【摘 要】鋼板樁圍堰以其施工方便，安全防護(hù)效果好，效率高以及可重復(fù)利用等特點(diǎn)，在基坑圍護(hù)施工中得到了廣泛的應(yīng)用。以鄭開城際鐵路鄭州特大橋跨賈魯河現(xiàn)澆梁313#墩基礎(chǔ)為模型，介紹鋼板樁圍堰在水下深基坑中的應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】鋼板樁圍堰；水下施工；計(jì)算

鄭開城際鐵路工程鄭州特大橋跨賈魯河為（48+32+3×48+32+48）m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，其中310#～315#墩位于賈魯河河灘上，309#和316#墩位于賈魯河河堤外側(cè)，312#、313#為主墩。主墩承臺(tái)平面尺寸為9m×9m，高度為2.5m，其上為5.4m×5.4m，厚度為1m的加臺(tái)。313#承臺(tái)基礎(chǔ)埋深10.68米，河床下7米?；铀幈韺訛楹勇┥祥_辟的農(nóng)田雜填土，下層為粉質(zhì)砂土和細(xì)砂。

1.鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)

1.1地址及水溫資料

（1）313#基坑土層參數(shù)取值如下表1所示：

表1 313#基坑土層參數(shù)取值（河床底往下）

（2）根據(jù)水利部門的資料顯示，H1%=84.3m。施工時(shí)的水位高程為79.93m。鋼板樁施工前先對(duì)河灘進(jìn)行了筑島，頂高程為81.43m。鋼板樁施工選擇在賈魯河水位最低的冬季進(jìn)行。最高水位80.0m?？紤]安全系數(shù)，鋼板樁的頂高程取81.43m，與筑島高程相同。

1.2鋼板樁、圍囹支撐的規(guī)格、型號(hào)

（1）鋼板樁的規(guī)格、型號(hào)參數(shù)如下表2所示：

表2 拉森IV 鋼板樁的規(guī)格、型號(hào)參數(shù)

（2）313#墩圍堰內(nèi)側(cè)四周圈及大斜撐采用H型鋼HK550b，分上、中、下三層以圍檁形式支護(hù)；中間小斜撐HK400b型鋼斜撐，對(duì)撐采用600mm直徑，壁厚10mm鋼管制作。

1.3鋼板樁的布置形式

鋼板樁支護(hù)的結(jié)構(gòu)尺寸為12m×12m?；娱_挖深度為10.22m。鋼板樁入土深度為14m。鋼板樁內(nèi)部加強(qiáng)支撐共設(shè)置3到。布置形式如圖1所示：

圖1 鋼板樁布置圖

1.4鋼板樁計(jì)算

（1）作用在鋼板樁上的土壓力強(qiáng)度。

k=tg（45°-）=0.49，k=tg（45°+）=2.04

（2）計(jì)算樁頂部懸臂部分的最大允許跨度。

h===3.03m

其中：[f]=200MPa——板樁的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，γ=18kN/m3——板樁墻后的土的容度，Ka=0.49——主動(dòng)土壓力系數(shù)。

（3）利用等值梁計(jì)算鋼板樁。

等值梁模型如下：

結(jié)論：鋼板樁的最大應(yīng)力σmax=96MPa<[σ]=200MPa，滿足強(qiáng)度要求。

剛度f=12.4/（5040）=1/406<[f]=1/400剛度稍顯大。

（4）入土深度計(jì)算：

計(jì)算鋼板樁入土深度：

x===3.81m

式中：Po=121kN——壓力零點(diǎn)處剪力，γ=18kN/m3——土體容重，K=1.6被動(dòng)土壓力修正系數(shù)Kp=2.04——被動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=0.49——主動(dòng)土壓力系數(shù)。

