趙景方

(中鐵二十三局一公司，山東日照 276800)

深水鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工

趙景方

(中鐵二十三局一公司，山東日照 276800)

結(jié)合新建大連長(zhǎng)興島鐵路五島站至長(zhǎng)興島港站工程，介紹了基礎(chǔ)施工過程中的鋼板樁圍堰支護(hù)技術(shù)，并總結(jié)了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、整體抗浮穩(wěn)定性以及基坑開挖時(shí)空效應(yīng)特點(diǎn)等設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

深水鋼板樁，設(shè)計(jì)，施工，時(shí)空效應(yīng)

1 工程概況

葫蘆山灣特大橋既是本線的重點(diǎn)工程，又是控制工程，是連接島內(nèi)與島外的跨海大橋。全橋按一次雙線施工建設(shè)?，F(xiàn)場(chǎng)地貌以濱海平原為主，小里程一側(cè)地貌為剝蝕丘陵，地形較起伏。大橋4號(hào)～16號(hào)墩位在海水內(nèi)，設(shè)計(jì)水位H1/100=6．91 m，施工水位2．0 m，基礎(chǔ)為鉆孔樁、低承臺(tái)基礎(chǔ)。施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料如下：

人工填土：φ =16°，r=18 kN/m，c=3 kPa，h=5．09 m;淤泥質(zhì)土：φ =10°，r=17．5 kN/m，c=13 kPa，h=7．6 m;粉質(zhì)粘土：φ = 20°，r=18 kN/m，c=19 kPa，h=5．7 m。

根據(jù)各土層力學(xué)參數(shù)，加權(quán)平均值計(jì)算結(jié)果如下：

r，c，φ按總厚度18．39 m范圍內(nèi)的加權(quán)平值：

其中，r為重度;c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

海灣、深水河道或軟土地段的深大基坑開挖，一般采用排樁帷幕、SMW工法樁、地連墻、沉井或鋼板樁等方法進(jìn)行圍護(hù)施工。目前應(yīng)用的排樁帷幕、SMW工法樁、地連墻、沉井等施工方法施工周期長(zhǎng)、成本高、不經(jīng)濟(jì)。而鋼板樁施工速度快，圍護(hù)材料可以多次周轉(zhuǎn)使用，造價(jià)低。結(jié)合實(shí)際情況，本工程采用鋼板樁施工基礎(chǔ)承臺(tái)。施工鋼板樁前，先在河道兩側(cè)相向筑島，中間預(yù)留100 m寬河道通水，其上搭設(shè)剛便橋。圖1為鋼板樁圍堰施工現(xiàn)場(chǎng)。

2 鋼板樁施工設(shè)計(jì)

本工程采用拉森Ⅳ型鋼板樁，截面尺寸：寬度為40 cm，高度17 cm，厚度 15．5 mm。

圍堰鋼板樁采用拉森Ⅳ型鋼板樁，截面模量為2 037 cm3/m。

2．1 鋼板樁各層圍檁間距

1)頂層鋼板樁支撐位置的確定。按等彎矩布置確定各層支撐的間距，根據(jù)拉森Ⅳ型鋼板樁能承受的最大彎矩確定板樁頂懸臂端的最大允許跨度h：

2)下部各層支撐的間距確定。把鋼板樁視作一個(gè)承受三角形荷載的連續(xù)梁，各支點(diǎn)近似地假定為不轉(zhuǎn)動(dòng)，即把每跨都視作兩端固定，可按一般力學(xué)計(jì)算出各支點(diǎn)最大彎矩都等于Mmax時(shí)，鋼板樁強(qiáng)度所允許的條件下，各層圍檁間的最大間距(各層間距系數(shù)可以通過力學(xué)計(jì)算推算)：

2．2 板樁入土深度計(jì)算

采用盾恩近似法計(jì)算板樁入土深度(板樁頂離筑島頂面1．2 m)，見圖 2。

圖1 鋼板樁圍堰施工現(xiàn)場(chǎng)

圖2 鋼板樁長(zhǎng)度計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算鋼板樁總長(zhǎng)度：L=1．2+h1+h2+h3+x=1．2 m+3．2 m+ 2．5 m+2．2 m+5．24 m=14．34 m，故選用的鋼板樁長(zhǎng)度應(yīng)不小于15 m。經(jīng)計(jì)算，連續(xù)梁主墩需要長(zhǎng)度在15 m以上的鋼板樁，海灣內(nèi)其他各墩鋼板樁長(zhǎng)度至少在12 m以上。

