大型鋼管樁圍堰設計實例研究

顧軍生

（中鐵十一局集團第一工程有限公司，湖北 襄陽 441000）

0 引言

鋼管樁圍堰在國內應用起步較早，在大型橋梁承臺水深、坡陡、近岸、深埋的特定施工條件下,采用鎖口鋼管樁圍堰作為深水、大面積、深基坑的支護結構是比較經濟可靠的[1-3]。本文以廣州南沙港鐵路西江特大橋跨西江水道斜拉橋157#墩主墩的施工為例，研究大型鋼管樁圍堰的設計，并結合理論和有限元計算對設計進行驗算，判斷基坑開挖過程中圍堰結構的穩定性。

1 工程概況與水文地質條件

1.1 工程概況

新建廣州南沙港鐵路西江特大橋跨西江水道斜拉橋（見圖1）位于西江與古鎮水道的分流口處。西江為I級航道，通航凈高22m，通航凈寬350m，通航3000t級海輪，目前橋址處西江水面寬約840m。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

主橋采用（2×57.5+172.5+600+4×57.5）m混合梁斜拉橋，主跨600m，長1118.7m。主橋位于雙向3‰的縱坡上，變坡點位于主跨跨中處，豎曲線半徑為10000m，平面位于直線上。小里程鋼-混分界點位于172.5m邊跨距離輔助墩10.5m處，大里程鋼-混分界點位于600m主跨距離P157#橋塔26m處。兩處鋼-混結合段之間采用鋼箱梁，兩側邊跨采用混凝土箱梁。

主塔157#墩為低樁承臺，采用鋼管樁圍堰，承臺尺寸為44.7m×36.8m×6m，承臺底標高-7.561m。圍堰平面尺寸47.73m×39.96m，鋼管樁長25m，基坑深度13.361m，為減少鋼管樁深度，且滿足基底抗隆起計算要求，承臺底以下設計5m粉噴樁處理區域。

1.2 水文地質條件

西江橋址位置最高通航水位+6.530m，最低通航水位0.290m，百年一遇設計水位為6.77m，百年一遇設計流速為1.6m/s。水流方向與線路中心線方向夾角為85°，局部沖刷深度為水面以下11.937～25.492m；通過對江門（潮連）站近10年各月最高水位和最低水位調查得知西江每年水位最高的月份為6～8月，10年內最高與最低水位分別是：最高水位標高+5.264m，最低水位標高0.064m。

157#墩所處位置覆蓋層上部主要為素填土、粉砂、淤泥和淤泥質粘土，覆蓋層中部為強風化泥質砂巖及細砂巖，覆蓋層下部為弱風化泥質砂巖及細砂巖。

2 鋼管樁圍堰設計與驗算

2.1 施工臨時圍堰方案優選

根據157#墩處地質情況和項目工期的要求，結合施工單位近幾年相似橋梁深基坑圍堰的施工經驗以及佛山市西江水道附近橋梁深水圍堰施工案例，初步確定三種圍堰結構形式：拉森鋼板樁圍堰、鋼管樁圍堰、雙壁鋼圍堰。對三種圍堰結構形式進行初步設計計算，鋼板樁圍堰受力不能滿足使用要求，項目就鋼管樁圍堰和雙壁鋼圍堰（詳見表1）在使用性、經濟性等方面進行分析比選。

表1 圍堰方案對比分析表

根據圍堰方案的對比分析，最終選擇鋼管樁圍堰作為最終圍堰形式。

2.2 鋼管樁圍堰適用性與優點

（1）鋼管樁圍堰適用性：1）基坑開挖深度比較深或水頭差較大，基坑以下土質較差情況或者鋼板樁圍堰自身剛度不能滿足使用要求的情況可采用鋼管樁圍堰；2）地層為砂性土、黏性土、礫石土等小顆粒土體，地層中不含有大塊碎石、孤石并且土體顆粒差異性較小的土層可采用鋼管樁圍堰。

（2）鋼管樁圍堰優點：1）深基坑圍堰中與其他圍堰相比用鋼量相對較小；2）加工簡單周期短，施工機械化速度快，效率高；3）鋼材回收率高。

2.3 鋼管樁圍堰設計方案

157#墩鋼管樁圍堰采用鎖口鋼管樁，其中主管采用Ф820mm×10mm螺旋鋼管，鎖口樁間距1.11m，鋼管樁長25m，鎖口長度20m，平面尺寸47.73m×39.96m（見圖2）。鋼管樁鎖口采用C-T型，C型鎖口采用Ф180mm×8mm鋼管，開槽寬度28mm，T型鎖口采用I20a工字鋼。鋼管樁圍堰頂高程設置為5.5m，鋼管樁底高程設置為-19.5m。

