皖南地區(qū)特大橋承臺(tái)深基坑鋼板樁圍堰施工技術(shù)分析

劉愛曦，項(xiàng)鵬 （安徽建工路港建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，深基坑工程已經(jīng)屢見不鮮。深大基坑工程對(duì)施工技術(shù)以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求也越來越高。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)，既能確保基坑安全施工，又可以有效節(jié)約工期、成本。帶有鎖口的拉森鋼板樁因其擁有良好的支護(hù)性能，被廣泛應(yīng)用于基坑支護(hù)工程及圍堰工程中。

2 工程概況

皖南地區(qū)特大橋位于宣城市硤石山物流園碼頭下游約300m處，主橋墩承臺(tái)基坑開挖超過5m，屬于超過一定規(guī)模的危大工程，安全等級(jí)二級(jí)。為了確?；邮┕ぐ踩瑪M采用15m 長拉森鋼板樁搭配型鋼圍檁和鋼管內(nèi)支撐作為主橋墩基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。14號(hào)墩（15號(hào)墩）基坑長寬高尺寸為29.8m×15.8m×8.8（9.0）m，過渡墩承臺(tái)13#（16#）基坑長寬高尺寸為23.8m×10.7m×5.88（3.28）m。

皖南地區(qū)地屬中亞熱帶北緣氣候，四季分明，氣候較為溫和，雨量偏多，年平均氣溫約16℃，最高月平均氣溫27℃，最低月平均氣溫3℃，多年平均降雨量1317mm，多年平均蒸發(fā)量為1055mm。

地質(zhì)情況主要為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

鑒于開挖較深且坑壁、坑底滲水量大，下部結(jié)構(gòu)施工時(shí)需加強(qiáng)鋼板樁圍堰支護(hù)，并對(duì)基坑底采用混凝土水下封底。

表1 FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁技術(shù)參數(shù)

采用長臂挖掘機(jī)開挖至第一道內(nèi)支撐下50cm 處（標(biāo)高8.5m），安裝第一道內(nèi)支撐。長臂挖掘機(jī)繼續(xù)開挖至下一道內(nèi)支撐以下50cm，再安裝內(nèi)支撐。長臂挖掘機(jī)繼續(xù)開挖至水位標(biāo)高，后采用吸泥設(shè)備輔助進(jìn)行水下基坑開挖，吸泥開挖至封底混凝土底面（標(biāo)高1.0m），澆筑水下封底混凝土，達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后，進(jìn)行抽水至封底混凝土頂面，將封底混凝土上部浮漿清除干凈后，施工承臺(tái)部位。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

該處大橋鋼圍堰工程擬投入3 套主橋墩承臺(tái)的鋼圍堰，不考慮周轉(zhuǎn)。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 圍堰設(shè)計(jì)及鋼板樁的選用

本工程鋼板樁圍堰平面尺寸為10.70m×23.80m，綜合考慮地質(zhì)條件、鋼板樁的特性及施工工藝，采用單根鋼板樁長為9m、單位重76.1kg/m 的拉森4 型400mm×170mm 鋼板樁，圍堰的內(nèi)支撐使用HW350·350·8·14 型鋼、Φ 426×8mm 管樁，并利用單位重114.15kg/m 的特制角樁支撐圍堰四周，插打時(shí)鋼板樁上頂標(biāo)高為11.0m。

3.2.2 導(dǎo)架的安裝

通過設(shè)置具有足夠剛度的導(dǎo)架，導(dǎo)架與冠梁聯(lián)合作用，從而精準(zhǔn)控制鋼板樁打入深度，確保沉樁過程鋼板樁的軸線位置準(zhǔn)確和樁身順直，控制鋼板樁在沉入過程不產(chǎn)生屈曲變形，進(jìn)而提高其貫入能力。