2．3 整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

本圍堰采用有水開挖和水下封底，封底混凝土厚度2．0 m。當(dāng)停止降水或抽干基坑內(nèi)積水時(shí)，封底底面因受到靜水壓力作用而有上浮趨勢(shì)，則要求滿足：

其中，K為整體抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取1．05;Pk為總抗浮力;Pf為總的上浮力;Ph為封底混凝土及鋼板樁的總重量;λ為抗拔容許摩阻力與受壓容許阻力比例系數(shù)，取0．8;L為鋼板樁與土體接觸外壁周長(zhǎng);fι為支護(hù)側(cè)各土層的容許摩阻力;hι為支護(hù)側(cè)各土層的厚度。

K=［(17．2 m ×13．2 m ×2 m ×25 kN/m3+2 597 kN)+0．8 × (17．2 m+13．2 m) ×2 ×15 m ×9．1 kN/m2］/17．2 m ×13．2 m × 7．94 m ×10 kN/m3=1．14≥1．05，滿足要求。

2．4 封底混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算

封底混凝土在上浮力作用下的內(nèi)力，可近似簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支單向板計(jì)算，封底混凝土抗拉強(qiáng)度［2］：

其中，f為封底混凝土抗彎曲強(qiáng)度;ι為基坑底小邊尺寸;Q為封底底面靜水壓力;W為封底混凝土每1 m寬截面的抗彎模量;h為封底頂面處水頭;d為假定的封底混凝土最小厚度;rw為水的容重;rc為混凝土的重度。2

C25混凝土抗拉強(qiáng)度為1．9 MPa，故水下混凝土強(qiáng)度需不小于C25，本設(shè)計(jì)采用C25水下混凝土封底。

2．5 圍檁受力計(jì)算

各內(nèi)支撐反力采用簡(jiǎn)支梁法近似計(jì)算各內(nèi)支撐反力：

其中，Pn為所求橫梁支點(diǎn)承受的土壓力;D為橫梁支點(diǎn)至板樁頂距離;Hn為橫梁支點(diǎn)至上一支點(diǎn)的跨度;Hn+1為橫梁支點(diǎn)至下一支點(diǎn)的跨度。

通過各層內(nèi)力計(jì)算分析，第三層圍檁支撐受力最大，故重點(diǎn)檢算第三層支撐的穩(wěn)定性。

2．5．1 三拼Ⅰ40b工字鋼圍檁驗(yàn)算

1)圍檁采用Ⅰ40b工字鋼三拼臥置。對(duì)跨度最大邊的圍檁進(jìn)行驗(yàn)算。

2)計(jì)算模型如圖3所示。

圍檁可以看作三不等跨連續(xù)梁。

3)計(jì)算軸向壓力。

4)計(jì)算軸心受壓構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)。

其長(zhǎng)細(xì)比 λ1=L0/r=4 720/156 ×3=10．1;查表［9］得：φ1=0．9。

根據(jù)φ2取值說明，三拼Ⅰ40b失穩(wěn)平面和彎矩作用平面一致，故取φ2=1。

5)計(jì)算μ值。

所以有 μ=(1－n1N×λ2/π2EAm)×m。

其中，n1為受壓桿允許應(yīng)力安全系數(shù)，荷載組合Ⅰ時(shí)取1．7;在荷載組合Ⅱ～Ⅳ時(shí)取1．4;N為計(jì)算軸向力;λ為構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的長(zhǎng)細(xì)比;E為彈性模量;Am為毛截面積;M為當(dāng)彎矩在荷載組合Ⅰ時(shí)取1．0，在荷載組合Ⅱ～Ⅳ時(shí)取1．4。

所以，第三層鋼板樁圍檁的整體穩(wěn)定性是安全的(第一、二層圍檁檢算類似)。

2．5．2 三拼Ⅰ40b工字鋼圍檁角部斜撐檢算

水平斜撐軸向穩(wěn)定性驗(yàn)算示意圖見圖4。

計(jì)算軸心受壓構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)。

2．5．3 圍檁縱向φ630水平支承桿受力計(jì)算

采用φ630×10的鋼管對(duì)圍檁縱向支撐。

3 水下開挖，坑內(nèi)最低水位的計(jì)算

第三道圍檁以下鋼板樁受到的周側(cè)主動(dòng)土壓力，一半由第三道圍檁承受，一半由基底以下的坑內(nèi)土體承受，為澆筑封底混凝土，在進(jìn)行基底以下繼續(xù)開挖時(shí)，要考慮圍堰內(nèi)的最低水位以平衡圍堰外的主動(dòng)土壓力。也即以圍堰內(nèi)水頭壓力平衡圍堰內(nèi)的主動(dòng)土壓力損失。

