祁俊明 上海鐵路局上海華東鐵路建設(shè)監(jiān)理有限公司

連續(xù)發(fā)生的施工工地基坑坍塌事故，引起了社會(huì)各界對(duì)建筑施工安全問題的廣泛關(guān)注，深基坑等地下作業(yè)安全成為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。上海鐵路局關(guān)于開展施工安全專項(xiàng)整治的通知中也明確要求：對(duì)危險(xiǎn)性較大工程（如：深基坑的圍護(hù)和拆除），必須單獨(dú)編制專項(xiàng)施工方案。由此可見，深基坑開挖支護(hù)方案的優(yōu)劣，對(duì)施工安全、工程進(jìn)度、環(huán)境保護(hù)等至關(guān)重要。

1 工程概況

某特大橋工程跨越一條重要河道。該橋?yàn)殡p線橋，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，矩形承臺(tái)和圓端形變截面實(shí)體墩身。

該橋在50#～55#墩跨越河道，為(48+80×3+48)m 懸臂澆筑連續(xù)梁，也是控制本橋工期的重點(diǎn)。其中53#墩位于河道中央。53#墩設(shè)計(jì)概況見表1 所示。

表1 53#墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況表

承臺(tái)分為兩層，底層尺寸為12.4 m×19.1 m×4 m，上層尺寸為9.6 m×8.8 m×2 m。承臺(tái)底標(biāo)高為-5.014 m，去除回填土，施工期間河水位為+5.5 m。

2 方案選定

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，承臺(tái)位于河槽正中，河床面標(biāo)高+2.5 m，+2.5～-15.8 m 范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，飽和流塑。-15.8 m 以下為粉土?；娱_挖深度接近8 m，為保證河堤、基坑開挖以及承臺(tái)施工安全，同時(shí)又能保證河道不污染或少污染，決定采取鋼板樁支護(hù)開挖的方式（見圖1）。

3 參數(shù)及材料選定

承臺(tái)施工時(shí)間為枯水季節(jié)，實(shí)測(cè)水深2.5～3 m，按照3 m考慮，考慮到施工周期，沖刷深度按0.5m 考慮，則沖刷后河床面標(biāo)高+2.5 m，水位標(biāo)高按+5.5 m 計(jì)算。

圖1 某特大橋53#墩縱斷面

考慮到承臺(tái)施工的作業(yè)空間，鋼板樁圍堰尺寸每邊比承臺(tái)大1.5 m。則鋼板樁圍堰平面尺寸為22.4×15.6 m。

因基坑自水面往下開挖深度近11 m，必須設(shè)多道內(nèi)支撐，按多支撐式板樁計(jì)算。施工選用Ⅳ型拉森鋼板。W=2037cm3, [σ] =200MPa。

圖2 鋼板樁入土深度示意圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 入土深度計(jì)算

在實(shí)際施工中，因鋼板樁沉入困難，實(shí)際地質(zhì)情況發(fā)生了變化，所以鋼板樁頂標(biāo)高最高定為+8.5 m，局部為7.5 m，鋼板樁在水中長(zhǎng)度為3 m，在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中的長(zhǎng)度為11.87 m，在粉質(zhì)粘土中的長(zhǎng)度為6.13 m (見圖2) ，將水視作土層，則基坑外側(cè)γ、φ、C 按18 m 范圍內(nèi)的加權(quán)平均值計(jì)算：

4.2 確定支撐層數(shù)及間距

按等彎矩布置確定各層支撐的間距，則鋼板樁頂部懸臂端的最大允許跨度：[σ] -鋼板樁允許彎曲應(yīng)力，γ-鋼板樁墻后的土重度，ka-主動(dòng)土壓力系數(shù)，ka=tg2(45°-12.65°/2)=0.641。根據(jù)施工的具體情況，確定采用的布置形式如下：底部封底混凝土澆筑后也當(dāng)一道支撐。

4.3 用盾恩近似法計(jì)算鋼板樁入土深度

主動(dòng)土壓力系數(shù):ka=tg2(45°-12.65°/2)=0.641，被動(dòng)土壓力系數(shù):kp=tg2(45°+12.65°/2)=1.561，