3.2.3 板樁施打

①鋼板樁施打前首先應(yīng)探明施工區(qū)域周邊的地下管線及毗鄰的建（構(gòu)）筑物的準(zhǔn)確位置、埋設(shè)深度、目前運(yùn)行情況等，并征得相應(yīng)的權(quán)屬及使用單位同意后，再準(zhǔn)確放出支護(hù)樁位置中線等。拉森鋼板樁采用帶振動(dòng)錘吊機(jī)施打。

②鋼板樁施打前應(yīng)逐根仔細(xì)檢查鋼板樁外觀質(zhì)量是否完好，抽檢力學(xué)性能是否合格等，并清除連接鎖口銹蝕、油污、雜質(zhì)等，不使用變形嚴(yán)重或破損嚴(yán)重的板樁，不得使用不合格鋼板樁，修整合格后才可使用。

③打樁前，在板樁的鎖口內(nèi)涂減摩材料，如油脂等潤滑止水材料，降低摩阻力，以方便板樁的打入和拔出。

④測量人員在插打過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控測量每塊鋼板樁的斜度，確保每一塊樁的傾斜度小于2%。當(dāng)偏斜角度＞2%，且不能使用拉齊等方法校正順直時(shí)，應(yīng)拔出干板，重新施打。

⑤圍堰施工使用屏風(fēng)法施打鋼板樁。將40 根鋼板樁呈屏風(fēng)狀對(duì)稱間隔成排插入導(dǎo)架內(nèi)，施打應(yīng)對(duì)稱同時(shí)進(jìn)行。屏風(fēng)墻兩端的板樁施打至設(shè)計(jì)深度后，采用焊接方式與圍檁連接，中間位置按順序分板樁一半的高度分別施打。屏風(fēng)法施打精度高且封閉合攏容易，同時(shí)鋼板樁不易彎曲變形、傾斜扭轉(zhuǎn)。

施打順序作為板樁施工工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，有正向、逆向、往復(fù)、中分、中和、復(fù)合等多種順序。施打順序直接影響了板樁垂直度、位移、軸線方向的伸縮、板樁墻的凹凸及打樁效率。當(dāng)屏風(fēng)墻兩端已打設(shè)的板樁呈逆向傾斜時(shí)，應(yīng)采用正向順序施打。反之，采用逆向。當(dāng)屏風(fēng)墻兩端板樁保持垂直狀況時(shí)，可采用往復(fù)順序施打。當(dāng)板樁墻長度很長時(shí)，可用復(fù)合順序施打。

板樁打設(shè)的公差標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 鋼板樁指標(biāo)要求

⑥板樁之間密扣，且開挖后樁入土≥2.0m，需重點(diǎn)關(guān)注圍堰的四個(gè)角，設(shè)置轉(zhuǎn)角板樁確保板樁連接緊密。

⑦板樁打入至設(shè)計(jì)深度時(shí)，對(duì)圍護(hù)樁應(yīng)開展閉水試驗(yàn)，檢查圍堰的密封性，對(duì)檢查中發(fā)現(xiàn)的漏水位置進(jìn)行補(bǔ)漏，針對(duì)補(bǔ)漏位置需重點(diǎn)關(guān)注并由專人定期巡檢。

3.2.4 內(nèi)支撐的安裝及拆除

為防土壓力、水壓力過大影響基坑穩(wěn)定，基坑土方開挖過程中須同時(shí)安裝內(nèi)支撐，內(nèi)支撐包括冠梁和腰梁、對(duì)撐和角撐、橫梁和支柱等。

各個(gè)部位的內(nèi)支撐設(shè)置不僅要考慮結(jié)構(gòu)受力，還應(yīng)確保板樁設(shè)置不能影響基坑內(nèi)部的工序施工。內(nèi)支撐的設(shè)置按照“自上而下、先撐后挖、隨挖隨撐”原則。無縫鋼管對(duì)撐安裝與H 型鋼圍檁正交且緊密連接，及時(shí)安裝隅撐，此外在對(duì)撐與鋼圍檁相交處設(shè)置20mm 厚鋼端板。