（5）樁長(zhǎng)計(jì)算：

t0=x+y=3.81+1.923=5.733m，t=1.2*t0=1.2*5.7=6.9m，取鋼板樁長(zhǎng)度為：

10.22+6.9=17.1m，取18m樁長(zhǎng)。

（6）鋼板樁穩(wěn)定性檢算。

1）抗傾覆穩(wěn)定性分析。

抗傾覆穩(wěn)定性又稱踢腳穩(wěn)定性，是驗(yàn)算最下道支撐以下的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力繞支撐點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是否平衡，按下式計(jì)算：

K=，式中：K——抗傾覆安全系數(shù)，根據(jù)基坑重要性取值； M——抗傾覆力矩，取開挖面以下鋼板樁內(nèi)側(cè)人土深度范圍內(nèi)的土壓力，對(duì)最下一道支撐點(diǎn)的力矩；M——傾覆力矩，取最下一道支撐 點(diǎn)以下鋼板樁外側(cè)人土壓力支撐點(diǎn)的力矩。

取18米鋼板樁時(shí)，最下一道支撐受力情況如下（不考慮被動(dòng)土壓力修正系數(shù)）。

KQ=（1111.1*8.207）/（1307.9*6.107）=1.14；雖滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求，但稍偏小?？梢酝ㄟ^必要的加強(qiáng)支撐，以提高抗傾覆穩(wěn)定性。

（7）基坑底部隆起驗(yàn)算。

基底抗隆起穩(wěn)定性分析可采用以下公式求抗隆起安全系數(shù)：

式中，γ1，γ2——坑內(nèi)、外土層的容重加權(quán)平均值，取18kN/m2；

c——樁底處地基土粘聚力，為0；q——坑外地面荷載，取10kN/m2；H——基坑開挖深度，10.22m；t——鋼板樁入土深度，取7.78；Nq、Nc ——地基承載力系數(shù)；Φ——樁底處地基土內(nèi)摩擦角，取18oKS——抗隆起安全系數(shù)，根據(jù)基坑重要性取值，取1.7。

Nq=etg（45+）；N=

K===2.20>1.7

即鋼板樁打入深度7.78m，地基土穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生隆起。

1.5圍囹檢算

1.5.1計(jì)算模型

圍囹所受最不利均布荷載為413.5kN/m，在圍囹縱、橫長(zhǎng)度方向的中部位置。：

1.5.2計(jì)算結(jié)果

圍囹最大正應(yīng)力σ=158.5Mpa<[σ]=200MPa，滿足強(qiáng)度要求。最大豎向位移V=-3.587mm

2.鋼板樁的施工過程

2.1鋼板樁的施工準(zhǔn)備

對(duì)于關(guān)鍵材料鋼板樁的驗(yàn)收操作如下：

鋼板樁運(yùn)到工地后，需進(jìn)行整理。清除鎖口內(nèi)雜物（如電焊瘤渣、廢填充物等），對(duì)缺陷部位加以整修。

（1）鎖口檢查的方法：用一塊長(zhǎng)約2米的同類型、同規(guī)格的鋼板樁作標(biāo)準(zhǔn)，將所有同型號(hào)的鋼板樁做鎖口通過檢查。檢查采用卷揚(yáng)機(jī)拉動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁平車，從樁頭至樁尾作鎖口通過檢查。對(duì)于檢查出的鎖口扭曲及“死彎”進(jìn)行校正。

（2）鎖口潤(rùn)滑及防滲措施，對(duì)于檢查合格的鋼板樁，為保證鋼板樁在施工過程中能順利插拔，并增加鋼板樁在使用時(shí)防滲性能。每片鋼板樁鎖口都須均勻涂以混合油。

2.2鋼板樁的施工

（1）施工設(shè)備：鋼板樁下沉采用振動(dòng)錘沉入，9m和15m鋼板樁使用小松400型機(jī)械臂振動(dòng)錘打入；18m鋼板樁利用50t履帶吊和DZ60液壓振動(dòng)錘沉入，電焊機(jī)4臺(tái)。