圖2 鋼管樁圍堰平面布置圖（單位：mm）

圍堰設三層圈梁，在+3.5m高程處設置第一層圈梁，圈梁采用2I56b，倒角撐以及內支撐主鋼管為Ф820mm×10mm，平聯與斜撐分別是Ф630mm×10mm與Ф426mm×10mm圓鋼管；在-0.45m高程處設置第二層圈梁，圈梁采用2HN850×300，圈梁與鎖口鋼管樁焊成整體，圈梁內支撐以及倒角撐均采用Ф1000mm×14mm鋼管，平聯與斜撐分別是Ф820mm×10mm與Ф630mm×10mm圓鋼管；在-3.95m高程處設置第三層圈梁，圈梁采用2HN1000×300，圈梁與鎖口鋼管樁焊成整體。圈梁內支撐以及倒角撐均采用Ф1000mm×14mm鋼管，平聯與斜撐分別是Ф820mm×10mm與Ф630mm×10mm圓鋼管，鎖口鋼管樁圍檁及內支撐材料均為Q345b。

設計方案中鋼管樁圍堰的施工步驟：鉆孔樁施工完成→場地清理→安裝導向架→插打鋼管樁→粉噴樁施工→干挖至第一道圍檁以下0.5m→安裝第一道圍檁及支撐→干挖至第二道圍檁以下0.5m→安裝第二道圍檁及支撐→干挖至第三道圍檁以下0.5m→安裝第三道圍檁及支撐→干挖至墊層底→基坑清理及封底→施工首層承臺→拆除第三道支撐→施工第二層承臺→拆除第二道支撐→塔座以及3m實心段塔身施工→基坑回填至第一道圍檁以下0.5m→拆除第一道圍檁及支撐→回填至原地面→拔出鋼管樁[4]。

2.4 鋼管樁圍堰參數與工況設計

2.4.1 參數設計

鋼管樁圍堰具體參數設計可見表2。

表2 鋼管樁圍堰參數設計表（單位：m）

2.4.2 工況設計

按照施工工序，本設計主要考慮以下不利荷載工況：

工況1：圍堰內開挖至第一層支撐以下0.5m處，準備安裝內支撐時的最不利工況；

工況2：第一層內支撐安裝完畢后，圍堰內開挖至第二層內支撐以下0.5m處還未安裝第二層內支撐時；

工況3：第二層內支撐安裝完成后，圍堰內開挖至第三層支撐標高以下0.5m處時；

工況4：第三層內支撐安裝完成后，圍堰內開挖至設計底標高。

各工況考慮兩種荷載組合形式，即標準組合和基本組合。

荷載組合形式如下：

以上組合中，標準組合計算結果用來評價剛度指標，基本組合計算結果用來評價結構強度指標。

2.5 鋼管樁圍堰設計驗算

2.5.1 抗隆起穩定性驗算

抗隆起穩定性計算簡圖見圖3。

圖3 抗隆起穩定性計算簡圖

最不利工況（工況4）抗隆起穩定性評價系數：

式中：

D——入土深度；

H——開挖深度；

γ1——墻體外側土體重度；

γ2——基坑底土體重度；

N、c Nq——地基承載力系數；

q1——墻體外側超重；

q2——墻體內側超重。

通過計算可知，圍堰抗隆起計算穩定性系數2.25＞1.4,滿足設計規范要求[5]。

2.5.2 踢腳穩定性驗算

嵌固穩定性評價系數：

式中：

Epk——基坑內側被動土壓力合力作用；

Eak——基坑外側主動土壓力合力作用；

ap2——基坑內側被動土壓力合力作用點至支點的距離；

aa2——基坑外側主動土壓力合力作用點至支點的距離。

經計算可知，踢腳穩定性2.53＞1.15,滿足基坑三級穩定性要求。

2.5.3 圓弧滑動穩定性驗算

根據《建筑基坑技術規程》相關規定，選擇工況4進行圓弧滑動穩定性計算，計算簡圖見圖4。

圖4 圓弧滑動穩定性計算簡圖

計算結果表明，工況4的鎖扣鋼管樁圍堰圓弧滑動穩定性，滿足基坑三級安全等級要求。

2.5.4 各工況有限元驗算

各工況下鋼管樁圍堰結構的有限元計算結果見表3。

表3 鋼管樁圍堰有限元計算表

由計算結果可知，鋼管樁圍堰有限元模擬計算結果滿足設計規范要求[6]。

2.5.5 結果校核

從表3可知工況4的情況，校核如下：

（1）鋼管樁：σvon=194＜f=205（MPa）；

（2）圍檁：σvon=242＜f=300（MPa）；

（3）內支撐：σvon=258＜f=300（MPa）。

由計算結果可知，鎖扣鋼管樁圍堰計算結果滿足設計規范要求。

3 結束語

鋼管樁圍堰能夠很好地滿足深基坑施工的要求，設計過程中需要注意：（1）土壓力計算過程中需要注意土層的參數選取，內摩擦角、粘聚力等參數對設計計算影響很大，取值應該根據地質勘察報告或相應的土工試驗確定。（2）對于淤泥質深基坑中水壓力計算，水壓力應該從水面標高至樁底標高范圍全部進行計算。（3）確定鋼管樁入土深度的計算時，應當根據施工節段驗算入土深度。進行鋼管樁圍堰設計時，只有準確地開展設計才能保證施工的安全以及施工的總體質量和經濟效益。