無縫鋼管對(duì)撐拆除應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行，避免內(nèi)支撐的預(yù)加應(yīng)力瞬間釋放，導(dǎo)致圍堰局部受力過大引起變形、開裂。焊縫質(zhì)量是鋼管對(duì)撐、H 型鋼圍檁等鋼構(gòu)件加工的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，板狀施打前應(yīng)逐根進(jìn)行詳細(xì)的焊縫檢查。

3.2.5 板樁的拔出

圍堰板樁的拔出過程容易引起周邊土體及地表沉降和位移，不當(dāng)?shù)恼駝?dòng)施工會(huì)影響臨近建筑物、管線的安全，危害地下結(jié)構(gòu)施工。此外，板樁拔出后盡可能不損壞，以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用的目的。拔樁的方法、順序及拔出時(shí)間、土孔處理措施也應(yīng)引起重視。

板樁拔出采用振動(dòng)錘，通過強(qiáng)力振動(dòng)，強(qiáng)行擾動(dòng)板樁周邊地質(zhì)土層，使板樁與周邊土層產(chǎn)生間隙，降低兩者之間的粘聚力，再通過起吊力作用將板樁強(qiáng)力拔出。

4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

4.1 設(shè)計(jì)安全等級(jí)

拉森鋼板樁長度9.00m，基坑深度5.63m，嵌固深度3.37m。基坑采用二級(jí)基坑的安全系數(shù)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。

4.2 內(nèi)支撐剛度及材料抗力計(jì)算

內(nèi)支撐體系中，圓管內(nèi)支撐采用φ 426×8鋼管樁，Q235鋼材。圍檁和斜撐型號(hào)為HW350×350×8×14，Q235 鋼材。圓管內(nèi)支撐支點(diǎn)剛度系數(shù)為：

圓管內(nèi)支撐材料抗力為：

式中，ε為工程形式有關(guān)的調(diào)整系數(shù),通常取1；φ為長細(xì)比有關(guān)調(diào)整系數(shù)，通常取0.9。

4.3 結(jié)構(gòu)變形計(jì)算

工況一為插入鋼板樁；工況二為開挖至高程-1.5m，在-1.0m 處安裝內(nèi)支撐；工況三為開挖至坑底高程-5.63m。

根據(jù)軟件分析結(jié)果，各工況下鋼管樁變形結(jié)果輸出為工況一無變形、工況二如圖2所示、工況三如圖3所示。

圖2 工況二鋼管樁結(jié)構(gòu)變形

圖3 工況三鋼管樁結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)輸出結(jié)果，鋼管樁最大水平變形發(fā)生在工況三，最大變形6.2mm。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）3.1.8 條文說明，鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移限制取0.01h=56.30mm，滿足要求。

4.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

4.4.1 截面強(qiáng)度分析

鋼管內(nèi)撐所受最大軸力發(fā)生在工況三，最大軸力為69kN，單元計(jì)算軸力為97kN，取最大值計(jì)算。對(duì)應(yīng)豎向最大彎矩為12.96kN·m，水平彎矩為11.16kN·m。根據(jù)輸出結(jié)果，H 型鋼斜撐所受最大軸力發(fā)生在工況三，最大軸力為66.37kN，對(duì)應(yīng)豎向最大彎矩為7.93N·m，水平彎矩為12.74kN·m。根據(jù)輸出結(jié)果，H 型鋼圍檁所受最大軸力發(fā)生在工況三，最大軸力為57.26kN，對(duì)應(yīng)豎向最大彎矩為4.39kN·m，水平彎矩為54.58kN·m。

鋼管內(nèi)撐擬采用Q235 鋼材，抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa。

H 型鋼斜撐采用Q235 鋼材，抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）圓形截面壓彎構(gòu)件截面強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中，N為鋼管內(nèi)撐所受軸力（N）；Mx、My分別為同一截面處對(duì)x 軸和y 軸的彎矩設(shè)計(jì)值（N·mm）；An為凈截面面積（mm）；Wn為圓管凈截面模量（mm3）；rm為截面塑性發(fā)展系數(shù)，取1.0。

