西安地鐵10號(hào)線某鋼管樁圍堰施工與設(shè)計(jì)優(yōu)化分析*

牛建輝,鄭 江,王 鍇,李存良,田鵬剛,張麗莎,王先鐵

(1.陜西建工控股集團(tuán)未來城市創(chuàng)新科技有限公司,陜西 西安 712000; 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

0 引言

鋼管樁根據(jù)防水要求可分為鎖口與不鎖口2種形式。鎖口鋼管樁是在任意2根鋼管間采取的聯(lián)結(jié)措施,既起聯(lián)結(jié)和止水作用。鋼管樁圍堰施工技術(shù)主要應(yīng)用于一般橋梁或橋梁基礎(chǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中,作軟臥地層及深水施工圍護(hù)。圍堰鋼管樁的施工優(yōu)化與力學(xué)特性研究作為學(xué)術(shù)熱點(diǎn),包括以實(shí)際工程中的橋墩基礎(chǔ)為研究對(duì)象,建立有限元分析模型研究最不利荷載工況[1-3];也對(duì)實(shí)際工程建設(shè)的技術(shù)難點(diǎn)、結(jié)構(gòu)受力形式、工期、經(jīng)濟(jì)性、計(jì)算方法等方面進(jìn)行了創(chuàng)新,具體的優(yōu)化方案包括圍堰加設(shè)內(nèi)支撐、改變鋼管樁尺寸與斷面形式、保持結(jié)構(gòu)不變或采用平行鋼絲索代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工方法、改進(jìn)常規(guī)順?biāo)惴ǖ萚4-6]。此外,還有學(xué)者對(duì)水文地質(zhì)條件[7]、淺灘裸巖地區(qū)[8]、軟土質(zhì)地區(qū)[9-11]、流速[12]和高原山區(qū)[13]等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的施工進(jìn)行了研究。由此發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)圍堰施工的技術(shù)難題有了實(shí)質(zhì)性的突破與創(chuàng)新,但對(duì)于鋼管樁樁長、圈梁和支撐位置及滲水條件下最不利工況優(yōu)化分析較少。本文以西安地鐵10號(hào)線某跨渭河大橋的7號(hào)敦為例,利用有限元分析法研究圍堰施工各工序設(shè)計(jì)樁長與優(yōu)化樁長、圈梁和支撐位置及滲水條件改變所引發(fā)的安全性和穩(wěn)定性間的變化關(guān)系,研究結(jié)果對(duì)鋼管樁圍堰施工技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化具有重要意義。

1 工程概況

地鐵10號(hào)線某跨渭河大橋7號(hào)墩基礎(chǔ)范圍內(nèi)地層以中砂為主?；A(chǔ)采用鋼管樁圍堰施工,鋼管樁規(guī)格為φ820×14×32 000,有4道圈梁支撐。7號(hào)墩承臺(tái)如圖1所示?；A(chǔ)施工順序?yàn)?①設(shè)置導(dǎo)向插打鋼管樁;②圍堰內(nèi)繼續(xù)開挖至357.000m,干環(huán)境下安裝第2道圈梁;③圍堰內(nèi)繼續(xù)開挖4m至353.000m,干環(huán)境下安裝第3道圈梁;④圍堰內(nèi)繼續(xù)開挖3.5m至349.500m,干環(huán)境下安裝第4道圈梁;⑤若圍堰內(nèi)未發(fā)生嚴(yán)重滲水現(xiàn)象,則繼續(xù)將圍堰開挖至344.414m,施工0.5m厚墊層混凝土;若發(fā)生嚴(yán)重滲水,則停止干挖,將基坑內(nèi)回水至內(nèi)外水頭齊平,水下吸泥至封底高程342.414m,混凝土封底后將圍堰內(nèi)水抽干;⑥施工承臺(tái)及混凝土圈梁,拆除第4道圈梁;⑦混凝土圈梁施工完成后,汛期來臨時(shí)若水位上漲超過358.000m,需將圍堰鋼管接高6m至364.500m,并安裝第1道圈梁;⑧施工主墩,圍堰內(nèi)回水,先后拆除第3道、第2道、第1道圈梁;⑨承臺(tái)施工完成的標(biāo)志為拔出鎖口鋼管樁。

圖1 7號(hào)墩承臺(tái)Fig.1 Pier cap No.7

2 鎖扣鋼管樁受力特性與穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算模型及土性參數(shù)

表1 鋼管樁圍堰計(jì)算工況Table 1 Calculation conditions for steel pipe pile enclosure

表2 土體參數(shù)Table 2 Soil parameters

圖2 鎖口鋼管樁圍堰支護(hù)體系模型Fig.2 Model of interlocking steel pipe pile enclosure support system

2.2 鎖口鋼管樁樁長優(yōu)化計(jì)算分析

不同樁長條件下鎖口鋼管樁圍堰穩(wěn)定性分析結(jié)果如表3所示。由表3可知,各部分穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果隨樁長的縮短而減小,但變化幅度不明顯,經(jīng)計(jì)算各部分穩(wěn)定性驗(yàn)算均符合規(guī)范規(guī)定。結(jié)果表明:嵌固深度與繞最下道支撐的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化關(guān)系可表述為安全系數(shù)隨嵌固深度的增加而增大。

