某特大橋承臺(tái)深基坑施工技術(shù)研究

竇宏宇

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，為了滿足交通的需求，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)與建造逐漸增多。承臺(tái)作為承受、分布由墩身傳遞的荷載，對(duì)橋梁的承載能力有直接的影響，尤其對(duì)于特大橋而言，對(duì)承臺(tái)的施工質(zhì)量和技術(shù)要求也就越高。特大橋的深基坑承臺(tái)施工具有施工難度大、技術(shù)復(fù)雜、受環(huán)境影響較大的特點(diǎn)，針對(duì)這種特殊的工程需要更為具有針對(duì)性的、有效的施工方案指導(dǎo)施工。

陳昆等對(duì)深基坑周圍土體卸載現(xiàn)象進(jìn)行了研究，利用監(jiān)測(cè)值驗(yàn)證了其方法的科學(xué)性，并總結(jié)了相對(duì)應(yīng)的方法用作基坑計(jì)算。艾鴻濤對(duì)于基坑在開挖周圍存在地鐵隧道的情況進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，這種周圍環(huán)境的影響不可忽視。汪志強(qiáng)等對(duì)基坑開挖對(duì)于周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了研究，并基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果總結(jié)其影響規(guī)律。史春樂(lè)等研究認(rèn)為，基坑開挖對(duì)于建筑群的影響與單一建筑的影響有很大區(qū)別。左殿軍、趙笑男采用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑開挖進(jìn)行了分析。

本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)深基坑承臺(tái)施工這種高難度施工作業(yè)的具體施工方案進(jìn)行闡述，同時(shí)，為保證其施工的質(zhì)量與安全，采用有限元對(duì)鋼板樁施工進(jìn)行有限元模擬。

2 工程概況

哈爾濱某新建快速路工程，地處嚴(yán)寒凍脹地段，其中某承臺(tái)結(jié)構(gòu)主體外輪廓最大平面尺寸為14.6m×10.6m，深基坑深度為6.2m，承臺(tái)采用鋼板樁基坑支護(hù)進(jìn)行開挖施工。承臺(tái)尺寸為14.6m×10.6m×3m，地質(zhì)結(jié)構(gòu)自上而下第一層粉質(zhì)粘土，約1.5m，承載力60kPa，第二層中砂，約1m，承載力200kPa，第三層細(xì)圓粒土2.8m，承載力250kPa，第四層以下為全風(fēng)化花崗巖，承載力300kPa。

3 施工方案

采用拉森Ⅳ型鋼板樁進(jìn)行支護(hù)，鋼板樁長(zhǎng)度為12m，鋼板樁采用履帶式打板機(jī)打設(shè)，打設(shè)完成后挖除部分土方，設(shè)置一道布置在距鋼板樁頂面2.0m 處?；娱_挖前要周全的準(zhǔn)備好施工前期工作，提前考慮預(yù)測(cè)開挖過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，例如，人工開挖和機(jī)械開挖是否沖突，深基坑不同土層開挖方式。開挖時(shí)采用雙鉤機(jī)上下同時(shí)開挖，基坑成型后如坑內(nèi)滲水應(yīng)及時(shí)對(duì)基坑進(jìn)行排水，并迅速施工混凝土墊層，原槽澆筑，避免基礎(chǔ)澆筑之前持力層長(zhǎng)時(shí)間暴露大氣、泥水污染，便于清潔。

3.1 鋼板樁施工

（1）前期準(zhǔn)備工作。在施打鋼板樁之前，先用裝載機(jī)和挖機(jī)配合將表土剝離運(yùn)至存土場(chǎng)，并將地面整平，然后進(jìn)行鋼板樁施工。平整施工場(chǎng)地，測(cè)量精確放樣出基坑的四個(gè)角點(diǎn)外擴(kuò)1m，打上木樁并撒上石灰線。鋼板樁施工是最關(guān)鍵的施工步驟之一，其關(guān)系到基坑支護(hù)的安全性，施工前要明確所處位置的地下管線情況，打樁過(guò)程中，時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋼板樁的誤差不超過(guò)規(guī)范值。鋼板樁打設(shè)完成后，挖土至牛腿底部，在基坑內(nèi)壁的鋼板樁上焊接牛腿，牛腿頂面高度設(shè)置在同一平面上，在牛腿上設(shè)置32a 雙拼工字鋼圍檁，圍檁橫橋向長(zhǎng)度為12m，順橋向長(zhǎng)度為9m，接口處采用焊接，工字鋼接長(zhǎng)處采用滿焊，并在接縫外側(cè)設(shè)置幫條鋼板，接口處錯(cuò)開布置，如圖1 所示。

