顧軍生

（中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 襄陽 441000）

0 引言

鋼管樁圍堰在國內(nèi)應(yīng)用起步較早，在大型橋梁承臺(tái)水深、坡陡、近岸、深埋的特定施工條件下,采用鎖口鋼管樁圍堰作為深水、大面積、深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)是比較經(jīng)濟(jì)可靠的[1-3]。本文以廣州南沙港鐵路西江特大橋跨西江水道斜拉橋157#墩主墩的施工為例，研究大型鋼管樁圍堰的設(shè)計(jì)，并結(jié)合理論和有限元計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算，判斷基坑開挖過程中圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程概況與水文地質(zhì)條件

1.1 工程概況

新建廣州南沙港鐵路西江特大橋跨西江水道斜拉橋（見圖1）位于西江與古鎮(zhèn)水道的分流口處。西江為I級(jí)航道，通航凈高22m，通航凈寬350m，通航3000t級(jí)海輪，目前橋址處西江水面寬約840m。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

主橋采用（2×57.5+172.5+600+4×57.5）m混合梁斜拉橋，主跨600m，長1118.7m。主橋位于雙向3‰的縱坡上，變坡點(diǎn)位于主跨跨中處，豎曲線半徑為10000m，平面位于直線上。小里程鋼-混分界點(diǎn)位于172.5m邊跨距離輔助墩10.5m處，大里程鋼-混分界點(diǎn)位于600m主跨距離P157#橋塔26m處。兩處鋼-混結(jié)合段之間采用鋼箱梁，兩側(cè)邊跨采用混凝土箱梁。

主塔157#墩為低樁承臺(tái)，采用鋼管樁圍堰，承臺(tái)尺寸為44.7m×36.8m×6m，承臺(tái)底標(biāo)高-7.561m。圍堰平面尺寸47.73m×39.96m，鋼管樁長25m，基坑深度13.361m，為減少鋼管樁深度，且滿足基底抗隆起計(jì)算要求，承臺(tái)底以下設(shè)計(jì)5m粉噴樁處理區(qū)域。

1.2 水文地質(zhì)條件

西江橋址位置最高通航水位+6.530m，最低通航水位0.290m，百年一遇設(shè)計(jì)水位為6.77m，百年一遇設(shè)計(jì)流速為1.6m/s。水流方向與線路中心線方向夾角為85°，局部沖刷深度為水面以下11.937～25.492m；通過對(duì)江門（潮連）站近10年各月最高水位和最低水位調(diào)查得知西江每年水位最高的月份為6～8月，10年內(nèi)最高與最低水位分別是：最高水位標(biāo)高+5.264m，最低水位標(biāo)高0.064m。

157#墩所處位置覆蓋層上部主要為素填土、粉砂、淤泥和淤泥質(zhì)粘土，覆蓋層中部為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及細(xì)砂巖，覆蓋層下部為弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及細(xì)砂巖。

2 鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

2.1 施工臨時(shí)圍堰方案優(yōu)選

根據(jù)157#墩處地質(zhì)情況和項(xiàng)目工期的要求，結(jié)合施工單位近幾年相似橋梁深基坑圍堰的施工經(jīng)驗(yàn)以及佛山市西江水道附近橋梁深水圍堰施工案例，初步確定三種圍堰結(jié)構(gòu)形式：拉森鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、雙壁鋼圍堰。對(duì)三種圍堰結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算，鋼板樁圍堰受力不能滿足使用要求，項(xiàng)目就鋼管樁圍堰和雙壁鋼圍堰（詳見表1）在使用性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析比選。

表1 圍堰方案對(duì)比分析表

根據(jù)圍堰方案的對(duì)比分析，最終選擇鋼管樁圍堰作為最終圍堰形式。

2.2 鋼管樁圍堰適用性與優(yōu)點(diǎn)

（1）鋼管樁圍堰適用性：1）基坑開挖深度比較深或水頭差較大，基坑以下土質(zhì)較差情況或者鋼板樁圍堰自身剛度不能滿足使用要求的情況可采用鋼管樁圍堰；2）地層為砂性土、黏性土、礫石土等小顆粒土體，地層中不含有大塊碎石、孤石并且土體顆粒差異性較小的土層可采用鋼管樁圍堰。

（2）鋼管樁圍堰優(yōu)點(diǎn)：1）深基坑圍堰中與其他圍堰相比用鋼量相對(duì)較??；2）加工簡單周期短，施工機(jī)械化速度快，效率高；3）鋼材回收率高。

2.3 鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)方案

157#墩鋼管樁圍堰采用鎖口鋼管樁，其中主管采用Ф820mm×10mm螺旋鋼管，鎖口樁間距1.11m，鋼管樁長25m，鎖口長度20m，平面尺寸47.73m×39.96m（見圖2）。鋼管樁鎖口采用C-T型，C型鎖口采用Ф180mm×8mm鋼管，開槽寬度28mm，T型鎖口采用I20a工字鋼。鋼管樁圍堰頂高程設(shè)置為5.5m，鋼管樁底高程設(shè)置為-19.5m。