（2）施工過程：

在鋼板樁施工中，為保證沉樁軸線位置的正確和樁的豎直，控制樁的打入精度，防止板樁的屈曲變形和提高樁的貫入能力，一般都需要設(shè)置一定剛度的、堅(jiān)固的導(dǎo)向架，亦稱“施工圍囹”。導(dǎo)向架采用I40工字鋼制作，即縱斷面圖上的樁頂圍囹，場(chǎng)地平整后按照設(shè)計(jì)尺寸吊裝就位，并連成整體，必要時(shí)在圍囹內(nèi)側(cè)打設(shè)幾根定位樁。然后鋼板樁貼著導(dǎo)向架下沉。

導(dǎo)向架安裝前，在導(dǎo)向架內(nèi)側(cè)四個(gè)角點(diǎn)準(zhǔn)確放出鋼管樁位置，打入時(shí)，用兩臺(tái)全站儀，從兩個(gè)不同的方向控制鋼管樁的垂直度，當(dāng)有偏差時(shí)及時(shí)糾正。

（3）鋼板樁打設(shè)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用單獨(dú)打入法。此法是從一角開始逐塊插打，每塊鋼板樁自起打到結(jié)束中途不停頓。因此，樁機(jī)行走路線短，施工簡(jiǎn)便，打設(shè)速度快。但是，由于單塊打入，易向一邊傾斜，累計(jì)誤差不易糾正，墻面平直度難以控制。機(jī)械手或履帶吊停在打樁點(diǎn)外側(cè)河岸上，側(cè)向有施工人員監(jiān)控。掛上振動(dòng)錘，升高，理順油管及電纜。錘下降，開液壓口，夾住一根由汽車吊喂至打樁錘下的鋼板樁，鎖口抹上潤(rùn)滑油，起錘。機(jī)械手則直接夾起平放在地面上的鋼板樁.上升錘與樁，至打樁地點(diǎn)。對(duì)準(zhǔn)樁與定位樁的鎖口，錘下降，靠振動(dòng)錘與樁自重壓樁至表層軟弱土以下一定深度不能下降為止。試開打樁錘30秒左右，停止振動(dòng)，利用錘慣性打樁至堅(jiān)實(shí)土層，開動(dòng)振動(dòng)錘打樁下降，控制打樁錘下降的速度，盡可能的使樁保持豎直，以便鎖口能順利咬合，提高止水能力。板樁至設(shè)計(jì)高度前40cm時(shí)，停止振動(dòng)，振動(dòng)錘因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間，打樁至設(shè)計(jì)高度。

2.3基坑開挖與支撐安裝

由于313#基坑位于河道中，考慮到使鋼板樁內(nèi)外水壓力平衡，采用基坑內(nèi)帶水的水下開挖方式進(jìn)行開挖。開挖的設(shè)備為水下沖砂（土）、吸砂（土）設(shè)備。將基坑內(nèi)部的土通過吸砂（土）設(shè)備不斷抽出基坑外。在吸砂（土）的同時(shí)不斷向基坑內(nèi)補(bǔ)充河水，保持吸砂（土）過程中的內(nèi)外水壓穩(wěn)定。

（1）帶水進(jìn)行開挖至313#墩開挖至承臺(tái)底下1.5米處， 逐點(diǎn)檢查基坑底部標(biāo)高后，進(jìn)行封底混凝土的施工；待封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.4MPa以上時(shí)，抽水，清理基坑。