圖1 鋼板樁支護(hù)示意圖

采用屏風(fēng)式打發(fā)進(jìn)行打樁，這樣的方法使得精度更高，將鋼板樁放置在規(guī)定位置，輕輕錘擊，使用全站儀對(duì)其位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。在打樁方向的鋼板樁鎖口處設(shè)卡板，防止板樁偏移。

（2）基坑開挖。挖至原地面至圍檁底土方后，開挖剩余土方，流出20cm 以內(nèi)的土層，剩下的采用人工挖土的方法進(jìn)行清除至10cm，清除完畢過(guò)后，采用小型夯實(shí)機(jī)夯至基底。水排至基坑外便道側(cè)排水溝中。待基坑水降低后，繼續(xù)用挖掘機(jī)挖除基坑土，挖除過(guò)程中隨時(shí)測(cè)量承臺(tái)底標(biāo)高，防止超挖。

（3）基坑回填。承臺(tái)施工完畢后，必須在承臺(tái)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，并瀝青渣油等隱蔽工程驗(yàn)收合格后進(jìn)行回填?；靥钋芭懦觾?nèi)積水，地下水位以下基坑及強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化巖石巖面以下基坑釆用粉黏粒含量不小10%的中粗砂或卵礫石回填，余釆用原狀土回填，壓實(shí)系數(shù)K 不小于0.86。以免形成積水。其回填厚度不大于30cm 并用電動(dòng)沖擊夯層層夯實(shí)，回填過(guò)程中，應(yīng)防止水的侵害?；靥罡叨葹樵孛娓叨?。

（4）鋼板樁的拔除。在基坑回填完畢后，進(jìn)行鋼板樁的拔除工作，注意拔除的順序。以免由于拔樁的振動(dòng)影響與拔樁帶土過(guò)多會(huì)引起地面沉降和位移，給己施工的地下結(jié)構(gòu)帶來(lái)危害。為了減少拔除工程中的“帶土現(xiàn)象”，采用灌水、灌沙的方法進(jìn)行處理，拔除時(shí)，采用拔樁機(jī)夾住樁頭進(jìn)行震動(dòng)，以震落樁周圍附著的泥土，減小摩擦力，然后輕輕地向上拔除，此時(shí)，時(shí)刻注意拔樁機(jī)的情況，當(dāng)出現(xiàn)拔樁困難的情況，立刻停止，繼續(xù)震動(dòng)2min 后再嘗試拔除，若還是拔除困難，重復(fù)該步驟幾次即可。

3.2 承臺(tái)施工

采用水準(zhǔn)儀測(cè)量樁頂高程，并用紅油漆將樁頂鑿除部分做好標(biāo)記；樁頭鑿除前，用切割機(jī)在測(cè)量好的標(biāo)高位置進(jìn)行環(huán)切，環(huán)切深度控制在5cm，環(huán)切后人工用風(fēng)鎬鑿除樁基鋼筋籠主筋外側(cè)的混凝土，將樁基鋼筋與樁頭混凝土剝離后，將樁頭在環(huán)切處剔除；樁基采用低應(yīng)變法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)前將樁基頂面按照等邊三角形打磨3 個(gè)碗口大小的平面，由檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)樁基的成樁質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，合格后施工承臺(tái)；采用全站儀采用極坐標(biāo)法放樣出承臺(tái)的邊線，用水泥釘將邊線點(diǎn)釘在墊層混凝土表面，用墨線彈出承臺(tái)鋼筋的擺放邊線；承臺(tái)鋼筋在1#鋼筋場(chǎng)地集中加工，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后人工安裝，鋼筋安裝前，先將墊層表面清理干凈，并用尺子排好鋼筋的擺放位置，按照排好的位置將鋼筋按編號(hào)依次綁扎成型，并將底部墊好墊塊設(shè)置好保護(hù)層，在每根樁的主筋上設(shè)置一根接地鋼筋，并引至墩身內(nèi)；承臺(tái)模板安裝：模板使用前將表面打磨干凈，涂刷脫模劑，承臺(tái)模板采用9015 標(biāo)模，M12 螺栓對(duì)接，接縫處用雙面膠條密封，模板背后采用φ50 鋼管縱橫向加固，對(duì)拉筋對(duì)拉，立管間距0.6m，橫管間距0.9m，模板加固完成后，測(cè)量混凝土頂面高程，并用油漆將混凝土澆筑高度標(biāo)記在模板四周。