計(jì)算得出，鋼管內(nèi)撐截面強(qiáng)度25MPa＜215MPa，滿足要求。斜撐H型鋼繞X 軸最不利位置截面強(qiáng)度大小為10MPa＜215MPa，繞Y 軸最不利位置截面強(qiáng)度大小為23MPa＜215MPa，滿足要求。圍檁H 型鋼截面強(qiáng)度大小為28MPa＜215MPa。

4.4.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2017）圓形截面壓彎構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算公式為：

式中，N為鋼管內(nèi)撐所受軸力（N）；Mx、My分別為同一截面處對(duì)x 軸和y 軸的彎矩設(shè)計(jì)值（N·mm）；W為圓管凈截面模量（mm3）；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，圓管內(nèi)撐取0.592，H 型鋼斜撐取0.864。

計(jì)算得出，鋼管內(nèi)撐穩(wěn)定性32MPa/215MPa=0.15＜1，滿足要求。

計(jì)算得出，斜撐H 型鋼繞X 軸最不利位置穩(wěn)定應(yīng)力大小為11MPa/215MPa=0.05＜1，繞Y 軸最不利位置穩(wěn)定應(yīng)力大小為24MPa/215MPa=0.11＜1，滿足要求。

計(jì)算得出，H 型鋼圍檁穩(wěn)定性28MPa/345MPa=0.13＜1，滿足要求。

5 基坑封底混凝土驗(yàn)算

封底混凝土需保證基坑外高水位時(shí)，基坑底部水壓力不超過上覆壓重，安全系數(shù)按地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，取1.05，封底厚度取1.5m。

H=23.5×1.5/（1.05×10）=3.35m。

水頭H1=3.35+2.20=5.55m＞5.30m，滿足最低通航水位要求。當(dāng)水位超過5.55m時(shí)，基坑未回填處理時(shí)，需采用回灌水等措施，保證基坑穩(wěn)定。

6 監(jiān)測監(jiān)控措施

為保證圍堰的安全性，鋼板樁插打結(jié)束、承臺(tái)基坑開挖前應(yīng)在承臺(tái)四周布置沉降位移監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)測基坑開挖及承臺(tái)施工過程中鋼板樁圍堰及其周邊土體變形情況。

承臺(tái)沿鋼板樁輪廓線外1m 處、環(huán)向間距5m 布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)采用素混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)深度不小于50cm。監(jiān)測標(biāo)志采用測量專用的GPS 測釘，測點(diǎn)安裝在低于地面10cm 位置，避免施工期間測釘變形或位移，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)精度。

測量儀器采用全站儀，施工期間測量人員應(yīng)按時(shí)進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)沉降位移監(jiān)測，并記錄每次的監(jiān)測數(shù)據(jù)，若監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值，應(yīng)立即通知基坑內(nèi)施工人員停止施工并撤離基坑，巡查位移沉降原因并采取有效措施，直至沉降位移速率小于限值并趨于穩(wěn)定后，才能開始施工。

基坑開挖全過程2 次/天。早上8：00-10：00；下午18：00-20：00。

墊層澆筑至混凝土上升至一定強(qiáng)度2 次/天。早上8：00-10：00，下午18：00-20：00。

后續(xù)施工1次/天。10：00-14：00。

承臺(tái)基坑回填完成后，停止監(jiān)測。

承臺(tái)開挖過程應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測頻數(shù)，根據(jù)沉降位移速率控制分層開挖深度，基坑分層開挖按1m 控制，若沉降位移變化大，根據(jù)工程實(shí)際及監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)開挖深度。

7 結(jié)語

本文針對(duì)皖南地區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境下深基坑鋼板樁圍堰支護(hù)施工難度高、精度無法保證等問題，通過精確計(jì)算和數(shù)值模擬等方法，探究鋼板樁施工對(duì)周邊土層的擾動(dòng)情況，保障施工過程的安全可靠，取得了良好的施工效果。