深水鋼板樁圍堰設計與施工

趙景方

(中鐵二十三局一公司，山東日照 276800)

深水鋼板樁圍堰設計與施工

趙景方

(中鐵二十三局一公司，山東日照 276800)

結合新建大連長興島鐵路五島站至長興島港站工程，介紹了基礎施工過程中的鋼板樁圍堰支護技術，并總結了基坑支護結構穩定性、整體抗浮穩定性以及基坑開挖時空效應特點等設計施工中應注意的事項。

深水鋼板樁，設計，施工，時空效應

1 工程概況

葫蘆山灣特大橋既是本線的重點工程，又是控制工程，是連接島內與島外的跨海大橋。全橋按一次雙線施工建設。現場地貌以濱海平原為主，小里程一側地貌為剝蝕丘陵，地形較起伏。大橋4號～16號墩位在海水內，設計水位H1/100=6．91 m，施工水位2．0 m，基礎為鉆孔樁、低承臺基礎。施工現場的地質資料如下：

人工填土：φ =16°，r=18 kN/m，c=3 kPa，h=5．09 m;淤泥質土：φ =10°，r=17．5 kN/m，c=13 kPa，h=7．6 m;粉質粘土：φ = 20°，r=18 kN/m，c=19 kPa，h=5．7 m。

根據各土層力學參數，加權平均值計算結果如下：

r，c，φ按總厚度18．39 m范圍內的加權平值：

其中，r為重度;c為粘聚力;φ為內摩擦角。

海灣、深水河道或軟土地段的深大基坑開挖，一般采用排樁帷幕、SMW工法樁、地連墻、沉井或鋼板樁等方法進行圍護施工。目前應用的排樁帷幕、SMW工法樁、地連墻、沉井等施工方法施工周期長、成本高、不經濟。而鋼板樁施工速度快，圍護材料可以多次周轉使用，造價低。結合實際情況，本工程采用鋼板樁施工基礎承臺。施工鋼板樁前，先在河道兩側相向筑島，中間預留100 m寬河道通水，其上搭設剛便橋。圖1為鋼板樁圍堰施工現場。

2 鋼板樁施工設計

本工程采用拉森Ⅳ型鋼板樁，截面尺寸：寬度為40 cm，高度17 cm，厚度 15．5 mm。

圍堰鋼板樁采用拉森Ⅳ型鋼板樁，截面模量為2 037 cm3/m。

2．1 鋼板樁各層圍檁間距

1)頂層鋼板樁支撐位置的確定。按等彎矩布置確定各層支撐的間距，根據拉森Ⅳ型鋼板樁能承受的最大彎矩確定板樁頂懸臂端的最大允許跨度h：

2)下部各層支撐的間距確定。把鋼板樁視作一個承受三角形荷載的連續梁，各支點近似地假定為不轉動，即把每跨都視作兩端固定，可按一般力學計算出各支點最大彎矩都等于Mmax時，鋼板樁強度所允許的條件下，各層圍檁間的最大間距(各層間距系數可以通過力學計算推算)：

2．2 板樁入土深度計算

采用盾恩近似法計算板樁入土深度(板樁頂離筑島頂面1．2 m)，見圖 2。

圖1 鋼板樁圍堰施工現場

圖2 鋼板樁長度計算簡圖

計算鋼板樁總長度：L=1．2+h1+h2+h3+x=1．2 m+3．2 m+ 2．5 m+2．2 m+5．24 m=14．34 m，故選用的鋼板樁長度應不小于15 m。經計算，連續梁主墩需要長度在15 m以上的鋼板樁，海灣內其他各墩鋼板樁長度至少在12 m以上。

2．3 整體抗浮穩定性驗算

本圍堰采用有水開挖和水下封底，封底混凝土厚度2．0 m。當停止降水或抽干基坑內積水時，封底底面因受到靜水壓力作用而有上浮趨勢，則要求滿足：

其中，K為整體抗浮穩定安全系數，一般取1．05;Pk為總抗浮力;Pf為總的上浮力;Ph為封底混凝土及鋼板樁的總重量;λ為抗拔容許摩阻力與受壓容許阻力比例系數，取0．8;L為鋼板樁與土體接觸外壁周長;fι為支護側各土層的容許摩阻力;hι為支護側各土層的厚度。

K=［(17．2 m ×13．2 m ×2 m ×25 kN/m3+2 597 kN)+0．8 × (17．2 m+13．2 m) ×2 ×15 m ×9．1 kN/m2］/17．2 m ×13．2 m × 7．94 m ×10 kN/m3=1．14≥1．05，滿足要求。

2．4 封底混凝土強度驗算

封底混凝土在上浮力作用下的內力，可近似簡化為簡支單向板計算，封底混凝土抗拉強度［2］：

其中，f為封底混凝土抗彎曲強度;ι為基坑底小邊尺寸;Q為封底底面靜水壓力;W為封底混凝土每1 m寬截面的抗彎模量;h為封底頂面處水頭;d為假定的封底混凝土最小厚度;rw為水的容重;rc為混凝土的重度。2

