淺談深基坑拉森鋼板樁圍堰的計算、施工與監控

時賢龍

(南京市市政公用工程質量安全監督站，江蘇 南京210036)

1 工程概況

枚皋路京杭運河大橋是淮安市新城區一座橫跨里運河與京杭大運河大橋，為東西走向，西面起于翔宇大道，東面止于寧連公路。主橋采用（72.5+125+72.5）m預應力混凝土連續箱梁結構，箱梁為雙幅變截面單箱單室垂直腹板的斷面形式，橋型布置如圖1所示。

橋梁4個主墩承臺位于運河中，主線每個承臺9根Φ1500mm鉆孔灌注樁，尺寸10×10×3.0m。承臺高度均為3.0m，頂標高+4.33m。承臺結構軸線與現有河道中心線平行，橋梁跨越處河道水面寬134m，運河正常通航水位為+9.63，最高通航水位為10.63。31#墩承臺位于河道水中，承臺中線距離河岸為19.0，承臺頂面標高為+4.33承臺范圍內河床頂面標高為7.99m，承臺埋深為3.65m；32#墩承臺位于河岸和河道結合的河灘位置，承臺中線距離河岸為5.219m，承臺頂面標高為+4.33承臺范圍內河床頂面標高為8.71m，承臺埋深為4.38m。

圖1 主橋橋型布置圖（單位cm）

2 地質水文條件

工程范圍橋位區地下水主要為松散巖類空隙潛水及空隙承壓水。潛水主要賦存于淺部粉土中，水量小，主要接受大氣降水和地表水體入滲補給，排泄以自然蒸發、側向逕流為主。承壓水主要賦存于深部砂層中，水量較大，水質一般較好，主要接受側向入滲補給，排泄以人工開采、側向逕流為主。施工期間橋位區潛水埋深1.0～1.90m，平均1.42m，堤壩處水位埋深2.90～5.20m，平均4.16m，水位標高6.80～8.90m，平均7.60m。

3 鋼板樁圍堰設計

3.1 鋼板樁圍堰的選型

鋼板樁圍堰為矩形，每兩個承臺作為一個圍堰單體，每個圍堰平面尺寸為27m×13m。鋼板樁采用拉森Ⅵ熱軋鋼板樁，鋼板樁樁長18m，產地韓國。鋼板樁頂面標高為+11.0m，底面標高為-7.0m。鋼板樁下端在封底混凝土以下7.53m。

3.2 鋼板樁圍堰圍檁、支撐設計

主墩鋼板樁圍堰共設置三道圍檁：下層圍檁標高為+4.83距離承臺底面距離為3.5m，中層圍檁標高為+7.83距離承臺底距離為6.5m，上層圍囹標高為+10.63距離承臺底面距離為9.3m。鋼板樁圍堰圍檁全部采用2道40型H型鋼，水平支撐采用630×12螺旋鋼管。具體布置見圖2。

圖2 鋼板樁圍堰布置圖（單位m）

3.3 鋼板樁圍堰受力驗算

根據受力分析鋼板樁的入土深度受兩個因素的影響,一是豎向不產生管涌,二是基底土體橫向不產生側移。在保證兩個因素的前提下，鋼板樁圍堰支護才能穩定，安全。

3.3.1 先以不產生管涌為控制條件計算鋼板樁長度

鋼板樁的入土深度h2=x,頂標高為+11.0m,基坑抽水后水頭差為h’=10.63-1.33=9.3m，鋼板樁外側水下土層至承臺底面的距離h1=8.71-1.33=7.38m。由此引起水的滲流，其最短流程為緊靠板樁的h1+h2×2，不產生管涌的安全條件為：

