大深基坑鋼板樁圍堰施工設(shè)計(jì)驗(yàn)算

王少鵬，屈永強(qiáng)

(1.江西省公路工程有限公司；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

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大深基坑鋼板樁圍堰施工設(shè)計(jì)驗(yàn)算

王少鵬1，屈永強(qiáng)2

(1.江西省公路工程有限公司；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

大深基坑鋼板樁圍堰施工中，鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系橋梁的質(zhì)量，同時(shí)直接影響施工人員的生命安全。工程實(shí)踐中有大量的案例均由于鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致施工過(guò)程中出現(xiàn)重大安全事故，給社會(huì)造成重大的財(cái)產(chǎn)和人員損失。 依托杭州蕭山機(jī)場(chǎng)公路改建工程實(shí)例，介紹了運(yùn)用Midas Civil 空間有限元軟件對(duì)大深基坑鋼板樁圍堰施工的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

大深基坑；圍堰；模型分析；設(shè)計(jì)；Midas Civil

1.1 工程概況

杭州蕭山機(jī)場(chǎng)公路改建工程起點(diǎn)樁號(hào)K0+886.521為原錢(qián)塘江三橋收費(fèi)站向西北延伸887 m，路線(xiàn)走向與原機(jī)場(chǎng)公路一致，終點(diǎn)為杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)大門(mén)，全長(zhǎng)約19.55 km，其中高速公路高架橋長(zhǎng)約14.6 km，全線(xiàn)設(shè)互通立交7處。

1.2 工程所在區(qū)域地質(zhì)、水文

互通區(qū)淺部地層為灰色、灰黃色粉土、粉砂，稍密-中密，一般厚約9.2～18.3 m，中部為海積流塑淤泥質(zhì)土，厚度約4.6～14.9 m，具層理，見(jiàn)貝殼，夾薄層粉土、粉砂；其下為可塑-硬塑狀灰綠色-灰黃色粉質(zhì)粘土；中下部為灰色、灰黃色礫石，中密～密實(shí)，埋深32.1～59.4 m，厚度大，一般在1.9～27.8 m。

深基坑開(kāi)挖位于淺表部地層，為灰色、稍密粉土，圖紙較均一、切面粗糙，搖震反應(yīng)迅速，干強(qiáng)度、韌性低，局部含少量粉砂及粘性土，見(jiàn)云母碎屑。頂板埋深0.3～15 m，厚度0.7～17 m；地基承載力基本容許值100～120 kPa。工程地質(zhì)性質(zhì)一般，易液化。

2 大深基坑概況

2.1 大深基坑概況

本工程深基坑施工分為承臺(tái)基坑及管線(xiàn)深基坑，基中陸上承臺(tái)深基坑7個(gè)，水中承臺(tái)一個(gè)，最大開(kāi)挖深度6.5 m；管線(xiàn)長(zhǎng)度約0.879 km，擬分段施工，每段50 m，管線(xiàn)基坑設(shè)計(jì)寬度2.7～3.5 m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度最大7.4 m。安全等級(jí)一級(jí)。

(1)陸上開(kāi)挖深度>5 m承臺(tái)深基坑

表1 開(kāi)挖深度>5 m承臺(tái)深基坑表

(2)水中承臺(tái)深基坑

表2 水中承臺(tái)深基坑表

2.2 基坑支護(hù)及開(kāi)施工方法

(1)井點(diǎn)降水

本項(xiàng)目地下水位較高，承臺(tái)處土質(zhì)為粉土。根據(jù)附近基礎(chǔ)施工的經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)域基礎(chǔ)施工基坑開(kāi)挖采用井點(diǎn)降水位施工效果較好。

(2)鋼板樁

施工工序：放線(xiàn)定位→鋼板樁定位→打鋼板樁→安裝井點(diǎn)降水→安裝內(nèi)支撐→挖土→雨水管基礎(chǔ)墊層砼施工→雨水管施工→基坑回填土→拆除內(nèi)支撐→拔除鋼板樁

