單層鋼板樁深水圍堰工程實(shí)例分析

摘要：常熟至福山公路B標(biāo)望虞河大橋主墩水中墩采用單層鋼板樁深水圍堰方案施工，本文根據(jù)現(xiàn)場設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測情況，對(duì)圍堰封底、支撐作了具體分析。

關(guān)鍵詞：鋼板樁；圍堰；封底；支撐

1． 工程概況

本工程基坑圍堰位于常熟市常熟至福山公路望虞河上。望虞河是太湖流域東北部的一條入江河道，主要為太湖泄洪之用。望虞河大橋主橋?yàn)閼覞差A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主墩4號(hào)、5號(hào)墩為水中墩，采用單層鋼板樁深水圍堰方法施工。本文以4號(hào)墩圍堰施工為例對(duì)單層鋼板樁深水圍堰作具體分析。主墩為埋置式承臺(tái)，埋入河床泥面以下0.7m左右。由于望虞河連接長江，受潮汐水位影響比較大，施工期間水位為1.5m~2.0m。鋼板樁頂標(biāo)高控制為2.5m。基坑底至施工水位平均為11.0m。本橋承臺(tái)尺寸為6.7m×14.7m，采用10m×18m的鋼板樁圍堰進(jìn)行施工，鋼板樁長為18m。其尺寸見示意圖。

2． 工程地質(zhì)情況

本基坑鋼板樁埋深范圍內(nèi)地質(zhì)情況為：

⑴層 第一層 亞粘土，灰黃色，軟塑~可塑 高程為 -5.8m ~ -11.1m。

⑵層 第二層 粉砂夾亞粘土，灰、灰黃色，稍密~中密 高程為 -11.1m ~ -13.3m。

⑶層 第三層 亞粘土，灰黃色，密實(shí) 高程為 -13.3m及以下。

表1. 基坑中土性參數(shù)表

3． 方案的選取

本基坑設(shè)計(jì)時(shí)，首先按先抽水再挖土的干挖法設(shè)計(jì)，對(duì)選用鋼板樁長度、基坑穩(wěn)定性能進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 坑底涌砂驗(yàn)算

本基坑范圍內(nèi)的亞粘土及粘土的含砂量較大，土層中間又有一層粉砂夾亞粘土層，所以對(duì)基坑內(nèi)抽水可能引起涌砂的危險(xiǎn)。

對(duì)基坑進(jìn)行涌砂驗(yàn)算（如圖2（a）所示），不產(chǎn)生涌砂的安全條件為：

K·i·rw≤rb

式中：K—安全系數(shù)；

i—水力梯度，i=h’/(h1+t)；

rw—水的容重；

rb—土的浮容重。

本基坑中：t=6.5m；h1=9.7m；h’=11.0m；

e=0.82；rs=2.719；rb=0.94g/cm3

K=rb/(i·rw)=0.94/(0.679·1)=1.4

3.2 坑底隆起驗(yàn)算

開挖基坑時(shí)，在坑壁土體自重及外荷載作用下，坑底軟土可能受擠在坑底發(fā)生隆起現(xiàn)象（如圖2中（b）所示）。滑動(dòng)安全系數(shù)為：

Ks=(π+2a)Su/(rH+q)

=(π+2·1.22)·28.6/(19.3·3.2+78)=1.1

3.3 方案選擇

由以上驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)本基坑在使用18m的鋼板樁的情況下，對(duì)基坑不出現(xiàn)涌砂情況的安全系數(shù)為1.4，而一般取值須要2.0；不出現(xiàn)隆起的安全系數(shù)為1.1 ，通常情況應(yīng)≥1.2。所以，選用干挖法時(shí)的危險(xiǎn)性比較大，在本基坑中宜采用濕挖法施工。即在完成鋼板樁施工后，進(jìn)行水下吸泥，水下混凝土封底，再進(jìn)行支撐、抽水，最后進(jìn)行承臺(tái)的施工。

4．圍堰封底施工

4.1水下混凝土性能

圍堰水下封底應(yīng)全斷面一次連續(xù)澆注完成。為此，首先組織盡可能大的混凝土供應(yīng)和澆注能力。圍堰封底混凝土為450m3，采用2臺(tái)泵機(jī)泵送，混凝土供應(yīng)量為60~70m3/h。澆注在7小時(shí)之內(nèi)完成。其次，研究水下混凝土的配合比設(shè)計(jì)，采用低熱水泥和良好的粗、細(xì)骨料，摻加適量粉煤灰和外加劑。從而使混凝土拌和物和易性良好，可泵性好，初凝時(shí)間長，坍落度損失小。

4.2施工方案

封底混凝土采用單導(dǎo)管法澆注，橫向10米內(nèi)使用2根導(dǎo)管。導(dǎo)管設(shè)計(jì)作用半徑為3.0m。實(shí)踐證明在此作用半徑下能夠從一端向另一端斜面推進(jìn)，進(jìn)行水下封底混凝土的澆注。在施工過程中出現(xiàn)一次導(dǎo)管堵塞現(xiàn)象，按首批混凝土澆注方法重新開灌，以后混凝土澆注順利進(jìn)行，最后成功完成水下混凝土的澆注。

