黃松雄

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，長沙 410004)

0 引言

在水中深基坑及水中承臺的施工過程中，因使用條件廣泛、效果好等特點，鋼板樁圍堰施工工藝被廣泛應(yīng)用。然而普通的鋼板樁圍堰施工工藝仍具有一定的局限性，目前鋼板樁圍堰施工一般適用于砂類土、半干性粘土、較軟的全風(fēng)化巖層。對于較硬的強(qiáng)、中風(fēng)化巖層及大粒徑卵石層地層，如直接插打鋼板樁，會造成鋼板樁因地質(zhì)較硬無法插打進(jìn)入且鋼板樁變形較大，進(jìn)而影響圍堰止水效果。

本文以海東市空港北路2號橋主墩強(qiáng)、中風(fēng)化巖層承臺基坑開挖工程為研究對象，采用旋挖鉆機(jī)引孔在回填土，然后以常規(guī)鋼板樁插打工藝施工的方式，有效解決了在較硬地層情況下的鋼板樁插打施工難題，效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益好。

1 深基坑鋼板樁圍堰施工技術(shù)要點

1.1 工程背景

空港北路2號橋左幅跨徑布置為(5×30m)+(3×70m)+(32.598m+2×34m+32.598m)，右幅跨徑布置為(4×30m)+(3×70m)+(5×30m)，主橋結(jié)構(gòu)形式為為雙層鋼桁梁連續(xù)梁橋，如圖1所示。其中，Z6、Z7、Y5、Y6墩為主墩水中承臺，承臺平面尺寸為10.3m×10.3m，埋深6.5m以上，地處湟水河淺灘范圍內(nèi)，地勢平坦。

圖1 空港北路2號橋主橋布置

1.2 基坑引孔與鋼板樁施工

本項目承臺基坑開挖深度達(dá)6.6m，且地下水位較高，施工時，選擇鋼板樁圍堰作為基坑支護(hù)的主要結(jié)構(gòu)形式。墩位處由上至下的下臥覆蓋層分別為：回填泥夾石(筑島圍堰)、卵石土層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖?？紤]到墩位處地質(zhì)情況主要為大粒徑卵石層及強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，采用常規(guī)鋼板樁插打工藝無法滿足施工要求。

鑒于此，本文采用“旋挖鉆機(jī)鉆孔+孔道回填砂及粉質(zhì)土”的鋼板樁引孔施工工藝，不僅解決了鋼板樁在卵石層及泥巖層難以插打的問題，同時通過回填砂及粉質(zhì)土保證鋼板樁嵌固段牢固。引孔孔徑1.0m，孔深11.5m，相鄰孔間咬合0.2m。引孔完成后對孔道內(nèi)進(jìn)行回填，回填材料采用“砂+粉質(zhì)干土”形式，樁基底以上3m采用砂回填，其它9m采用粉質(zhì)干土回填至樁頂面，如圖2所示。

圖2 鉆機(jī)引孔

圖3 鉆機(jī)引孔施工

鋼板樁圍堰采用IV型鋼板樁，整個圍堰共設(shè)置兩道工字鋼圍檁及內(nèi)支撐，鋼板樁圍堰鋼板樁長度12m，基坑底部入土5m以上。

鋼板樁插打依次進(jìn)入地層：大粒徑卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，整個承臺開挖深度為6.6m，圍堰內(nèi)部支護(hù)系統(tǒng)根據(jù)計算由上至下分別設(shè)置兩道雙拼工字鋼2I36b圍檁，內(nèi)撐為2I36b雙拼工字鋼。具體見圖4和圖5所示。

圖4 引孔鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)平面

圖5 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)立面

1.3 基坑引孔與鋼板樁圍堰施工

鋼板樁圍堰的插打采用90t振動錘進(jìn)行插打施工。正式插打施工時，先對插打位置進(jìn)行放樣定位，并采用雙拼2I36b工字鋼，通過連接板連接固定形成定位架進(jìn)行定位。

圖6 鋼板樁插打定位架

鋼板樁插打施工時，根據(jù)放樣位置逐一進(jìn)行插打施工，確保插打位置準(zhǔn)確，深度滿足要求。當(dāng)鋼板樁插打施工僅剩最后幾根合攏時，需先插后打，并對鋼板樁位置進(jìn)行調(diào)整及矯正，確保圍堰順利合攏。

鋼板樁圍堰插打完成后，進(jìn)行基坑開挖。待基坑開挖至圍檁施工工作面時，進(jìn)行圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)施工。圍檁及內(nèi)支撐采用雙拼2I36b工字鋼，在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝并焊接固定(圖7)。

圖7 空港北路2號橋鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

1.4 施工步驟

綜上，整個鋼板樁圍堰基坑施工過程可分為五個施工工況，具體的工況見表1。

表1 鋼板樁圍堰施工步驟

2 鋼板樁圍堰穩(wěn)定性驗算及施工監(jiān)測模型

2.1 基坑主動土壓力計算

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)》，擋土結(jié)構(gòu)采用彈性支點法進(jìn)行模擬，根據(jù)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)受力特點,土側(cè)壓力計算采用朗肯理論，其中砂性土水土分算，粘性土則水土合算。

