金 鵬，張 鵬（中交二航局第四工程有限公司技術中心，安徽 蕪湖 241006）

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橋梁承臺施工鋼板樁基坑圍堰設計與分析

金 鵬，張 鵬
（中交二航局第四工程有限公司技術中心，安徽 蕪湖 241006）

鋼板樁圍堰在橋梁承臺施工中應用非常廣泛，其受水文地質(zhì)影響較大，需要準確高效的設計計算。文章以實際工程為背景，詳細介紹了入土深度、結(jié)構(gòu)強度及變形、穩(wěn)定性的分析與計算。結(jié)果表明：初步設計階段建議可以采用靜力平衡法及等值梁法計算入土深度、平面彈性地基梁法計算結(jié)構(gòu)強度及變形；施工圖設計階段建議可以對最不利工況進行空間彈性地基梁法整體建模計算和穩(wěn)定性的驗算。

橋梁工程；承臺施工；鋼板樁圍堰；靜力平衡法；彈性地基梁法

鋼板樁基坑圍堰應用廣泛于橋梁承臺施工，其具有防漏水性好、結(jié)構(gòu)輕型、施工簡便、可重復利用經(jīng)濟性好等優(yōu)點。但相對雙臂鋼圍堰、鋼套箱圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰等，其構(gòu)件強度及整體剛度較小，往往在入土深度不夠、開挖深度過大、施工水位過高、水流力或波浪力等不平衡荷載較大、支護不到位時很有可能出現(xiàn)材料強度破壞、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、或局部漏水等工程問題，從而造成嚴重后果。因此在實際施工中，應對圍堰結(jié)構(gòu)進行詳細設計與精確計算分析，以確保結(jié)構(gòu)安全。本文對S332安慶及至望江改建工程皖河大橋35#主墩承臺鋼板樁基坑圍堰進行闡述及分析探討。

1　工程概況

S332安慶及至望江改建工程皖河大橋主橋為5跨連續(xù)梁，跨徑布置為45 m+50 m+90 m+50 m+45 m，橋面全斷面寬60 m，分為4幅布置。35#主墩承臺尺寸為56.98 m×12 mm×3.5 mm，頂標高為+3.385 m，樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑1.8 m，梅花形布置。綜合水文地質(zhì)等條件擬采用鎖扣鋼板樁圍堰進行承臺澆筑施工，布置示意如圖1所示。

2　設計計算參數(shù)

2.1地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)該項目的地質(zhì)勘查報告，鋼板樁入土土層主要物理力學參數(shù)統(tǒng)計見表1。

2.2水文條件

項目區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，主橋橋位區(qū)河流為皖河，水位季節(jié)性變化較大，按照項目進度計劃安排，12月下旬插打鋼板樁，1月上旬圍堰混凝土封底，根據(jù)當?shù)厮牟块T及現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計資料，插打至封底前均無地表水，封底之后最大設防水位+6.500 m；橋位區(qū)地下水位類型為潛水型，埋深在0～8.6 m，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，35#主墩處地下水位在河床下0～1.0 m。水文參數(shù)見表2。

圖1　主墩鋼板樁圍堰布置圖（單位：mm）

表1　各土層主要物理力學性質(zhì)指標表

表2　水文參數(shù)表

3　結(jié)構(gòu)設計與分析

基坑結(jié)構(gòu)的設計分析方法包括早期的靜力平衡法、等值梁法、塑性鉸法等［1］，再發(fā)展到后期的彈性地基梁法、連續(xù)介質(zhì)法等。在實際工程中，應針對設計的不同階段，選擇合適的分析方法，快速而有效地進行結(jié)構(gòu)計算分析，為實際施工提供支持。

3.1初步設計階段入土深度計算

由于涉及到前期材料選型與備料，鋼板樁圍堰初步設計階段，在板樁材料規(guī)格確定之后首先要求確定的便是樁入土深度及樁長，參照《基坑工程手冊》第二版，鋼板樁插打時屬于懸臂式，建議采用靜力平衡法求入土深度，安裝第一道支撐后為單撐式，安裝第二道以上支撐時為多撐式，建議采用等值梁法計算較為方便有效。

靜力平衡法及等值梁法將土壓力作為外力施加于支護結(jié)構(gòu)，然后通過求解水平方向合力及支撐點彎矩為零的方程得到入土深度及支撐反力［2］，進而求出鋼板樁內(nèi)力圖，便可進行鋼板樁長度、材質(zhì)、截面的選??；支撐反力用來進行支護結(jié)構(gòu)設計。

3.1.1插打時

靜力平衡法求解主要控制參數(shù)為開挖時水頭高度，以皖河大橋35#主墩為例，試算水頭高度1～4 m時所需入土深度變化情況，見圖2。

圖2　最小入土深度隨水頭高度變化

由圖2可見，樁最小入土深度隨著水頭高度增長較為均勻，基本成線性增長狀態(tài)。

3.1.2單撐時

等值梁法求解主要控制參數(shù)為基坑開挖深度及基坑內(nèi)外水頭差，同樣以皖河大橋35#主墩地質(zhì)為例，試算開挖深度由1～4 m時（封底之前無地表水，開挖前泥面處安裝有一道支撐）所需入土深度變化情況見圖3、圖4。