GH 的斜率:kn=γ(kp-ka)=16.857×(1.561-0.641)=15.51，

e1=kaγH=0.641×16.857×11.514=124.41 kN/m2。

FI 鋼板樁上的荷載FIJK 一半傳遞到F 點(diǎn)，另一半由坑底土壓力GHI 承擔(dān)（見圖3），則：

圖3 鋼板樁受力分析圖

根據(jù)入土部分的固定點(diǎn)，在P 的作用點(diǎn)E，距坑底的距離為：

2h/3=2×9.32/3=6.213 m，故鋼板樁總長(zhǎng)度至l=11.514+9.32+3=23.834 m，即鋼板樁長(zhǎng)度為23.834 m，入土深度為9.32 m 時(shí)即能保證樁體本身的穩(wěn)定性，選用24 m 鋼板樁。實(shí)際入土深度為9.486 m。

5 鋼板樁穩(wěn)定性檢算

5.1 管涌檢算

鋼板樁入土深度除保證本身的穩(wěn)定外，還應(yīng)保證基坑底部在施工期間不會(huì)出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，此時(shí)需滿足：

式中：K-抗管涌安全系數(shù)，一般取1.5～2.0，本工程取1.5；-土的浮重度，本工程取8 kN/m3，j-最大滲流力(動(dòng)水壓力)，j=iγw=[H/(H+2h)] ×γw,i-水頭梯度，i=H/(H+2h)，h-鋼板樁入土深度，待求；H-水位至坑底的距離，即水頭差，本工程為11.514 m，γw-水的重度，本工程取10 kN/m3，代入式中，則：即入土深度大于5.04 m 時(shí)，不會(huì)發(fā)生管涌。

所需鋼板樁長(zhǎng)度：l=11.514+5.04+3=19.554。

選用24 m 鋼板樁，則入土深度為9.486 m，反算抗管涌安全系數(shù)K=1.882，不會(huì)發(fā)生管涌。

5.2 基底隆起檢算

鋼板樁底土層為粉土，不透水，故不會(huì)發(fā)生隆起，不予檢算。

5.3 圍囹檢算

5.3.1 工況分析和計(jì)算

本項(xiàng)目施工中設(shè)四道支撐和圍囹，以及基坑底部灌注混凝土封底、兩級(jí)承臺(tái)施工等不同階段，拉森鋼板樁的受力情況不同，本文以兩種工況加以分析：

(1)工況一

施作樁頂圍囹和支撐后，開挖基坑至+2.0 m 標(biāo)高，即3.5 m 深，未安裝第一道支撐前，鋼板樁為頂部簡(jiǎn)支的單錨淺埋板，則支撐受力為：Ra=Ea-Ep。

假定鋼板樁所需入土深度為t，則：

在頂部支撐處力矩為零，因此最小入土深度：

t=4.9 m，Ea=381，Ep=315.9。因此：Ra=Ea-Ep=65.1 kN，剪力為零的點(diǎn)距支撐點(diǎn)的距離：

在剪力為零處彎矩最大，其值為Ra×2h/3=150.65 kN.m。

則此時(shí)鋼板樁的應(yīng)力為：

σ=M/W=(150.65×103)/(2037×10-6)=73.96MPa＜215 MPa，故在此工況下鋼板樁能滿足受力要求。

(2)工況二

安裝好第一道支撐，開挖至6 m 深，第二道支撐沒有施作。此時(shí)鋼板樁可看作為在樁頂和第一道支撐處簡(jiǎn)支，基坑以下2 m 處固結(jié)的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。則建模如圖4，剪力情況見圖5，彎矩情況見圖6。

圖4 工況二鋼板樁受力圖

圖5 剪力圖（kN）

圖6 彎矩圖（kN·m）

計(jì)算得鋼板樁：Vmax=144.49 kN，Mmax=103.87 kN·m，最大支撐反力為156.72 kN。作用在第一層圍囹和支撐處。則此時(shí)鋼板樁的應(yīng)力為：