得：x=3．98 m。即在開挖封底混凝土的土層厚度時(shí)，圍堰內(nèi)必須保證有3．98 m以上深度的水位。

4 基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)理論應(yīng)用

合理的鋼圍堰支護(hù)及開挖設(shè)計(jì)，保證基坑穩(wěn)定性和控制變形，是施工成功的前提。在地質(zhì)和環(huán)境條件復(fù)雜的深大基坑中，往往控制變形是設(shè)計(jì)施工的要點(diǎn)。

結(jié)合時(shí)空效應(yīng)理論，本工程鋼板樁圍堰在進(jìn)行分層開挖，逐層支護(hù)［1，3，4］時(shí)，要求：

1)盡量縮短每層開挖與支撐時(shí)間，每層要求在24 h以內(nèi)完成。

2)進(jìn)行φ609×10鋼管支撐時(shí)，按設(shè)計(jì)鋼管受力的5%施加預(yù)應(yīng)力。

用于施加預(yù)應(yīng)力的鋼支撐構(gòu)件為活接頭，在活接頭兩側(cè)用雙千斤頂同時(shí)施壓，采用δ40鍥鐵鎖定，誤差±50 kN。施加預(yù)應(yīng)力過程中檢查各節(jié)點(diǎn)連接狀況，如有異常應(yīng)及時(shí)加固;鋼制牛腿、三榀H型銅節(jié)點(diǎn)制安及DN609鋼支撐安裝示意圖見圖5。

圖4 水平斜撐軸示意圖（單位：cm）

圖5 三榀工字鋼圍檁與鋼管支撐安裝示意圖

在鋼圍堰基坑開挖中，適當(dāng)減小每步開挖土方的空間尺寸，減小每層開挖在支撐前的暴露時(shí)間，是考慮時(shí)空效應(yīng)、科學(xué)利用土體自身控制變形、位移的潛力，解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形問題的基本對(duì)策。以此為指導(dǎo)思想，形成基坑工程的設(shè)計(jì)和施工方法。

5 結(jié)語

深基坑工程涉及巖土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、工程地質(zhì)和施工技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，是一項(xiàng)很強(qiáng)的學(xué)科。由于影響基坑工程不確定因素很多，基坑工程又是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)性很大的工程，稍有不慎就會(huì)釀成巨大的工程事故。因此，確保基坑工程的安全是總體方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)，也是施工的目標(biāo)。應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ痰氖┕そ?jīng)驗(yàn)與技術(shù)能力進(jìn)行具體分析，設(shè)計(jì)時(shí)確保滿足規(guī)范與工程對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力、穩(wěn)定性與變形計(jì)算(演算)的要求;并對(duì)施工工藝、挖土、降水等各環(huán)節(jié)進(jìn)行充分的研究和論證。

［1］劉愛華，黎 鴻，羅榮武．時(shí)空效應(yīng)理論在軟土深基坑施工中的應(yīng)用［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2001，6(3)：571-576．

［2］賀寶橋．新奧法設(shè)計(jì)施工的原理［J］．中國(guó)水運(yùn)，2008，8(6)：197-198．

［3］劉建航，候?qū)W淵．基坑工程手冊(cè)［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997．

［4］劉 燕，劉國(guó)彬，孫曉玲，等．考慮時(shí)空效應(yīng)的軟土地區(qū)深基坑變形分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2006(28)：39-40．

［5］劉建航，劉國(guó)彬，范益群．軟土基坑工程中時(shí)空效應(yīng)理論與實(shí)踐(上)［J］．地下工程與隧道，1999(3)：7-12．

［6］王新豐．深水鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)分析［J］．工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2012(5)：158-164．

［7］崔 浩．鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)與施工［J］．公路，2008(2)：68-71．

［8］魏愛軍．鋼板樁圍堰施工技術(shù)［J］．北方交通，2008(1)：101-103．

［9］建筑施工計(jì)算手冊(cè)鋼結(jié)構(gòu)工程［S］．

Design and construction of deep water steel sheet pile cofferdam

ZHAO Jing-fang

(China Railway 23rd Bureau 1st Company，Rizhao 276800，China)

The paper introduces the basic construction of the steel sheet pile cofferdam in the process of supporting technology based on the engineering of Five Islands on Dalian Changxing Island railway station to Changxing Island harbor station，and the paper summed up the stability of foundation pit supporting structure，overall anti-floating stability and effect of excavation space and time characteristics etc．maters needing attention in construction．

the deep water of steel sheet pile，design，construction，time-space effect

TV551．3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.061

1009-6825(2013)10-0169-03

2013-01-23

趙景方(1975-)，男，工程師