圖3　最小入土深度隨挖土深度變化

圖4　泥面處位移隨挖土深度變化

由圖可知，樁最小入土深度隨著開挖深度增加受土質(zhì)影響很大，隨著開挖深度加大，土層抗剪強度指標提升，最小入土深度增長趨于緩慢。而泥面處位移隨開挖深度增加而迅速加大，因此施工開挖時應嚴密監(jiān)測泥面處位移。

3.1.3多撐時

多撐時同樣采用等值梁法計算入土深度，通常情況下，最后一道支撐安裝完畢后且基坑內(nèi)繼續(xù)開挖至封底混凝土層底部時，基坑內(nèi)外主、被動土壓力相差較大，常作為最不利工況進行計算。具體計算方法與單撐時類似，本文不再細述。

3.2初步設計階段支護結(jié)構(gòu)設計

支護結(jié)構(gòu)設計主要確定平面布置、立面布置、構(gòu)件規(guī)格。

3.2.1平面布置

支護結(jié)構(gòu)布置需綜合考慮，如鉆孔樁施工方案、鉆孔樁樁位、支撐與橋墩模板最小凈間距、承臺上架立塔吊基礎位置、承臺上架立0號塊支架鋼管樁樁位等［3］，主要考慮與整體施工方案相銜接配合，避免與主體結(jié)構(gòu)或其它臨時工程構(gòu)件發(fā)生干涉。因此每個橋每個圍堰情況不盡相同，本文不再具體分析。

3.2.2立面布置

同樣支護結(jié)構(gòu)布置考慮因素較多，如承臺高度、鉆孔樁樁頭高度、挖掘機械作業(yè)高度、鋼板樁強度指標等。

3.2.3構(gòu)件規(guī)格

按照《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120—2012），可將鋼板樁圍堰整體分解為擋土結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)［4］；擋土結(jié)構(gòu)宜采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性地基梁法進行分析，求出邊界支反力，將此支反力施加于內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進行計算分析，確定其規(guī)格。

3.3初步設計階段結(jié)構(gòu)強度及變形計算

上述靜力平衡法及等值梁法亦可進行結(jié)構(gòu)強度及變形計算，且工程上應用廣泛［5］，具有安全系數(shù)高，思路清晰的優(yōu)點，但手工計算工程量較大。

隨著有限元理論的運用，采用更簡便高效的有限元軟件進行平面彈性地基梁法計算得到更為廣泛的應用［6］，相關規(guī)范如《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120—2012）亦規(guī)定宜采用此方法，因此筆者亦建議采用平面彈性地基梁法進行鋼板樁強度及變形計算。

取單位寬度的擋土結(jié)構(gòu)視為豎直方向上的彈性地基梁，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)簡化為彈簧支座，基坑內(nèi)開挖面以下土體采用彈簧模擬，擋土結(jié)構(gòu)外側(cè)作用已知的水壓力及土壓力［7］。

取長度為b0的維護結(jié)構(gòu)作為分析對象，列出彈性地基梁的變形微分方程：

式中：EI為圍護結(jié)構(gòu)的抗彎剛度；y為圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移；z為深度；ea（z）為深度處的主動土壓力；m為地基土水平抗力比例系數(shù)；hn為第n步的開挖深度。

選取工況1～工況5進行分析，工況1為鉆孔未開挖，工況2～工況5開挖深度及按平面彈性地基梁法求出的鋼板樁應力及位移結(jié)果見表3。

表3　各工況鋼板樁應力及位移

工況2～工況3隨著開挖深度加大，鋼板樁應力增加，直至開挖至最大深度，鋼板樁應力增大至峰值70.9 MPa，工況4封底后板樁應力隨著減小，工況5水位上漲至+6.500 m時鋼板樁應力達到峰值108.2 MPa。

泥面處位移由工況2～工況3隨著開挖深度增加而加大，工況4～工況5封底后迅速減小并保持較小狀態(tài)；樁底位移在工況2～工況3隨開挖深度增加而基本保持不變，這主要是因為樁嵌固深度較為保守，工況4～工況5隨著水位上漲，樁底位移增長加快；樁最大位移出現(xiàn)在開挖最深時泥面處位移，施工時應嚴密觀測。

3.4施工圖設計階段空間整體模型計算

平面地基梁法圍檁支撐剛度計算時，邊界情況做了較大的簡化，對于空間效應較為明顯的基坑工程，采用平面分析方法不能反映基坑的三維變形規(guī)律［8］，可能會產(chǎn)生保守的結(jié)果，造成資源浪費；當基坑形狀不規(guī)則時，采用平面分析方法則無法反映所有的支撐結(jié)構(gòu)的受力和變形狀況［7］。因此建議在平面地基梁計算的基礎上選取不利工況進行空間彈性地基梁法空間整體模型計算。本工程選取開挖最深時的工況進行計算。計算模型見圖5。計算結(jié)果統(tǒng)計見表4。