表3 不同樁長條件下鎖口鋼管樁圍堰穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 3 Stability analysis results of interlocking steel pipe pile enclosure under different pile length conditions

在設(shè)計(jì)水位未發(fā)生滲水時(shí)最不利工況下不同樁長鎖口鋼管樁的彎矩、總位移和圍堰內(nèi)支撐軸力分布如圖3～5所示。開挖到底時(shí)的鎖口鋼管樁樁長26,24,23.5m的最大彎矩值分別為649.93,650.74,651.60kN·m(均出現(xiàn)在第4道圈梁和基坑底部中間),說明嵌固深度的增加反而使最大彎矩值減小;由最大彎矩值計(jì)算得到的彎應(yīng)力分別為88.13,88.24,88.36MPa,滿足強(qiáng)度要求。拆除第2道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁的總位移達(dá)到最大,不同樁長對(duì)應(yīng)的最大位移分別為4.023,4.034,4.040cm,均位于中間樁樁頂;當(dāng)未發(fā)生嚴(yán)重滲水、外側(cè)水位為設(shè)計(jì)水位時(shí),以上工序中開挖到坑底時(shí)內(nèi)支撐軸力最大,樁長26,24,23.5m對(duì)應(yīng)的內(nèi)支撐軸力值分別為4 282.731, 4 294.78,4 301.34kN(均出現(xiàn)在開挖到底第4道角撐上);由最大軸力值計(jì)算得到的軸向應(yīng)力分別為114.27,114.60,114.77MPa,滿足強(qiáng)度要求。

圖3 開挖到底時(shí)鎖口鋼管樁彎矩分布(單位:kN·m)Fig.3 Moment distribution of interlocking steel pipe pile when excavated to the bottom (unit: kN·m)

圖4 拆除第2道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁位移分布(單位:m)Fig.4 Displacement distribution of interlocking steel pipe pile during the removal of the second ring beam(unit: m)

圖5 開挖到底時(shí)鎖口鋼管樁圍堰內(nèi)支撐軸力分布(單位:kN)Fig.5 Internal support axial force distribution of interlocking steel pipe pile enclosure when excavated to the bottom(unit: kN)

2.3 圍堰坑內(nèi)回填條件下第4道圈梁和內(nèi)支撐位置優(yōu)化計(jì)算分析

取樁長為26m,分析第4道圈梁和支撐位置改變時(shí),設(shè)計(jì)水位發(fā)生嚴(yán)重滲水時(shí)的圍堰整體穩(wěn)定性變化規(guī)律,結(jié)果如表4所示。由表4可知,第4道圈梁位置不同條件下鎖口鋼管樁圍堰整體穩(wěn)定性穩(wěn)定性系數(shù)均與規(guī)范值吻合;第4道圈梁位置不變、上移0.5m和上移1m工況對(duì)應(yīng)的繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性安全系數(shù)依次為0.690,0.681,0.672。說明隨著第4道圈梁位置的上移,繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性安全系數(shù)減小,但幅度不大。在嚴(yán)重滲水條件下,第4道圈梁位置上移對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較弱。

表4 第4道圈梁位置不同條件下鎖口鋼管樁圍堰穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 4 Stability analysis results of interlocking steel pipe pile enclosure under different positions of the fourth ring beam

第4道圈梁位置不同條件下處于最不利工況(發(fā)生嚴(yán)重滲水)時(shí)鎖口鋼管樁的彎矩、總位移和圍堰內(nèi)支撐軸力分布如圖6～8所示。由圖6～8可知,拆除第3道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁彎矩值最大,3種圈梁和支撐位置所對(duì)應(yīng)的最大彎矩值依次為437.87,438.31,438.76kN·m,均出現(xiàn)在第3道和第2道圈梁中間,說明隨著第4道圈梁位置上移,最大彎矩值增大;由最大彎矩值計(jì)算得到的彎應(yīng)力依次為59.38,59.44,59.50MPa,滿足強(qiáng)度要求。圍堰基坑內(nèi)施工時(shí),拆除第4道圈梁位移最大。第4道圈梁位置不變、上移0.5m和上移1m工況對(duì)應(yīng)的最大位移依次為1.944,1.950,1.950cm,均出現(xiàn)在中間樁頂;拆除第4道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁圍堰內(nèi)支撐軸力值達(dá)到最大,不同位置工況對(duì)應(yīng)的內(nèi)支撐軸力值依次為3 068.10, 3 181.51,3 307.47kN,最大支撐軸力產(chǎn)生部位均為第3道角撐;由最大軸力值計(jì)算得到的軸向應(yīng)力依次為81.87,84.89,88.25MPa,滿足強(qiáng)度要求。

圖6 拆除第3道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁彎矩分布(單位:kN·m)Fig.6 Moment distribution of interlocking steel pipe pile during the removal of the third ring beam (unit: kN·m)