(3)基坑開(kāi)挖

待地下水水位下降至距基底0.5～1.0 m后進(jìn)行基坑開(kāi)挖，在開(kāi)挖前根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)計(jì)算出承臺(tái)中心點(diǎn)及角點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工放樣，并測(cè)量承臺(tái)位地面高程，計(jì)算出基坑實(shí)際開(kāi)挖深度。

在基坑開(kāi)挖線(xiàn)以外5 m處設(shè)置縱橫向相通的截水溝將地表水排入天然水溝，并由專(zhuān)人負(fù)責(zé)排除基坑頂面積水，嚴(yán)禁積水浸泡基坑。

(1)基坑開(kāi)挖配備二臺(tái)挖掘機(jī)，采取分層分段對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，在開(kāi)挖過(guò)程中掌握好“分層、分步、對(duì)稱(chēng)、平衡、限時(shí)”五個(gè)要點(diǎn)，遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的施工原則。

(2)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中先掏槽50 cm，安裝第一道鋼圍檁、架設(shè)鋼支撐，以盡早對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。當(dāng)開(kāi)挖至3 m深時(shí)，安裝第二層支撐，開(kāi)挖到5.5 m時(shí)，安裝第三層鋼支撐。

基底以上30 cm采用人工突擊開(kāi)挖(人工開(kāi)挖前，應(yīng)在每道鋼支撐位置設(shè)置人員上下通道。遇緊急情況時(shí)，可作為逃生通道，確保人員安全。)，嚴(yán)格控制最后一次開(kāi)挖，嚴(yán)禁超挖。

(3)分段開(kāi)挖兩端設(shè)截流溝和排水溝，滲水及雨水及時(shí)泵抽排走。雨季備足排水設(shè)備，做好預(yù)警工作，確保基坑安全。

(4)開(kāi)挖過(guò)程中，按既定的監(jiān)測(cè)方案對(duì)基坑及周?chē)h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以反饋信息指導(dǎo)施工。

3 鋼板樁圍堰施工設(shè)計(jì)驗(yàn)算

本項(xiàng)目鋼板樁圍堰有三種，分別的陸上主墩深基坑、以及七甲河內(nèi)的主線(xiàn)55#深基坑。鋼板樁采用拉森SP-IV型。由于陸上鋼板樁圍堰類(lèi)型一致，支撐型式也類(lèi)似，所以?xún)H計(jì)算七甲河內(nèi)主線(xiàn)橋55#墩鋼板樁圍堰。

3.1 七甲河內(nèi)主線(xiàn)橋55#墩鋼板樁圍堰

主線(xiàn)橋55#墩，位于七甲河道內(nèi)，七甲河現(xiàn)狀水位標(biāo)高為3.8 m，根據(jù)調(diào)查七甲河河面寬約20 m，最高水位標(biāo)高為4.4 m，最低河床標(biāo)高為+1 m，水深為3.4 m(最高水位時(shí)),水流速度緩慢，基本無(wú)沖刷。根據(jù)設(shè)計(jì)，深基坑底標(biāo)高為-2 m，則高水位至深基坑底高為6.4 m。深基坑一半位于岸上，一邊位于河內(nèi)，因此需采用鋼板樁支護(hù)和井點(diǎn)降水。鋼板樁采用德國(guó)Larssen型鋼板樁(IV)，選用鋼板樁長(zhǎng)度12 m。施工時(shí)先將深基坑位置的水域用土袋堆筑圍堰，并用挖機(jī)在堰內(nèi)清淤后，及時(shí)在圍堰內(nèi)填入粘性砂土并夯實(shí)，然后在填筑的土島內(nèi)施打鋼板樁。

3.2 已知設(shè)計(jì)資料

(1)樁頂高程H1：5.0 m。

(2)地面標(biāo)高H0：4.5 m；基坑底標(biāo)高H3：-2 m；開(kāi)挖深度H：6.5 m。

(3)坑內(nèi)、外土的天然容重、r1為：19.1 kN/m3；內(nèi)摩擦角Φ=；粘聚力C：10 kPa。

(4)地面荷載q=20 kN/m2。

(5)鋼板樁參數(shù)A=245.5 cm2，W=2 270 cm3，[δ]=200 MPa，擬選用鋼板樁長(zhǎng)度12 m(復(fù)核計(jì)算后更換成15 m)。