K·i·rw≤rb,

式中K為安全系數取1.8；

水容重取rw=9.8KN/m3；

土的浮容重rb=18.5-9.8=8.7 KN/m3；

水力梯度i=h’/(h1+2·X)；

計算得x≥5.74m滿足要求,不會發生管涌。

則鋼板樁總長H=h’+h2+0.37=9.3+5.74+0.37=15.41m。

3.3.2 根據等值梁法計算板樁最小入土深度

鋼板樁壓力線分布如圖3所示。

γ水=9.8KN/m3；

γ土=18.5KN/m3；

土體內摩擦角取20°；

主動土壓力系數Ka=tg2（45°-20°/2）=0.49；

被動土壓力系數Kp=tg2（45°+20°/2）=2.04；

板樁內壓力零點A的位置：

U=（γ土*Ka*h土+γ水*h水）/γ土*（KbKp-Ka）

求解的U=2.62m

根據支撐設置情況，將壓力零點A以上段簡化為連續梁求解A點處板樁內剪力，剪力為：Qa=175.82KN/m

根據剪力Qa，求得AB段等值梁入土深度X=4.7m

鋼板樁最小入土深度h2=t=u+1.2x=8.26m。

則鋼板樁總長H=h’+h2+0.37=9.3+8.26+0.37=17.93m。

綜上所述，鋼板樁長度取17.93m。

根據鋼板樁實際尺寸，京杭大運河鋼板樁圍堰樁長取18m，頂標高為+11.0，底標高為-7.0cm。

圖3 鋼板樁受力壓力曲線圖（單位m）

3.3.3 計算鋼板樁及圍檁結構受力

根據支撐設置情況，將壓力零點A以上段簡化為連續梁求解鋼板樁內部最大彎矩及支撐處支點反力。繼而可以求出鋼板樁及圍檁、支撐內部應力。通過計算鋼板樁、圍檁、鋼支撐內部應力全部滿足規范要求，鋼板樁圍堰結構受力安全。在這不做重復敘述。

4 鋼板樁搭設施工

（1）鋼板樁搭設采用履帶吊帶高頻振動錘打設，打設前要熟悉地質情況，并精確放出鋼板樁中線并安裝導架。

（2）鋼板樁打設前要逐根進行檢查，剔除連接鎖口銹蝕、變形嚴重的鋼板樁，不合格者待修整后才能進行使用。

（3）鋼板樁打設前在鎖口內涂設黃油，這樣既可以起到密封防水作用，又可以方便鋼板樁的打入。

（4）在插打過程中隨時測量監控鋼板樁垂直度，使其垂直度誤差不得超過2%，當偏斜過大不能拉齊方法調整時，拔起重打。

（5）鋼板樁打設采取屏風式打入法進行施工，將10～20根樁同時放入到導架內部，從第一根開始逐根進行打設，這樣可以有效地控制鋼板樁的打入精度，防止鋼板樁產生扭轉、傾斜，增加鋼板樁合攏時精度。

5 鋼板樁圍堰位移監控

經過以上驗算，鋼板樁的整體穩定性及圍檁、支撐的內部受力滿足要求，但是為了保證在實際施工中鋼板樁圍堰的整體安全性，在鋼板樁圍堰施工中必須對圍堰的各個角點及圍檁支撐點進行監控。監控分為位移監控和內力監控，由于鋼板樁整體及圍檁的整體受力經過驗算，所以對鋼板樁圍堰只進行位移監控。監控各項指標如下：

（1）在進行基坑開挖時，對鋼板樁圍堰的各個角點及支撐點設置位移監控點（具體位置見圖4），對監控點每天早晚分別進行平面坐標及鋼板樁圍堰內部尺寸的測量。

（2）每天基坑開挖結束后對基坑底標高進行測量，在第二天早再次進行開挖時，再對標高進行測量并對比標高有沒有變化。

（3）利用錘球對鋼板樁的垂直度進行檢測，查看鋼板樁在基坑開挖過程中有無傾斜。

圖4 鋼板樁圍堰監控測點布置圖

6 應用效果

本工程主墩承臺施工期間直至拆除鋼板樁圍堰，期間圍堰未出現任何漏水、變形、基地隆起等問題。鋼板樁圍堰內部第三道圍檁處存在最大變形，最大變形為2.0cm在允許范圍內。以上證明本鋼板樁圍堰安全可靠，利用等值梁法計算鋼板樁入土深度安全可靠。

［1］齊春峰.南京江心洲大橋主塔承臺鋼板樁圍堰施工技術[J].鐵道建筑技術，2009（5）.