圖8 拆除第4道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁圍堰內(nèi)支撐軸力分布(單位:kN)Fig.8 Internal support axial force distribution of interlocking steel pipe pile enclosure during the removal of the fourth ring beam (unit: kN)

2.4 圍堰內(nèi)未發(fā)生嚴(yán)重滲水與發(fā)生嚴(yán)重滲水條件下圍堰穩(wěn)定性與受力特性分析

改變圍堰內(nèi)滲水條件研究設(shè)計(jì)水位未發(fā)生嚴(yán)重滲水與發(fā)生嚴(yán)重滲水時(shí)的變化規(guī)律,具體結(jié)果如表5所示。由表5可知,圍堰內(nèi)未發(fā)生嚴(yán)重滲水條件下的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足要求,但圍堰內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重滲水時(shí)整體穩(wěn)定性小于規(guī)范規(guī)定的1.35,不滿足要求。經(jīng)驗(yàn)算,圍堰內(nèi)發(fā)生與未發(fā)生嚴(yán)重滲水工況的穩(wěn)定性均滿足要求;圍堰內(nèi)未發(fā)生嚴(yán)重滲水與發(fā)生嚴(yán)重滲水條件下工況對(duì)應(yīng)的繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性安全系數(shù)依次為0.949,0.811,0.774,0.690,0.545,0.507。結(jié)果表明,圍堰發(fā)生嚴(yán)重滲水時(shí),各樁長條件下的圍堰整體穩(wěn)定性降低,應(yīng)嚴(yán)格控制圍堰的防水措施,避免圍堰滲水。

表5 圍堰內(nèi)未發(fā)生嚴(yán)重滲水與發(fā)生嚴(yán)重滲水條件下鎖口鋼管樁圍堰穩(wěn)定性分析結(jié)果Table 5 Stability analysis results of interlocking steel pipe pile enclosure under conditions of no serious seepage and serious seepage inside the enclosure

圍堰在設(shè)計(jì)水位條件下未發(fā)生嚴(yán)重滲水與發(fā)生嚴(yán)重滲水的最大鋼管樁彎矩、最大位移、最大支撐軸力分別如圖9～11所示。

圖9 未發(fā)生嚴(yán)重與發(fā)生嚴(yán)重滲水鎖口鋼管樁最大彎矩分布(單位:kN·m)Fig.9 Maximum moment distribution of interlocking steel pipe pile under conditions of no serious seepage and serious seepage (unit: kN·m)

圖11 未發(fā)生嚴(yán)重滲水與發(fā)生嚴(yán)重滲水條件下最大支撐軸力分布(單位:kN)Fig.11 Maximum support axial force distribution under conditions of no serious seepage and serious seepage(unit: kN)

對(duì)比分析圖9～11可知,圍堰在設(shè)計(jì)水位發(fā)生滲水條件下的最大管樁樁彎矩、最大位移、最大支撐軸力均小于未發(fā)生滲水,分析其原因?yàn)?當(dāng)圍堰外水分滲入圍堰后,原本由圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的水壓力減弱,相當(dāng)于對(duì)圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了卸載作用,故表現(xiàn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的降低。雖然滲水條件也滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求,但在實(shí)際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制滲水條件,保證整個(gè)施工過程的安全性。

3 結(jié)語

1)圍堰基坑圍護(hù)樁樁長為26,24,23.5m時(shí),圍堰基坑的整體穩(wěn)定性系數(shù)相差不大,但樁長增加可提高圍堰基坑抗傾覆、隆起、流土和管涌的穩(wěn)定性,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力擾動(dòng)較小。在深圍堰工程及水位較高情況下,為保證圍堰基坑安全穩(wěn)定,不建議縮短樁長。

2)隨著第4道圈梁位置的上移,繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性安全系數(shù)減小,但幅度不大;在嚴(yán)重滲水條件下,第4道圈梁位置上移對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較弱。拆除第3道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁的彎矩值達(dá)到最大,出現(xiàn)在第3道和第2道圈梁中間;拆除第2道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁的總位移達(dá)到最大,出現(xiàn)在中間樁頂;拆除第4道圈梁時(shí)鎖口鋼管樁圍堰內(nèi)支撐軸力值達(dá)到最大,出現(xiàn)在第3道角撐上。

3)對(duì)比滲水條件后發(fā)現(xiàn),未發(fā)生滲水的圍堰穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均比發(fā)生滲水時(shí)的大,且2種條件均滿足要求。最不利工況(發(fā)生嚴(yán)重滲水)最大彎矩值出現(xiàn)在拆除第3道圈梁時(shí),最大位移出現(xiàn)在拆除第2道圈梁時(shí),最大內(nèi)支撐軸力出現(xiàn)在拆除第4道圈梁時(shí)。

4)各種最不利工況條件的穩(wěn)定性驗(yàn)算均符合要求規(guī)定,但繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性驗(yàn)算安全儲(chǔ)備不足,應(yīng)加強(qiáng)該方面的監(jiān)測(cè),并結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移來共同監(jiān)測(cè)圍堰基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。