yàn)算(圖6)

圖6 抗隆起驗(yàn)算

（1）從支護(hù)底部開始，逐層驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性，結(jié)果如下：

支護(hù)底部，驗(yàn)算抗隆起：

Ks=4.398≥1.800，抗隆起穩(wěn)定性滿足。

（2) 坑底抗隆起按以最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓弧條分法計(jì)算，Ks=2.233≥2.200，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足。

3.6 突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算（圖7）

圖7 突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

K=Dγ/hwγw

K=2.000×19.829/30.000=1.321＞=Kh=1.10，基坑底部土抗承壓水頭穩(wěn)定!

式中:γ：承壓水含水層頂面至坑底的土層天然重度(kN/m3);D：承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度(m);γw：水的重度(kN/m3);hw：承壓水含水層頂面的壓力水頭高度(m);Kh：突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，當(dāng)前取值1.10，規(guī)范要求不應(yīng)小于1.100;K：突涌穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值。

4 結(jié)束語

本文分析了跨京滬高鐵特大橋518#墩鋼板樁圍堰在施工不同工況下模擬受力情況，經(jīng)過工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算和專家論證，承臺(tái)施工施工選用18 m 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)形式，從理論上結(jié)構(gòu)滿足要求。施工過程中經(jīng)過實(shí)踐，也驗(yàn)證了模擬分析的結(jié)果。