某特大橋深水墩承臺開挖支護方案設計

祁俊明 上海鐵路局上海華東鐵路建設監理有限公司

連續發生的施工工地基坑坍塌事故，引起了社會各界對建筑施工安全問題的廣泛關注，深基坑等地下作業安全成為重點監控對象。上海鐵路局關于開展施工安全專項整治的通知中也明確要求：對危險性較大工程（如：深基坑的圍護和拆除），必須單獨編制專項施工方案。由此可見，深基坑開挖支護方案的優劣，對施工安全、工程進度、環境保護等至關重要。

1 工程概況

某特大橋工程跨越一條重要河道。該橋為雙線橋，鉆孔灌注樁基礎，矩形承臺和圓端形變截面實體墩身。

該橋在50#～55#墩跨越河道，為(48+80×3+48)m 懸臂澆筑連續梁，也是控制本橋工期的重點。其中53#墩位于河道中央。53#墩設計概況見表1 所示。

表1 53#墩結構設計概況表

承臺分為兩層，底層尺寸為12.4 m×19.1 m×4 m，上層尺寸為9.6 m×8.8 m×2 m。承臺底標高為-5.014 m，去除回填土，施工期間河水位為+5.5 m。

2 方案選定

根據實地調查，承臺位于河槽正中，河床面標高+2.5 m，+2.5～-15.8 m 范圍內為淤泥質粉質粘土，飽和流塑。-15.8 m 以下為粉土。基坑開挖深度接近8 m，為保證河堤、基坑開挖以及承臺施工安全，同時又能保證河道不污染或少污染，決定采取鋼板樁支護開挖的方式（見圖1）。

3 參數及材料選定

承臺施工時間為枯水季節，實測水深2.5～3 m，按照3 m考慮，考慮到施工周期，沖刷深度按0.5m 考慮，則沖刷后河床面標高+2.5 m，水位標高按+5.5 m 計算。

圖1 某特大橋53#墩縱斷面

考慮到承臺施工的作業空間，鋼板樁圍堰尺寸每邊比承臺大1.5 m。則鋼板樁圍堰平面尺寸為22.4×15.6 m。

因基坑自水面往下開挖深度近11 m，必須設多道內支撐，按多支撐式板樁計算。施工選用Ⅳ型拉森鋼板。W=2037cm3, [σ] =200MPa。

圖2 鋼板樁入土深度示意圖

4 結構設計計算

4.1 入土深度計算

在實際施工中，因鋼板樁沉入困難，實際地質情況發生了變化，所以鋼板樁頂標高最高定為+8.5 m，局部為7.5 m，鋼板樁在水中長度為3 m，在淤泥質粉質粘土中的長度為11.87 m，在粉質粘土中的長度為6.13 m (見圖2) ，將水視作土層，則基坑外側γ、φ、C 按18 m 范圍內的加權平均值計算：

4.2 確定支撐層數及間距

按等彎矩布置確定各層支撐的間距，則鋼板樁頂部懸臂端的最大允許跨度：[σ] -鋼板樁允許彎曲應力，γ-鋼板樁墻后的土重度，ka-主動土壓力系數，ka=tg2(45°-12.65°/2)=0.641。根據施工的具體情況，確定采用的布置形式如下：底部封底混凝土澆筑后也當一道支撐。

4.3 用盾恩近似法計算鋼板樁入土深度

主動土壓力系數:ka=tg2(45°-12.65°/2)=0.641，被動土壓力系數:kp=tg2(45°+12.65°/2)=1.561，

GH 的斜率:kn=γ(kp-ka)=16.857×(1.561-0.641)=15.51，

e1=kaγH=0.641×16.857×11.514=124.41 kN/m2。

FI 鋼板樁上的荷載FIJK 一半傳遞到F 點，另一半由坑底土壓力GHI 承擔（見圖3），則：

圖3 鋼板樁受力分析圖

根據入土部分的固定點，在P 的作用點E，距坑底的距離為：

2h/3=2×9.32/3=6.213 m，故鋼板樁總長度至l=11.514+9.32+3=23.834 m，即鋼板樁長度為23.834 m，入土深度為9.32 m 時即能保證樁體本身的穩定性，選用24 m 鋼板樁。實際入土深度為9.486 m。

5 鋼板樁穩定性檢算

5.1 管涌檢算

鋼板樁入土深度除保證本身的穩定外，還應保證基坑底部在施工期間不會出現管涌現象，此時需滿足：

式中：K-抗管涌安全系數，一般取1.5～2.0，本工程取1.5；-土的浮重度，本工程取8 kN/m3，j-最大滲流力(動水壓力)，j=iγw=[H/(H+2h)] ×γw,i-水頭梯度，i=H/(H+2h)，h-鋼板樁入土深度，待求；H-水位至坑底的距離，即水頭差，本工程為11.514 m，γw-水的重度，本工程取10 kN/m3，代入式中，則：即入土深度大于5.04 m 時，不會發生管涌。