主動土壓力計算公式：

(1)

γF—作用基本組合的綜合分項系數(shù)，取1.25。

γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，鋼板樁圍堰基坑深度為6.6m<8m，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)》，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

γ—土層重度，Z—土層距離地面深度，c—土層粘聚力。

Ka—主動土壓力系數(shù)。

表2 土層相關(guān)參數(shù)

在MIDAS中支護(hù)結(jié)構(gòu)與地基接觸部位采用彈性支點法計算，故本文僅計算各土層的主動土壓力。彈性支點法的計算模型如圖8所示。

圖8 規(guī)范要求的彈性支點法計算模型

根據(jù)式(1)以及施工工況，得出基坑外側(cè)主動土壓力：

PaA上=(18×0.87-2×10×0.65+20)×1.1×1.25=31.16kPa；

PaA下={[(18-10)×0.87+20]×0.422-2×10×0.65+10×0.87}×1.1×1.25=9.73kPa；

Pac上={[(18-10)×0.87+(20-10)×(2.8+7.83)+20)]×0.422-2×10×0.65}×1.1×1.25=59.45kPa。

圖9 承臺開挖與回填主動土壓力

2.2 基坑應(yīng)力與變形

根據(jù)主動土壓力計算結(jié)果以及支撐的結(jié)構(gòu)形式建立MIDAS整體模型，底部采用滑動鉸支座，鋼板樁與土接觸部分均采用彈性連接，外側(cè)加載主動土壓力。加載整體模型如圖10所示。

圖10 承臺鋼圍堰計算結(jié)構(gòu)模型

本文根據(jù)開挖及回填的工況進(jìn)行建模計算，其中工況五比工況一受力更穩(wěn)定，故不考慮。經(jīng)計算，各構(gòu)件最大受力與最大變形如圖11和圖12所示。

圖11 鋼板樁最大應(yīng)力圖(工況三)

圖12 鋼板樁最大位移圖(工況四)

鋼板樁最大應(yīng)力發(fā)生在工況三，為28.53×2.05=58.49MPa<[σ]=215MPa,滿足應(yīng)力要求。

鋼板樁最大變形發(fā)生在工況四，為5.4mm,滿足施工要求。

圖14 內(nèi)支撐最大位移圖(工況三)

內(nèi)支撐最大應(yīng)力發(fā)生在工況三，為22.84MPa<[σ]=215MPa,滿足應(yīng)力要求。

內(nèi)支撐最大變形發(fā)生在工況三，為5.1mm<[f]=12 500/400=31.25mm，滿足撓度要求。

2.3 桿件彎曲穩(wěn)定性驗算

以上五個工況計算中，根據(jù)斜撐受力最大狀況進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。各桿件受力狀態(tài)見表3(工況五不考慮)。

表3 各構(gòu)件最大應(yīng)力

根據(jù)統(tǒng)計的各部位桿件最大應(yīng)力，進(jìn)行桿件局部穩(wěn)定性分析(表4)。

表4 桿件穩(wěn)定性驗算結(jié)果

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017-2003)》，受壓桿件的允許長細(xì)比為150，以上桿件均滿足要求。

根據(jù)以上驗算結(jié)果，各桿件穩(wěn)定性均符合要求。

2.4 鋼圍堰的開挖基坑監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，在Z6#、Z7#、Y5#、Y6#主墩承臺基坑各頂部位置布置四個監(jiān)測點，單個基坑測點布置如圖15所示。

以Z6#墩基坑為例，施工過程中根據(jù)圖15所布置的監(jiān)測點對四個基坑從開挖到回填過程進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，該基坑從施工工況一到施工工況四共歷時28d，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5。

圖15 單個基坑變形監(jiān)測點

表5 水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過以上實際監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，整個基坑的施工全過程中各項位移監(jiān)測數(shù)據(jù)均在合理范圍內(nèi)，滿足要求。

3 結(jié)語

本文采用旋挖鉆引孔回填后插打鋼板樁施工技術(shù)，解決了常規(guī)鋼板樁施工工藝在較硬地質(zhì)情況下插打困難、效果不佳等問題。相關(guān)技術(shù)在空港北路2號橋項目得以應(yīng)用且效益明顯，為該項目順利竣工奠定了基礎(chǔ)，同時，也為類似項目提供了參考經(jīng)驗。由于護(hù)筒跟進(jìn)至泥巖層，封水效果不佳的原因，本文在引孔后孔道內(nèi)回填材料選擇方面亦存在不足之處，回填的好壞直接影響引孔鋼板樁圍堰插打定位的準(zhǔn)確性，相關(guān)問題仍有待進(jìn)一步研究和完善。