4.3封底厚度的確定

封底混凝土厚度主要考慮以下兩個(gè)因素：

①封底混凝土底面在受到內(nèi)外水頭壓力差的作用下，若鋼板樁圍堰和封底混凝土之間的粘結(jié)作用不致被靜水壓力破壞時(shí)，則必須有足夠抵抗封底混凝土及圍堰整個(gè)被浮起的能力。

②在圍堰整體能穩(wěn)定時(shí)，必須考慮封底混凝土在抵抗向上的水壓力及其它荷載時(shí)能正常工作。不至因產(chǎn)生向上的撓曲和折裂致使圍堰穿孔。在本基坑設(shè)計(jì)時(shí)，水下混凝土的容許彎拉應(yīng)力，考慮表層混凝土質(zhì)量差、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短等因素，取為100~200Kpa。

所以，混凝土封底應(yīng)有足夠的厚度，以確保圍堰的安全。

本基坑封底混凝土厚度取為2.5m，混凝土的計(jì)算彎拉應(yīng)力為157Kpa；混凝土抗浮力時(shí)需要基樁提供112KPa的摩阻力，能夠滿足要求。

另外，在本基坑設(shè)計(jì)中考慮了以下的有利因素：a有上浮趨勢時(shí)土體對(duì)圍堰的向下摩阻力；b鋼板樁自重的作用于封底混凝土的抗浮力；c基樁的錨固力。從本基坑設(shè)計(jì)中體會(huì)到：在基坑設(shè)計(jì)時(shí)，上述前兩項(xiàng)有利因素較難定量計(jì)算，但應(yīng)考慮其有利方面，計(jì)算時(shí)可減小其取值或取作安全儲(chǔ)備來考慮，不應(yīng)舍棄這部分有利因素。同時(shí)，應(yīng)正確估計(jì)施工進(jìn)度，以合適的水位來計(jì)算圍堰所受的浮力，使封底厚度盡可能小，達(dá)到減小基樁受力，降低施工成本。

5． 基坑支撐結(jié)構(gòu)

在確保安全的前提下，基坑支撐的施工與基坑內(nèi)水位的下降按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行，結(jié)合本基坑工程的特點(diǎn)，共分四層支撐。基坑支撐的順序如下：加入第一層導(dǎo)梁→進(jìn)行第一層支撐→抽水至第二層支撐處→加入第二層導(dǎo)梁→進(jìn)行第二層支撐→抽水至第三層支撐處→加入第三層導(dǎo)梁→進(jìn)行第三層支撐→抽水第四層支撐處→加入第四層導(dǎo)梁→進(jìn)行第四層支撐→抽水至基坑底。

支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算：在支撐結(jié)構(gòu)的土壓力、支撐力和鋼板樁的插入深度確定后，即可根據(jù)靜力平衡條件確定任意截面上的支撐結(jié)構(gòu)所受的彎矩。

支撐設(shè)計(jì)通常有等反力和等彎矩布置法，考慮到本工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)時(shí)按實(shí)際所須間距計(jì)算，不等反力也不等彎矩。如圖3中所示，a-1、2、3、4表示各工況；b-1、2、3、4為在對(duì)應(yīng)工況下的計(jì)算簡圖。

由上圖中的各工況可按多跨連續(xù)梁，用力矩分配法計(jì)算出各支點(diǎn)的支反力及各點(diǎn)各跨中的彎矩并找出最大彎矩以驗(yàn)算鋼板樁的截面。支反力即為作用于橫向支撐上的荷截，進(jìn)而驗(yàn)算支撐的強(qiáng)度和剛度。

6． 基坑監(jiān)測

6.1 鋼板樁施工中監(jiān)測

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)監(jiān)測是否在允許誤差范圍內(nèi)，超出時(shí)及時(shí)糾正。

6.2 支撐系統(tǒng)的監(jiān)測

在鋼板樁施工完成、封底以后，就開始支撐的施工。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。主要監(jiān)測支撐的變形、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，而須要進(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。

6.3 對(duì)本基坑鋼板樁、支撐及圍堰觀測結(jié)果表明：變形、位移末超出設(shè)計(jì)要求，圍堰能滿足

施工的要求。在監(jiān)測過程中也發(fā)現(xiàn)，鋼板樁在第二層與第三層支撐之間有稍大的彎曲變形。分析原因主要是，在施工過程中，安裝好環(huán)形導(dǎo)梁后，沒有及時(shí)把導(dǎo)梁和鋼板樁連接，達(dá)不到支撐的效果，致使鋼板樁發(fā)生彎曲。

7． 結(jié)束語

從本基坑施工所采用的方案選擇及結(jié)構(gòu)布置的效果來看，能夠成功完成本橋的基礎(chǔ)施工。在基坑施工過程中支撐應(yīng)嚴(yán)格遵照施工工序進(jìn)行，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測工作，以確保支撐工程的安全、順利完成。