承臺(tái)內(nèi)預(yù)埋塔吊基礎(chǔ)預(yù)埋件和連續(xù)梁支架預(yù)埋件，按設(shè)計(jì)圖紙要求在相應(yīng)位置埋設(shè)，并加固完成后報(bào)請(qǐng)監(jiān)理單位現(xiàn)場(chǎng)檢查驗(yàn)收，合格后澆筑承臺(tái)混凝土；承臺(tái)混凝土澆筑：澆筑前在橫橋向設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)4 處，采用φ50mm 鋼管插入承臺(tái)底以上0.5m 處，用于養(yǎng)護(hù)期間測(cè)試溫度，承臺(tái)混凝土澆筑選擇在一天中溫度較低的時(shí)段進(jìn)行，作用是降低混凝土水化熱的升溫速率，混凝土在1#拌合站集中拌制，泵車泵送入模，插入式振搗器人工振搗，混凝土澆筑時(shí)采取分層澆筑，每層厚度控制在0.3m，澆筑至冷卻管以上時(shí)，將冷卻管內(nèi)注入循環(huán)水對(duì)混凝土芯部進(jìn)行降溫，注入的水溫與混凝土的溫度不超過(guò)20℃，并確?；炷恋淖罡邷囟炔怀^(guò)65℃，澆筑時(shí)現(xiàn)場(chǎng)制作養(yǎng)護(hù)試件，標(biāo)養(yǎng)2 組，同養(yǎng)3 組。

混凝土澆筑完成后，對(duì)其表面進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度＞2.5MPa 后將表面進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，混凝土測(cè)溫每晝夜進(jìn)行4 次，每次分別測(cè)量混凝土底部、中部、上部、表面和環(huán)境溫度共5 個(gè)值，當(dāng)混凝土表面溫度與環(huán)境溫度差不大于20℃，且能滿足模板拆除后棱角不受損傷，可將模板拆除。模板由人工進(jìn)行拆除，先將拉筋處螺栓卸下，將模板背部的鋼管卸下后，再逐塊拆除承臺(tái)四周的模板，然后切除混凝土表面的拉筋，涂刮瀝青油渣，瀝青油渣厚度為1.0cm。

4 鋼板樁有限元計(jì)算

4.1 鋼板樁截面等效

Midas 有限元軟件中板單元截面體現(xiàn)在“厚度”操作上，本項(xiàng)目中由于拉森Ⅳ型的鋼板截面在建模中存在建模煩瑣等問(wèn)題，因而在建模前根據(jù)慣性矩相等的原則將拉森截面等效為矩形截面，具體操作，如圖2 所示。

圖2 拉森截面轉(zhuǎn)換示意圖

由于拉森截面采用鎖扣連接，因而采用在單位寬度內(nèi)慣性矩相等的原則。查表得到拉森Ⅳ型的鋼板截面單位寬度（1m）慣性矩I=39600cm4。假設(shè)矩形截面的高度h，因而有式：

式中，b=100cm。因而得到h=16.8cm。得到等效截面后，建立板厚度。本項(xiàng)目中的鋼板樁以殼單元形式建立，將單元網(wǎng)格尺寸確定為400mm×500mm，如圖3 所示。

圖3 模型建立

4.2 有限元分析結(jié)果

對(duì)于鋼板樁強(qiáng)度、圍檁強(qiáng)度、斜撐強(qiáng)度以及鋼板樁的剛度有限元分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 鋼板樁有限元分析結(jié)果根據(jù)分析結(jié)果可

得出，鋼板樁最大應(yīng)力為51.9MPa<271MPa，滿足規(guī)范要求；圍檁（雙拼工36a）最大組合應(yīng)力為187.2MPa<215MPa，最大剪應(yīng)力為42.8MPa<215MPa，滿足規(guī)范要求；斜撐（雙拼工36a）最大組合應(yīng)力為131.8MPa<215MPa，最大剪應(yīng)力為0.7MPa<215MPa，滿足規(guī)范要求；鋼板樁基坑最大位移為23.2mm<30mm（L/200），滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）特大橋的基坑承臺(tái)施工是橋梁建設(shè)中重要環(huán)節(jié)，本文結(jié)合實(shí)際工程基坑承臺(tái)施工，對(duì)鋼板樁與承臺(tái)施工方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

（2）并采用Midas 有限元軟件對(duì)鋼板樁進(jìn)行模擬，由于拉森鋼板樁在建模過(guò)程中的復(fù)雜性，采用合理的截面模擬方式，在建模前，根據(jù)慣性矩相等的原則將拉森截面等效為矩形截面。

（3）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼板樁最大應(yīng)力為51.9MPa；圍檁最大組合應(yīng)力為187.2MPa，最大剪應(yīng)力為42.8MPa；斜撐最大組合應(yīng)力為131.8MPa，最大剪應(yīng)力為0.7MPa，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求，為施工安全提供了保障。