圖2 鋼管樁圍堰平面布置圖（單位：mm）

圍堰設(shè)三層圈梁，在+3.5m高程處設(shè)置第一層圈梁，圈梁采用2I56b，倒角撐以及內(nèi)支撐主鋼管為Ф820mm×10mm，平聯(lián)與斜撐分別是Ф630mm×10mm與Ф426mm×10mm圓鋼管；在-0.45m高程處設(shè)置第二層圈梁，圈梁采用2HN850×300，圈梁與鎖口鋼管樁焊成整體，圈梁內(nèi)支撐以及倒角撐均采用Ф1000mm×14mm鋼管，平聯(lián)與斜撐分別是Ф820mm×10mm與Ф630mm×10mm圓鋼管；在-3.95m高程處設(shè)置第三層圈梁，圈梁采用2HN1000×300，圈梁與鎖口鋼管樁焊成整體。圈梁內(nèi)支撐以及倒角撐均采用Ф1000mm×14mm鋼管，平聯(lián)與斜撐分別是Ф820mm×10mm與Ф630mm×10mm圓鋼管，鎖口鋼管樁圍檁及內(nèi)支撐材料均為Q345b。

設(shè)計(jì)方案中鋼管樁圍堰的施工步驟：鉆孔樁施工完成→場地清理→安裝導(dǎo)向架→插打鋼管樁→粉噴樁施工→干挖至第一道圍檁以下0.5m→安裝第一道圍檁及支撐→干挖至第二道圍檁以下0.5m→安裝第二道圍檁及支撐→干挖至第三道圍檁以下0.5m→安裝第三道圍檁及支撐→干挖至墊層底→基坑清理及封底→施工首層承臺(tái)→拆除第三道支撐→施工第二層承臺(tái)→拆除第二道支撐→塔座以及3m實(shí)心段塔身施工→基坑回填至第一道圍檁以下0.5m→拆除第一道圍檁及支撐→回填至原地面→拔出鋼管樁[4]。

2.4 鋼管樁圍堰參數(shù)與工況設(shè)計(jì)

2.4.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

鋼管樁圍堰具體參數(shù)設(shè)計(jì)可見表2。

表2 鋼管樁圍堰參數(shù)設(shè)計(jì)表（單位：m）

2.4.2 工況設(shè)計(jì)

按照施工工序，本設(shè)計(jì)主要考慮以下不利荷載工況：

工況1：圍堰內(nèi)開挖至第一層支撐以下0.5m處，準(zhǔn)備安裝內(nèi)支撐時(shí)的最不利工況；

工況2：第一層內(nèi)支撐安裝完畢后，圍堰內(nèi)開挖至第二層內(nèi)支撐以下0.5m處還未安裝第二層內(nèi)支撐時(shí)；

工況3：第二層內(nèi)支撐安裝完成后，圍堰內(nèi)開挖至第三層支撐標(biāo)高以下0.5m處時(shí)；

工況4：第三層內(nèi)支撐安裝完成后，圍堰內(nèi)開挖至設(shè)計(jì)底標(biāo)高。

各工況考慮兩種荷載組合形式，即標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合。

荷載組合形式如下：

以上組合中，標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算結(jié)果用來評(píng)價(jià)剛度指標(biāo)，基本組合計(jì)算結(jié)果用來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)。

2.5 鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)驗(yàn)算

2.5.1 抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算簡圖見圖3。

圖3 抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算簡圖

最不利工況（工況4）抗隆起穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)：

式中：

D——入土深度；

H——開挖深度；

γ1——墻體外側(cè)土體重度；

γ2——基坑底土體重度；

N、c Nq——地基承載力系數(shù)；

q1——墻體外側(cè)超重；

q2——墻體內(nèi)側(cè)超重。

通過計(jì)算可知，圍堰抗隆起計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)2.25＞1.4,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[5]。

2.5.2 踢腳穩(wěn)定性驗(yàn)算

嵌固穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)：

式中：

Epk——基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用；

Eak——基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力合力作用；

ap2——基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至支點(diǎn)的距離；

aa2——基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至支點(diǎn)的距離。

經(jīng)計(jì)算可知，踢腳穩(wěn)定性2.53＞1.15,滿足基坑三級(jí)穩(wěn)定性要求。

2.5.3 圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《建筑基坑技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，選擇工況4進(jìn)行圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算簡圖見圖4。

圖4 圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算簡圖

計(jì)算結(jié)果表明，工況4的鎖扣鋼管樁圍堰圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性，滿足基坑三級(jí)安全等級(jí)要求。

2.5.4 各工況有限元驗(yàn)算

各工況下鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鋼管樁圍堰有限元計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可知，鋼管樁圍堰有限元模擬計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[6]。

2.5.5 結(jié)果校核

從表3可知工況4的情況，校核如下：

（1）鋼管樁：σvon=194＜f=205（MPa）；

（2）圍檁：σvon=242＜f=300（MPa）；

（3）內(nèi)支撐：σvon=258＜f=300（MPa）。

由計(jì)算結(jié)果可知，鎖扣鋼管樁圍堰計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 結(jié)束語

鋼管樁圍堰能夠很好地滿足深基坑施工的要求，設(shè)計(jì)過程中需要注意：（1）土壓力計(jì)算過程中需要注意土層的參數(shù)選取，內(nèi)摩擦角、粘聚力等參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算影響很大，取值應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告或相應(yīng)的土工試驗(yàn)確定。（2）對(duì)于淤泥質(zhì)深基坑中水壓力計(jì)算，水壓力應(yīng)該從水面標(biāo)高至樁底標(biāo)高范圍全部進(jìn)行計(jì)算。（3）確定鋼管樁入土深度的計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工節(jié)段驗(yàn)算入土深度。進(jìn)行鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)時(shí)，只有準(zhǔn)確地開展設(shè)計(jì)才能保證施工的安全以及施工的總體質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。