σ=M/W=(131.69×103)/(2037×10-6)=64.6 MPa＜215 MPa。

故在此工況時(shí)Ⅳ型拉森鋼板樁受力能滿足要求。

通過進(jìn)一步計(jì)算可知，在各種工況下采用Ⅳ型拉森鋼板樁受力均能滿足要求。

5.3.2 圍囹計(jì)算

圍囹設(shè)四個(gè)角撐和兩道對(duì)撐，結(jié)構(gòu)如圖7 所示：

圖7 圍囹結(jié)構(gòu)圖

本文對(duì)頂層圍囹作分析計(jì)算：

最大支撐反力198.4 kN/延米，即為作用在圍囹上的均布荷載，橫橋向圍囹建模平面如圖8，剪力分析見圖9，彎矩情況見圖10。

圖8 橫橋向圍囹受力圖

圖9 頂層圍囹剪力圖（kN）

圖10 頂層圍囹彎矩圖（kN·m）

圍囹受力：Vmax=406.72 kN，Mmax=241.26 kN·m，對(duì)撐最大支撐反力為746.66 kN，斜撐最大支撐反力為686.89 kN。

圍囹所需截面：

W=M/[σ] =241.26×103/(215×106)=1.122×10-3m3=1122cm3，選用單HW350 型鋼 （350×350×12×19），W=2257.49 cm3，I=39506.17 cm4，δ=12 mm，I/S=39506.17/1246.59=31.7 cm，故頂層圍囹采用HW350 型鋼能滿足受力要求。

采用同樣建模和計(jì)算可得出第四層圍囹采用雙HW400型鋼（400×400×13×21）能滿足受力要求，其他層同理。

5.4 對(duì)撐和斜撐檢算

對(duì)撐和斜撐采用螺旋鋼管樁，分析各工況下斜撐和對(duì)撐得受力情況如表2 所示：

表2 斜撐和對(duì)撐受力情況表

對(duì)撐承受軸向力，最大為1826.3 kN，為對(duì)撐處，采用Φ600 mmδ12 mm 螺旋鋼管樁。最長(zhǎng)對(duì)撐為14.88 m。

兩端簡(jiǎn)支，長(zhǎng)細(xì)比：

故Ф1=0.683，

σ=N/A=1826.3×103/22167=82.4MPa＜0.683×145=99 MPa。

故采用Φ600 mmδ12 mm 鋼管樁作支撐能滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

綜上計(jì)算可知，采用拉森Ⅳ型鋼板樁作為擋水結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)24 m，頂標(biāo)高+6.0 m，入土深度20.5 m。頂層圍囹采用單HW350 型鋼（350×350×12×19）mm，第一層圍囹采用HW350型鋼（344×348×10×16）mm，第二層圍囹采用單HW400 型鋼（400×408×21×21）mm，第三、第四層圍囹采用雙HW400 型鋼（400×400×13×21）mm 都能滿足受力要求。斜撐和對(duì)撐采用Φ600 mmδ12 mm 鋼管能滿足受力要求。

經(jīng)過檢算，選用24 m 長(zhǎng)Ⅳ型拉森鋼板樁進(jìn)行基坑支護(hù)，基坑底以下深度達(dá)到11.986 m，共設(shè)置4 層圍囹和支撐。頂層圍囹采用單HW350 型鋼，第一層圍囹HW350 型鋼，第二層圍囹采用單HW400 型鋼，第三層、第四層圍囹采用雙HW400 型鋼，圍囹采用托架固定在鋼板樁上，圍囹四角設(shè)雙斜撐，中部設(shè)雙對(duì)撐，對(duì)撐和斜撐均采用Φ600 mmδ12 mm 螺旋鋼管樁制作。斜撐與圍囹焊接連接，對(duì)撐與圍囹卡接。

6 方案實(shí)施與實(shí)際效果

該方案在經(jīng)過專家論證和建設(shè)各方的審查后，從鋼板樁支護(hù)、基坑開挖與支撐安裝、支撐體系轉(zhuǎn)換到混凝土灌注、鋼板樁圍堰拆除等一切較為順利。整個(gè)工程基坑圍護(hù)經(jīng)歷了汛期、雨雪等惡劣天氣及時(shí)間的考驗(yàn)，效果良好。