C25混凝土抗拉強度為1．9 MPa，故水下混凝土強度需不小于C25，本設計采用C25水下混凝土封底。

2．5 圍檁受力計算

各內支撐反力采用簡支梁法近似計算各內支撐反力：

其中，Pn為所求橫梁支點承受的土壓力;D為橫梁支點至板樁頂距離;Hn為橫梁支點至上一支點的跨度;Hn+1為橫梁支點至下一支點的跨度。

通過各層內力計算分析，第三層圍檁支撐受力最大，故重點檢算第三層支撐的穩定性。

2．5．1 三拼Ⅰ40b工字鋼圍檁驗算

1)圍檁采用Ⅰ40b工字鋼三拼臥置。對跨度最大邊的圍檁進行驗算。

2)計算模型如圖3所示。

圍檁可以看作三不等跨連續梁。

3)計算軸向壓力。

4)計算軸心受壓構件的縱向彎曲系數。

其長細比 λ1=L0/r=4 720/156 ×3=10．1;查表［9］得：φ1=0．9。

根據φ2取值說明，三拼Ⅰ40b失穩平面和彎矩作用平面一致，故取φ2=1。

5)計算μ值。

所以有 μ=(1－n1N×λ2/π2EAm)×m。

其中，n1為受壓桿允許應力安全系數，荷載組合Ⅰ時取1．7;在荷載組合Ⅱ～Ⅳ時取1．4;N為計算軸向力;λ為構件在彎矩作用平面內的長細比;E為彈性模量;Am為毛截面積;M為當彎矩在荷載組合Ⅰ時取1．0，在荷載組合Ⅱ～Ⅳ時取1．4。

所以，第三層鋼板樁圍檁的整體穩定性是安全的(第一、二層圍檁檢算類似)。

2．5．2 三拼Ⅰ40b工字鋼圍檁角部斜撐檢算

水平斜撐軸向穩定性驗算示意圖見圖4。

計算軸心受壓構件的縱向彎曲系數。

2．5．3 圍檁縱向φ630水平支承桿受力計算

采用φ630×10的鋼管對圍檁縱向支撐。

3 水下開挖，坑內最低水位的計算

第三道圍檁以下鋼板樁受到的周側主動土壓力，一半由第三道圍檁承受，一半由基底以下的坑內土體承受，為澆筑封底混凝土，在進行基底以下繼續開挖時，要考慮圍堰內的最低水位以平衡圍堰外的主動土壓力。也即以圍堰內水頭壓力平衡圍堰內的主動土壓力損失。

得：x=3．98 m。即在開挖封底混凝土的土層厚度時，圍堰內必須保證有3．98 m以上深度的水位。

4 基坑開挖的時空效應理論應用

合理的鋼圍堰支護及開挖設計，保證基坑穩定性和控制變形，是施工成功的前提。在地質和環境條件復雜的深大基坑中，往往控制變形是設計施工的要點。

結合時空效應理論，本工程鋼板樁圍堰在進行分層開挖，逐層支護［1，3，4］時，要求：

1)盡量縮短每層開挖與支撐時間，每層要求在24 h以內完成。

2)進行φ609×10鋼管支撐時，按設計鋼管受力的5%施加預應力。

用于施加預應力的鋼支撐構件為活接頭，在活接頭兩側用雙千斤頂同時施壓，采用δ40鍥鐵鎖定，誤差±50 kN。施加預應力過程中檢查各節點連接狀況，如有異常應及時加固;鋼制牛腿、三榀H型銅節點制安及DN609鋼支撐安裝示意圖見圖5。

圖4 水平斜撐軸示意圖（單位：cm）

圖5 三榀工字鋼圍檁與鋼管支撐安裝示意圖

在鋼圍堰基坑開挖中，適當減小每步開挖土方的空間尺寸，減小每層開挖在支撐前的暴露時間，是考慮時空效應、科學利用土體自身控制變形、位移的潛力，解決軟土深基坑穩定和變形問題的基本對策。以此為指導思想，形成基坑工程的設計和施工方法。

5 結語

深基坑工程涉及巖土力學、結構力學、材料力學、工程地質和施工技術等專業知識，是一項很強的學科。由于影響基坑工程不確定因素很多，基坑工程又是一項風險性很大的工程，稍有不慎就會釀成巨大的工程事故。因此，確保基坑工程的安全是總體方案設計的目標，也是施工的目標。應結合當地工程的施工經驗與技術能力進行具體分析，設計時確保滿足規范與工程對支護結構的承載能力、穩定性與變形計算(演算)的要求;并對施工工藝、挖土、降水等各環節進行充分的研究和論證。

［1］劉愛華，黎 鴻，羅榮武．時空效應理論在軟土深基坑施工中的應用［J］．地下空間與工程學報，2001，6(3)：571-576．

［2］賀寶橋．新奧法設計施工的原理［J］．中國水運，2008，8(6)：197-198．

［3］劉建航，候學淵．基坑工程手冊［M］．北京：中國建筑工業出版社，1997．

［4］劉 燕，劉國彬，孫曉玲，等．考慮時空效應的軟土地區深基坑變形分析［J］．巖土工程學報，2006(28)：39-40．

［5］劉建航，劉國彬，范益群．軟土基坑工程中時空效應理論與實踐(上)［J］．地下工程與隧道，1999(3)：7-12．

［6］王新豐．深水鋼板樁圍堰設計分析［J］．工程建設與設計，2012(5)：158-164．

［7］崔 浩．鋼板樁圍堰的設計與施工［J］．公路，2008(2)：68-71．

［8］魏愛軍．鋼板樁圍堰施工技術［J］．北方交通，2008(1)：101-103．

［9］建筑施工計算手冊鋼結構工程［S］．

Design and construction of deep water steel sheet pile cofferdam

ZHAO Jing-fang

(China Railway 23rd Bureau 1st Company，Rizhao 276800，China)

The paper introduces the basic construction of the steel sheet pile cofferdam in the process of supporting technology based on the engineering of Five Islands on Dalian Changxing Island railway station to Changxing Island harbor station，and the paper summed up the stability of foundation pit supporting structure，overall anti-floating stability and effect of excavation space and time characteristics etc．maters needing attention in construction．

the deep water of steel sheet pile，design，construction，time-space effect

TV551．3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.061

1009-6825(2013)10-0169-03

2013-01-23

趙景方(1975-)，男，工程師