所需鋼板樁長度：l=11.514+5.04+3=19.554。

選用24 m 鋼板樁，則入土深度為9.486 m，反算抗管涌安全系數K=1.882，不會發生管涌。

5.2 基底隆起檢算

鋼板樁底土層為粉土，不透水，故不會發生隆起，不予檢算。

5.3 圍囹檢算

5.3.1 工況分析和計算

本項目施工中設四道支撐和圍囹，以及基坑底部灌注混凝土封底、兩級承臺施工等不同階段，拉森鋼板樁的受力情況不同，本文以兩種工況加以分析：

(1)工況一

施作樁頂圍囹和支撐后，開挖基坑至+2.0 m 標高，即3.5 m 深，未安裝第一道支撐前，鋼板樁為頂部簡支的單錨淺埋板，則支撐受力為：Ra=Ea-Ep。

假定鋼板樁所需入土深度為t，則：

在頂部支撐處力矩為零，因此最小入土深度：

t=4.9 m，Ea=381，Ep=315.9。因此：Ra=Ea-Ep=65.1 kN，剪力為零的點距支撐點的距離：

在剪力為零處彎矩最大，其值為Ra×2h/3=150.65 kN.m。

則此時鋼板樁的應力為：

σ=M/W=(150.65×103)/(2037×10-6)=73.96MPa＜215 MPa，故在此工況下鋼板樁能滿足受力要求。

(2)工況二

安裝好第一道支撐，開挖至6 m 深，第二道支撐沒有施作。此時鋼板樁可看作為在樁頂和第一道支撐處簡支，基坑以下2 m 處固結的連續梁結構。則建模如圖4，剪力情況見圖5，彎矩情況見圖6。

圖4 工況二鋼板樁受力圖

圖5 剪力圖（kN）

圖6 彎矩圖（kN·m）

計算得鋼板樁：Vmax=144.49 kN，Mmax=103.87 kN·m，最大支撐反力為156.72 kN。作用在第一層圍囹和支撐處。則此時鋼板樁的應力為：

σ=M/W=(131.69×103)/(2037×10-6)=64.6 MPa＜215 MPa。

故在此工況時Ⅳ型拉森鋼板樁受力能滿足要求。

通過進一步計算可知，在各種工況下采用Ⅳ型拉森鋼板樁受力均能滿足要求。

5.3.2 圍囹計算

圍囹設四個角撐和兩道對撐，結構如圖7 所示：

圖7 圍囹結構圖

本文對頂層圍囹作分析計算：

最大支撐反力198.4 kN/延米，即為作用在圍囹上的均布荷載，橫橋向圍囹建模平面如圖8，剪力分析見圖9，彎矩情況見圖10。

圖8 橫橋向圍囹受力圖

圖9 頂層圍囹剪力圖（kN）

圖10 頂層圍囹彎矩圖（kN·m）

圍囹受力：Vmax=406.72 kN，Mmax=241.26 kN·m，對撐最大支撐反力為746.66 kN，斜撐最大支撐反力為686.89 kN。

圍囹所需截面：

W=M/[σ] =241.26×103/(215×106)=1.122×10-3m3=1122cm3，選用單HW350 型鋼 （350×350×12×19），W=2257.49 cm3，I=39506.17 cm4，δ=12 mm，I/S=39506.17/1246.59=31.7 cm，故頂層圍囹采用HW350 型鋼能滿足受力要求。

采用同樣建模和計算可得出第四層圍囹采用雙HW400型鋼（400×400×13×21）能滿足受力要求，其他層同理。

5.4 對撐和斜撐檢算

對撐和斜撐采用螺旋鋼管樁，分析各工況下斜撐和對撐得受力情況如表2 所示：

表2 斜撐和對撐受力情況表

對撐承受軸向力，最大為1826.3 kN，為對撐處，采用Φ600 mmδ12 mm 螺旋鋼管樁。最長對撐為14.88 m。

兩端簡支，長細比：

故Ф1=0.683，

σ=N/A=1826.3×103/22167=82.4MPa＜0.683×145=99 MPa。

故采用Φ600 mmδ12 mm 鋼管樁作支撐能滿足強度和穩定性要求。

綜上計算可知，采用拉森Ⅳ型鋼板樁作為擋水結構，長24 m，頂標高+6.0 m，入土深度20.5 m。頂層圍囹采用單HW350 型鋼（350×350×12×19）mm，第一層圍囹采用HW350型鋼（344×348×10×16）mm，第二層圍囹采用單HW400 型鋼（400×408×21×21）mm，第三、第四層圍囹采用雙HW400 型鋼（400×400×13×21）mm 都能滿足受力要求。斜撐和對撐采用Φ600 mmδ12 mm 鋼管能滿足受力要求。

經過檢算，選用24 m 長Ⅳ型拉森鋼板樁進行基坑支護，基坑底以下深度達到11.986 m，共設置4 層圍囹和支撐。頂層圍囹采用單HW350 型鋼，第一層圍囹HW350 型鋼，第二層圍囹采用單HW400 型鋼，第三層、第四層圍囹采用雙HW400 型鋼，圍囹采用托架固定在鋼板樁上，圍囹四角設雙斜撐，中部設雙對撐，對撐和斜撐均采用Φ600 mmδ12 mm 螺旋鋼管樁制作。斜撐與圍囹焊接連接，對撐與圍囹卡接。

6 方案實施與實際效果

該方案在經過專家論證和建設各方的審查后，從鋼板樁支護、基坑開挖與支撐安裝、支撐體系轉換到混凝土灌注、鋼板樁圍堰拆除等一切較為順利。整個工程基坑圍護經歷了汛期、雨雪等惡劣天氣及時間的考驗，效果良好。