（2）抽水，313#基坑樁頂往下1m處，安裝第一道圍囹和支撐。

（3）抽水，313#基坑在距樁頂為3.5米處安裝第二道圍囹和支撐。

（4）抽水，313#基坑在距樁頂為6米處安裝第三道圍囹和支撐。

（5）抽水，直至基坑設(shè)計(jì)高程。清理基礎(chǔ)表面進(jìn)行承臺(tái)的施工。

2.4鋼板樁圍堰拆除

遵循先回填后拆除的原則，即在拆除鋼板樁和支撐之前，先回填基坑，采用原開挖棄土，嚴(yán)格按照施工步驟進(jìn)行，根據(jù)工況分析鋼板樁圍堰支撐和圍囹在承臺(tái)施工完畢后均可拆除，待墩身施工完畢，鋼板樁圍堰仍采用振動(dòng)錘拔除，邊拔邊倒運(yùn)集中堆放整齊，保持場(chǎng)地整潔。

（1）鋼板樁施工中監(jiān)測(cè)。

在鋼板樁施工中，打設(shè)的允許誤差一般為：樁頂標(biāo)高偏差±100mm；鋼板樁軸線偏差±100mm；鋼板樁垂直度偏差為1%。在打設(shè)過程中，應(yīng)用全站以測(cè)試鋼板樁垂直度，確保垂直度偏差在允許范圍內(nèi)，在導(dǎo)向圍囹上標(biāo)出軸線位置，確保打入時(shí)軸線偏差在允許范圍內(nèi)，用水平測(cè)出導(dǎo)向圍囹的標(biāo)高，以備控制鋼板樁頂部標(biāo)高。監(jiān)測(cè)是否在允許誤差范圍內(nèi)，超出時(shí)及時(shí)糾正。

（2）系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

在施工支撐及承臺(tái)的過程中，應(yīng)對(duì)支撐系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)支撐的變形、鋼板樁的變形、基坑內(nèi)流動(dòng)水量及圍堰的位移等。在施工過程中可能出現(xiàn)如下的情況：①鋼板樁彎曲變形嚴(yán)重：這主要是鋼板樁斷面選用偏小，土壓力計(jì)算偏低，基坑超挖或支撐間距過大等原因造成的。②基坑底部涌水嚴(yán)重：主要是基坑封底時(shí)混凝土澆注質(zhì)量不好，出現(xiàn)開裂、夾泥等情況引起的。嚴(yán)重時(shí)可以致使封底混凝土不能發(fā)揮其作用，而需要進(jìn)行二次封底。③支撐彎曲：這往往是由于支撐斷面不夠或受力不均造成。可增加支撐以解決。④圍堰整體位移：這主要是鋼板樁入土深度不夠，地質(zhì)情況有較大的出入等原因造成的。

（3）觀測(cè)點(diǎn)的布置。

基準(zhǔn)點(diǎn)選擇已知點(diǎn)（315#墩右側(cè)大堤邊CPII012-2）。鋼板樁頂部設(shè)置8個(gè)水平位移和豎向位移點(diǎn)，在鋼板樁靠大里程側(cè)鋼板樁兩個(gè)角點(diǎn)地面上各設(shè)置一個(gè)土體沉降觀測(cè)點(diǎn)。

鋼板樁對(duì)撐每個(gè)中間設(shè)置一個(gè)點(diǎn)，共10個(gè)點(diǎn)。

（4）基坑監(jiān)測(cè)頻率。

監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)考慮基坑等級(jí)、基坑不同施工階段以及周邊環(huán)境變化，當(dāng)監(jiān)測(cè)值相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可適當(dāng)降低監(jiān)測(cè)頻率。本基坑監(jiān)測(cè)頻率參照《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50497-2009）要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本鋼板樁圍堰基坑開挖深度最大為11.5m，觀測(cè)頻率按照一級(jí)基坑考慮。

（5）監(jiān)測(cè)報(bào)警值。

本工程基坑按照三級(jí)基坑考慮，其報(bào)警值見下表。

3.結(jié)語

313#基坑的鋼板樁圍堰順利施工完成。施工過程與設(shè)計(jì)基本吻合。施工中安全可控，證明設(shè)計(jì)選取參數(shù)合理，方案可行。為以后的類似的水下基坑施工提供了有力的參考。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）.中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2003，12.

[2]《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-99）.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，1999，1.