單層鋼板樁深水圍堰工程實例分析

摘要：常熟至福山公路B標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、施工、監(jiān)測情況，對圍堰封底、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。望虞河大橋主橋為懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主墩4號、5號墩為水中墩，采用單層鋼板樁深水圍堰方法施工。本文以4號墩圍堰施工為例對單層鋼板樁深水圍堰作具體分析。主墩為埋置式承臺，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。鋼板樁頂標高控制為2.5m。基坑底至施工水位平均為11.0m。本橋承臺尺寸為6.7m×14.7m，采用10m×18m的鋼板樁圍堰進行施工，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 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)計時，首先按先抽水再挖土的干挖法設(shè)計，對選用鋼板樁長度、基坑穩(wěn)定性能進行驗算。

3.1 坑底涌砂驗算

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，所以對基坑內(nèi)抽水可能引起涌砂的危險。

對基坑進行涌砂驗算（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 坑底隆起驗算

開挖基坑時，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

由以上驗算發(fā)現(xiàn)本基坑在使用18m的鋼板樁的情況下，對基坑不出現(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，選用干挖法時的危險性比較大，在本基坑中宜采用濕挖法施工。即在完成鋼板樁施工后，進行水下吸泥，水下混凝土封底，再進行支撐、抽水，最后進行承臺的施工。

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臺泵機泵送，混凝土供應(yīng)量為60~70m3/h。澆注在7小時之內(nèi)完成。其次，研究水下混凝土的配合比設(shè)計，采用低熱水泥和良好的粗、細骨料，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)計作用半徑為3.0m。實踐證明在此作用半徑下能夠從一端向另一端斜面推進，進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，則必須有足夠抵抗封底混凝土及圍堰整個被浮起的能力。

②在圍堰整體能穩(wěn)定時，必須考慮封底混凝土在抵抗向上的水壓力及其它荷載時能正常工作。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)計時，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)護時間短等因素，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，混凝土的計算彎拉應(yīng)力為157Kpa；混凝土抗浮力時需要基樁提供112KPa的摩阻力，能夠滿足要求。

另外，在本基坑設(shè)計中考慮了以下的有利因素：a有上浮趨勢時土體對圍堰的向下摩阻力；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)計中體會到：在基坑設(shè)計時，上述前兩項有利因素較難定量計算，但應(yīng)考慮其有利方面，計算時可減小其取值或取作安全儲備來考慮，不應(yīng)舍棄這部分有利因素。同時，應(yīng)正確估計施工進度，以合適的水位來計算圍堰所受的浮力，使封底厚度盡可能小，達到減小基樁受力，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”的原則進行，結(jié)合本基坑工程的特點，共分四層支撐。基坑支撐的順序如下：加入第一層導(dǎo)梁→進行第一層支撐→抽水至第二層支撐處→加入第二層導(dǎo)梁→進行第二層支撐→抽水至第三層支撐處→加入第三層導(dǎo)梁→進行第三層支撐→抽水第四層支撐處→加入第四層導(dǎo)梁→進行第四層支撐→抽水至基坑底。

支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算：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)計通常有等反力和等彎矩布置法，考慮到本工程實際情況，設(shè)計時按實際所須間距計算，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為在對應(yīng)工況下的計算簡圖。

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

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)，超出時及時糾正。

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。在施工支撐及承臺的過程中，應(yīng)對支撐系統(tǒng)進行監(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鋼板樁彎曲變形嚴重。這主要是鋼板樁斷面選用偏小，土壓力計算偏低，基坑超挖或支撐間距過大等原因造成的。

②基坑底部涌水嚴重。主要是基坑封底時混凝土澆注質(zhì)量不好，出現(xiàn)開裂、夾泥等情況引起的。嚴重時可以致使封底混凝土不能發(fā)揮其作用，而須要進行二次封底。

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，沒有及時把導(dǎo)梁和鋼板樁連接，達不到支撐的效果，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)嚴格遵照施工工序進行，應(yīng)同時進行監(jiān)測工作，以確保支撐工程的安全、順利完成。