3.3 鋼板樁圍堰計(jì)算復(fù)核

(1)本鋼板樁長(zhǎng)初步驗(yàn)算

本鋼板樁長(zhǎng)初步擬定為12 m，鋼板樁入土深度5 m，基坑挖深6.5 m，其中設(shè)二層鋼管支撐。經(jīng)計(jì)算主動(dòng)土地壓力作用力矩m1=439.3×(6.5+0.28)=2 978.45發(fā)kN·m被動(dòng)土壓力作用力矩m2=867.225×(5-1.67-0.28)=2 645 kN·m2

(2)改換成15 m鋼板樁入土深度計(jì)算復(fù)核

鋼板樁入土深度8 m，基坑挖深6.5 m，其中設(shè)二層鋼管支撐。經(jīng)計(jì)算主動(dòng)土地壓力作用力矩m1=681.6×(4.8+0.021)=3 285.99 N·m被動(dòng)土壓力作用力矩m2=2 133.53×(8-2.67-0.021)=11 326.9 kN·m。

m2>m1,入土深度夠。

結(jié)論：換成15m鋼板樁后入土深度滿(mǎn)足要

3.4 鋼板樁支撐計(jì)算

本鋼板樁長(zhǎng)初步擬定為15 m，鋼板樁入土深度8 m，基坑挖深6.5 m，其中設(shè)二層鋼管支撐。取1 m為計(jì)算單元進(jìn)行驗(yàn)算。

(1)鋼板樁計(jì)算模型

鋼板樁檢算時(shí)一個(gè)完整鋼板樁及其兩側(cè)半個(gè)鋼板樁為一單元，寬度1.2 m，采用水土合算。使用Midas Civil軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

(2)模型分析

鋼板樁插打完畢，埋深點(diǎn)以下基本不受力，故在埋深點(diǎn)位置設(shè)全約束，鋼管?chē)蛱幵O(shè)置一約束。土壓力為0點(diǎn)處往下按節(jié)點(diǎn)彈性支撐。

則最大應(yīng)力σ=159/2 270×1 000=70 MPa<[σ]=195 MPa，符合要求。

經(jīng)過(guò)Midas Civil軟件計(jì)算，得到鋼板樁應(yīng)力及變形的最大位移f=1.7 mm<[f]=3 500/150=23 mm，滿(mǎn)足要求。經(jīng)過(guò)Midas Civil軟件計(jì)算，得到鋼板樁反力。圍囹處的支反力為：81.8 kN,位于第二道支撐內(nèi)。

3.5 圍囹結(jié)構(gòu)模型分析

圍囹采用兩根I32B工字鋼并排使用，對(duì)口撐鋼管采用Φ299×5。

根據(jù)鋼板樁圍堰分板計(jì)算，每米圍囹的支反力為81.8 kN，則圍囹的荷載為81.8 kN/m。

型鋼圍囹模型分析。根據(jù)計(jì)算分析：圍囹最大彎矩為187 kN·m根據(jù)計(jì)算分析：圍囹桿件最大應(yīng)力為49 MPa<[σ]=195 MPa，符合要求。最大位移f=4.8 mm<[f]=2 600/150=17 mm，滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了大深基坑鋼板樁圍堰施工的施工工藝和施工方法，并運(yùn)用Midas Civil 空間有限元軟件對(duì)大深基坑鋼板樁圍堰中鋼板樁支撐、圍囹結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終確保了施工階段鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，為大深基坑鋼板樁圍堰工程施工設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

目前杭州蕭山機(jī)場(chǎng)公路改建工程已順利施工完成。實(shí)踐證明Midas Civil 空間有限元軟件對(duì)大深基坑鋼板樁圍堰工程施工設(shè)計(jì)的成功，為以后同類(lèi)工程的施工積累了保貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(TG/T F50-2011)[S].

[2] 周水興.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].

[3] 黃紹金，劉陌生.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)[M].

[4] 葛俊穎，等.橋梁工程軟件midas CIVIL使用指南[M].

2015-07-11

王少鵬(1980-)，男，從事橋梁隧道工程施工工作。

1 工程概況

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1008-3383(2015)11-0121-02