梁生武， 馬少軍, 姜 楓

(1.中國(guó)鐵路總公司工程管理中心, 北京 100038; 2. 中鐵六局集團(tuán)太原鐵建公司, 山西太原 030013; 3. 中鐵建工集團(tuán)有限公司西南分公司, 貴州貴陽(yáng) 550002)

鋼板樁作為一種常見(jiàn)的基坑支護(hù)形式，具用施工速度快、相對(duì)施工費(fèi)用低、具有很好的防水功能，且可多次周轉(zhuǎn)使用的特點(diǎn)，在工程建設(shè)領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用于建橋圍堰、大型管道鋪設(shè)、臨時(shí)溝渠開(kāi)挖時(shí)作擋土、擋水、擋沙墻。在水位不深的基礎(chǔ)施工中，水深、流速、潮汐等環(huán)境荷載可能是控制鋼板樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。鋼板樁的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于不同的地質(zhì)條件和環(huán)境條件下，設(shè)計(jì)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范可以遵循，鋼板樁圍堰的不同工況下的受力分析關(guān)系到圍堰的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 工程簡(jiǎn)介

新建南沙港鐵路通過(guò)廣珠鐵路向北連接京廣鐵路，輻射中南地區(qū)，向西溝通貴廣高鐵、南廣高鐵、柳肇鐵路等鐵路線路，輻射西南地區(qū)，向東銜接廣深鐵路(廣九鐵路)等。鐵路自既有廣珠鐵路線上新建鶴山南站接軌引出，途經(jīng)江門(mén)市鶴山、蓬江，佛山市順德均安，中山市小欖、東鳳、南頭、黃圃，廣州市萬(wàn)頃沙站至南沙港站，向南延伸至南沙港區(qū)南部車(chē)場(chǎng)。

洪奇瀝水道特大橋全長(zhǎng)13.54 km，于DK48+065處跨越黃圃水道，水道與線路夾角76°。該處設(shè)置60+100+60 m連續(xù)梁一座， 74#、75#主墩位于河道內(nèi)。黃圃水道為Ⅵ級(jí)航道，河道20年水位為3.41 m。日均潮差2 m。本橋承臺(tái)信息見(jiàn)表1。

表1 承臺(tái)信息 m

地質(zhì)層主要為淤泥層，其厚度達(dá)35 m。地基承載力為50 kPa，淤泥含水量大，主要為流塑性，水力聯(lián)系通暢，略具承壓性,水量較豐富(圖1)。

圖1 地質(zhì)柱狀

2 鋼板樁設(shè)計(jì)原則及方案

本橋主墩基礎(chǔ)位于河道內(nèi)，基礎(chǔ)埋入河床以下，同時(shí)本橋所在河道每日受潮汐影響，因此必須考慮不同工況條件下的鋼板樁圍堰穩(wěn)定性、管涌、突涌、抗浮及構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。同時(shí)需要分別考慮圍堰開(kāi)挖至圍堰底時(shí)的狀況；支撐式圍堰結(jié)構(gòu)，圍堰開(kāi)挖至各層支撐施工面時(shí)的狀況；在主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中分析拆、撐工況；水平內(nèi)支撐式圍堰結(jié)構(gòu)，圍堰各邊水平荷載不對(duì)稱(chēng)的各種工況下計(jì)算。

2.1 方案的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)情況，綜合考慮工期及經(jīng)濟(jì)等因素，本橋承臺(tái)基礎(chǔ)施工時(shí)采用VI型拉森鋼板樁進(jìn)行基坑支護(hù)。鋼板樁頂部高出20年一遇水位標(biāo)高0.5 m以上，設(shè)計(jì)鋼板樁頂標(biāo)高為3.91 m，本文以74#承臺(tái)圍堰的設(shè)計(jì)為例。

承臺(tái)底標(biāo)高-8.576 m，封底混凝土厚度2 m，則74#墩承臺(tái)底至鋼板頂高度為13.986 m。圍堰設(shè)置4道內(nèi)斜撐，標(biāo)高分別為3.224 m、-0.276 m、-3.776 m及-5.776 m；圍堰長(zhǎng)度16.20 m，寬度15.20 m。圍檁有兩種形式，首道圍堰為2I32b工字鋼，其他為H型HN588×300×11×18窄翼型鋼。鋼板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)撐平面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

施工流程為：(1)鉆孔樁施工結(jié)束后拆除鉆孔平臺(tái)、保留支棧橋，并安裝鋼板樁插打?qū)颍?2)鋼板樁在支棧橋進(jìn)行插打，完成全部鋼板樁的插打；(3)鋼板樁圍堰合攏后，進(jìn)行第一道內(nèi)支撐安裝、焊接施工；(4)抽水至第二道支撐下約0.5 m，安裝第二道支撐；(5)水下吸泥至封底混凝土頂面位置；(6)水下C30混凝土封底；(7)抽水至第三道內(nèi)支撐下約0.5 m，安裝第三道支撐。抽水至最后第四道支撐下約0.5 m，安裝第四道支撐；(8)抽水至封底混凝土；(9)第一次施工承臺(tái)2 m；(10)承臺(tái)與鋼板樁間回填沙1.5 m，施工臨時(shí)圈梁0.5 m;(11)拆除最下面一道鋼支撐；(12)第二次施工承臺(tái)2 m。