圖5　整體計算模型

表4　整體計算模型結(jié)果

3.5施工圖設計階段穩(wěn)定性驗算

圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算包括整體穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定、抗?jié)B流穩(wěn)定性及抗突涌穩(wěn)定性驗算［7］。

整體穩(wěn)定性驗算目的是防止基坑支護結(jié)構(gòu)與周圍土體整體滑動而失穩(wěn)破壞，針對放坡開挖坑壁［7］；抗隆起穩(wěn)定驗算主要針對黏土基坑；抗傾覆及抗滑移穩(wěn)定主要驗算圍堰內(nèi)外水平力及對樁底力矩的平衡關系；抗?jié)B流穩(wěn)定性及抗突涌穩(wěn)定性驗算為防止基坑發(fā)生管涌、流土、突涌滲透破壞，砂土層易發(fā)生滲流破壞。

以上各種穩(wěn)定性驗算目前尚無統(tǒng)一的方法及公式，部分省份按照當?shù)氐牡刭|(zhì)水文條件出臺了一些地方專用的規(guī)范規(guī)程，具有很明顯的地方經(jīng)驗性。實際設計時應按照具體實際項目情況針對性地進行計算?？紤]到本文背景工程地質(zhì)情況，選取抗?jié)B流穩(wěn)定性及抗突涌穩(wěn)定性進行針對性驗算示例。

3.5.1抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算

選取工況5（開挖最深，水頭最高）作為最不利工況進行計算，抗流土安全系數(shù)：

式中：K抗流土為抗?jié)B流穩(wěn)定性安全系數(shù)；cl為土體浮重度；h土為基坑外泥面至地下水位高度；t為地下水位至樁底高度；γw為地下水重度；h水為基坑外地表水位至地下水位高度。

計算可得K抗流土=1.98＞1.6，滿足要求。

3.5.2抗突涌穩(wěn)定性驗算

抗突涌穩(wěn)定系數(shù)如下：

式中：K抗突涌為抗突涌穩(wěn)定系數(shù)；G封底混凝土重量；FW1為鋼護筒握裹力；FW2為鋼板樁與封底混凝土的粘結(jié)力；P為封底混凝土底面受承壓水壓力。

計算可得K抗突涌=1.10＞1.05，滿足要求。

4　結(jié)語

橋梁承臺施工鋼板樁基坑圍堰各異性較為明顯，施工方案、水文、地質(zhì)等因素均會對圍堰設計產(chǎn)生很大影響，目前尚無較為統(tǒng)一的強制性的設計規(guī)范條例。因此實際工程中宜選擇合適的設計計算方法，快速而有效地進行結(jié)構(gòu)計算分析。

在初步設計階段各構(gòu)件選型計算采用靜力平衡法和等值梁法，鋼板強度及變形計算優(yōu)先范圍平面彈性地基梁法，在施工圖階段則先按平面彈性地基梁法找出最不利工況（通常為開挖最深且尚未封底時）然后采用空間彈性地基梁法空間整體模型計算。

圍堰穩(wěn)定性須按照工程實際情況有針對性地進行驗算，如放坡開挖時整體穩(wěn)定性，黏土基坑抗隆起穩(wěn)定性，封底之前抗?jié)B流穩(wěn)定性，封底之后抗突涌穩(wěn)定性等等。

按以上步驟及方法進行設計與計算的背景工程實施后，實測結(jié)果表明基坑結(jié)構(gòu)強度、變形、穩(wěn)定性均得到較為合理有效的控制，保證了工程的順利進行。

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Design and Analysis of Steel Sheel Pile Cofferdam for Construction of Bridge Pile Cap

Jin Peng，Zhang Peng
（The Four Subsidiary of The Second Harbor Engineering Co.， Ltd， Wuhu 241006， China）

Steel sheet pile cofferdam had been widely used in the construction of bridge pile caps. It was greatly affected by hydrology and geology， needing accurate and efficient design and calculation. Taking the actual engineering as the background，this paper made some analysis and calculation about the buried depth， the structural strength and the stabilization. The results showed the static equilibrium method and the equivalent beam method could be used to calculate the buried depth， and the plane elastic foundation beam method to calculate the structural strength and deformation in preliminary design； the space elastic foundation beam method could be used to make global modeling calculation and checking calculation of stability in the detail design.

bridge engineering； pile cap construction； steel sheet pile cofferdam； static equilibrium method； elastic foundation beam method

U445.55+6

A

1672-9889（2016）02-0061-04

金鵬（1987-），男，安徽蕪湖人，助理工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設計工作。

（2015-10-12）