圖2 鋼板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)撐平面設(shè)計(jì)

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)取值

鋼板樁承受荷載主要為土壓力及水壓力，可不考慮風(fēng)力、船舶和漂浮物撞擊力及溫度等作用的影響。根據(jù)項(xiàng)目情況，分別確定土層、墩位標(biāo)高參數(shù)、鋼板樁截面參數(shù)及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)情況取值見(jiàn)表2～5。

表2 計(jì)算土層參數(shù)表

表3 墩位參數(shù)

表4 鋼板樁截面參數(shù)

采用容許應(yīng)力法，各種材料的容許應(yīng)力取值可參照TB 10002.4-2005《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值。

表5 內(nèi)支撐截面參數(shù)

2.3 荷載計(jì)算

(1)土壓力

圍堰外側(cè)的土壓采用主動(dòng)土壓力，圍堰內(nèi)側(cè)的土壓采用被動(dòng)土壓力。根據(jù)本橋地質(zhì)，對(duì)于淤泥，采用朗肯水土合算土壓計(jì)算公式。

圍堰外側(cè)主動(dòng)土壓：

圍堰內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓：

(2)靜止水壓力(作用于圍堰的四周的靜水壓力)可按下列公式計(jì)算：

μa=γwhwa

γw取10 kN/m3；計(jì)算可得出μa=γwhwa=10×7.82=78.2kPa

(3)流水壓力計(jì)算(作用于鋼圍堰迎水面的流水壓力)按照如下公式計(jì)算。

主動(dòng)、被動(dòng)土壓系數(shù)計(jì)算方法可得出各項(xiàng)系數(shù)取值(表6)。

表6 系數(shù)取值

2.4 計(jì)算工況

由于最不利工況為圍堰內(nèi)抽水至封底混凝土頂面，此時(shí)內(nèi)外的水壓差最大，僅對(duì)此工況條件下圍堰進(jìn)行計(jì)算。

3 鋼板樁圍堰計(jì)算

將整個(gè)結(jié)構(gòu)分解為圍堰結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析。圍堰結(jié)構(gòu)采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法進(jìn)行分析；內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)按平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，擋士結(jié)構(gòu)傳至內(nèi)支撐的荷載取圍堰結(jié)構(gòu)分析時(shí)得出的支點(diǎn)力。對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析時(shí)，考慮其相互之間的變形協(xié)調(diào)。多撐鋼板樁嵌固深度按照下式計(jì)算(圖3)。

γ(Kp-Ka)t2=Ka(γH+q)(t+l)

河床面水壓力q=10 kN/m3×(3.41-(-4.41))=78.2 kN/m2。計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表7，鋼板樁長(zhǎng)度28.9 m。

圖3 嵌固深度計(jì)算圖示

表7 嵌固深度計(jì)算參數(shù)及結(jié)果 m

4 封底混凝土抗浮計(jì)算

封底混凝土需要滿足抗浮穩(wěn)定性要求，抗浮安全系數(shù)≥1.15。按照抗浮安全系數(shù)和設(shè)計(jì)封底混凝土厚度2 m，抗浮計(jì)算公式為:

P=γwhwAn

Gc=γcVc

F1=τ1S1

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 混凝土抗浮計(jì)算參數(shù)

(1)承臺(tái)封底混凝土抗浮計(jì)算

對(duì)承臺(tái)封底混凝土抗浮計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 封底混凝土抗浮計(jì)算結(jié)果

(2)混凝土厚度驗(yàn)算

圍堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水頭差引起的向上的管涌力，封底混凝土標(biāo)號(hào)為C30，其容重γ=24 kN/m3，封底混凝土厚度保證不小于計(jì)算厚度。封底混凝土厚度需同時(shí)滿足下兩式要求:

η為考慮樁基鋼護(hù)筒約束作用的折減系數(shù)，依經(jīng)驗(yàn)取0. 7；K為安全系數(shù)，按抗拉強(qiáng)度計(jì)算的受壓、受彎構(gòu)件為2.65。

計(jì)算得出hc=1.7722m<2.0m，封底混凝土厚度滿足要求。

5 穩(wěn)定性計(jì)算

5.1 整體穩(wěn)定性計(jì)算

采用瑞典條分法計(jì)算，應(yīng)力狀態(tài)按總應(yīng)力法，土條寬度取1.00 m。鋼板樁長(zhǎng)28.9 m計(jì)算，圍堰底至鋼板樁底端長(zhǎng)度為16.7 m。計(jì)算得整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.503>1.35，滿足要求。

5.2 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

抗傾覆安全系數(shù):

Mp為被動(dòng)土壓力、支點(diǎn)力及附加水平力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動(dòng)土壓力和附加水平力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

在施工封底混凝土之前(即施工完第二道支撐之前)，需要驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定性。根據(jù)不同工況計(jì)算(內(nèi)撐一材料抗力取500 kN/m)，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5.3 流土穩(wěn)定性計(jì)算

其中:Kf為流土穩(wěn)定性安全系數(shù)；安全等級(jí)按一級(jí)的基坑支護(hù)，流土穩(wěn)定性安全系數(shù)不應(yīng)小于1.6；計(jì)算得出K=3.186≥1.6, 滿足規(guī)范要求。

5.4 抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算

抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算包括地基承載力驗(yàn)算及圓弧滑動(dòng)面驗(yàn)算。圓弧滑動(dòng)面驗(yàn)算是在圍堰內(nèi)抽水進(jìn)行清底及封底混凝土施工時(shí)需對(duì)按圓弧滑動(dòng)模式驗(yàn)算繞最下道內(nèi)支撐(或錨拉)點(diǎn)的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算，本工程施工工藝中是在未全部抽水情況下水下清底及施工封底混凝土，因此不需要進(jìn)行圓弧滑動(dòng)面驗(yàn)算。地基承載力驗(yàn)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4，為：

圖4 地基承載力驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

Nq=eπtanφktan2(45°+φk/2)

Nc=(Nq-1)/tanφk

式中：Kt為抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)，按一級(jí)安全等級(jí)圍堰取2.5；封底混凝土容重24 kN/m3，摩擦角45度，粘聚力500 kPa；淤泥容重17 kN/m3，摩擦角5度，粘聚力7 kPa。鋼板樁入土深度t=16.7 m。計(jì)算得出Kt>2.5，滿足抗隆起穩(wěn)定性要求。

6 鋼圍堰受力分析

6.1 計(jì)算模型

鋼板樁長(zhǎng)度按照28.9 m，圍堰底至鋼板樁底端長(zhǎng)度為16.7 m。將流水壓力換算成集中荷載，施加至鋼板樁上。靜水壓力及土壓力在模型中輸入?yún)?shù)后自動(dòng)計(jì)算添加。

6.2 單元計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果主要包括鋼板樁、圍檁及內(nèi)撐。采用理正深基坑軟件單元建模方案進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得出鋼板樁最大變形35.4 mm，內(nèi)撐軸力值見(jiàn)表11。

表11 內(nèi)撐軸力值 kN

鋼板樁最大應(yīng)力243MPa<310MPa(圖5)。

圖5

6.3 整體模型計(jì)算結(jié)果

整體模型計(jì)算整體變形、鋼板樁內(nèi)力、圍檁內(nèi)力及內(nèi)撐內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算得出鋼板樁圍堰整體最大變形2.844 mm；最大變形為第一道斜撐L1(圖6)；鋼板樁最大水平彎矩648.3 kN·m(圖7)；承臺(tái)鋼圍檁最大彎矩2.139 kN·m(圖8)；鋼斜撐最大彎矩14.2 kN·m，最大軸力371.4 kN(圖9～圖10)。

7 計(jì)算結(jié)果分析

整體模型由于是整體協(xié)同作用計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力比單元計(jì)算結(jié)果偏小。在結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí)，采用單元計(jì)算結(jié)果最大值。

(1)鋼圍堰結(jié)構(gòu)整體變形最大值2.845 mm，滿足要求。

(2)鋼板樁最大彎矩674 kN·m，鋼板樁截面模量2 555cm3/m，最大應(yīng)力264MPa<310MPa。

圖6 鋼圍堰變形

圖7 鋼圍堰水平彎矩

圖8 墩圍檁彎矩

圖9 斜撐彎矩

圖10 斜撐軸力

(3)內(nèi)撐最大軸力592kN<2 119kN(內(nèi)撐最小承載力設(shè)計(jì)值)，內(nèi)撐穩(wěn)定性計(jì)算折減系數(shù)取0.3時(shí)，0.3×2 119 kN=635 kN>592 kN，滿足要求。

8 結(jié)論

本文通過(guò)在項(xiàng)目中采用超長(zhǎng)鋼板樁設(shè)計(jì)進(jìn)行基坑支護(hù)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的項(xiàng)目效益和經(jīng)濟(jì)效益，為今后同類(lèi)項(xiàng)目中超長(zhǎng)鋼板樁的使用積累了經(jīng)驗(yàn) 。并通過(guò)本項(xiàng)目可看出在對(duì)不良地質(zhì)的不同鋼板樁設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)、水文情況和不同工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別需要結(jié)合工程施工順序進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)不同階段的工況進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)有潮汐影響時(shí)，要適當(dāng)考慮水流對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響，同時(shí)在施工中要加強(qiáng)對(duì)圍堰變形的觀測(cè)，以確保施工安全。