筑島圍堰法樁撐基坑支護全過程力學分析

王維說 魏奇科

摘 要：筑島圍堰法進行干作業施工樁基礎是在通航條件允許的情況下，進行樁基礎施工有效的方法，為保證支護結構的安全和減少其對周邊環境的影響，考慮空間效應和施工過程的作用，采用三維建模對筑島圍堰法樁撐結構支護結構進行了全過程力學計算分析，結合現行規范，驗證了支護方案設計的合理性，并經過了實際工程的驗證，可供類似工程借鑒參考。

關鍵詞：樁撐結構；深基坑；力學分析；支護安全

中圖分類號：TU473 文獻標志碼：A

筑島作業因其成本較低，因此通常在通航條件許可的情況下采用。擬建大橋橋墩采用灌注樁基礎，銀川水洞溝水庫水深較淺，僅為2m～5m，不具備通航條件，大型施工機械無法通過水運進入該區域進行樁基礎施工，水庫沒有通航要求，可以筑島作業，所以采取筑島圍堰干作業法進行施工。深基坑圍護結構包括擋土結構和支撐結構兩部分。支撐結構承受擋土結構所傳遞的土壓力、水壓力等荷載，內支撐支護結構空間效應明顯，通常需要利用三維有限元軟件進行力學分析。鋼材與混凝土支撐相比具有自重輕、利于施工、造價低、可回收利用及環保性能好等優點，是支護結構的常用材料，拉森型鋼板樁防水性能好，因而圍堰鋼板樁采用拉森型鋼板樁，內支撐擬采用鋼管支撐。為保證支護結構的安全，需對支護結構進行全過程力學分析。

1 工程概況

工程位于銀川市，基坑采用鋼板樁加四道支撐支護，位于距樁頂0.5m、3m，5.5m，7.5m處，地下水位為距樁頂1.5m位置，主要土層為飽和粉砂土層，下伏巖層為泥巖，巖土層主要參數表見表1。

支護結構平面及立面布置如圖1、圖2所示。鋼材選用Q235B結構用鋼，主要結構截面選用630×10，351×10鋼管及400b、500b工字鋼。

主要施工工序：（1）逐片插打鋼板樁；（2）降水開挖土方至距樁頂1m；（3）安裝第一道圍堰鋼支撐；（4）降水開挖土方至距樁頂3.5m深；（5）安裝第二道鋼支撐；（6）降水開挖土方至距樁頂6m；（7）安裝第三道鋼支撐；（8）降水開挖土方距樁頂8m；（9）安裝第四道鋼支撐；（10）降水開挖土方至承臺墊層底。

2 計算原理

計算軟件采用3D3S，按主要的施工工序（1）、（2）為一個工況，其他工序單獨為一個工況，共有9個工況建立全過程分析模型，嵌固深度按規范取0.3倍的開挖深度計算，嵌固端設置鉸支座。開挖至距樁頂8m為工況一，設置好第三道支撐，開挖至距樁頂9m為工況二。

各支撐點處的水平土壓力按朗肯土壓力求得0.5m、3m、5.5m、7.5m處分別為14.5kN/m、45.4kN/m、81.4kN/m、110.2kN/m。根據《建筑基坑支護技術規程》，結構重要性系數取0.90，標準組合時荷載分項系數取1.0，基本組合時，荷載綜合分項系數取1.25。

3 計算結果分析

3.1 支護結構內力分析

鋼板樁受力主要以受彎為主，最大彎矩在基坑開挖面附近，且工況一的彎矩81.9kN·m，大于工況二59.9kN·m的彎矩，為設計的最不利工況。因而及早設置支撐作用非常明顯，建議在施工中及時設置支撐以便減少最不利受力狀態的時間。

中間內支撐主要受軸力作用，端部由于有角部支撐的存在而變小，工況一支撐的最大軸力4419kN，大于工況二第四道支撐的軸力3995kN。該支護結構體系空間效應明顯，邊角位置由于設置邊角支撐內力較小，中部支撐由于間距大，所以受軸力較大，中部支撐采用較大截面，而角部支撐則可以采用較小的截面形式。

腰梁主要受彎矩作用，腰梁受力狀況基本對稱，與結構設計圖形的基本對稱相吻合，且每條腰梁的最大正負彎矩差別不大，從側面反應了支撐布置基本合理，腰梁主要起將外圍土壓力傳遞到支護結構的作用。

3.2 支護結構驗算結果分析

各工況結構驗算結果見表2、表3。以上驗算結果表明，強度應力比、繞2軸整體穩定應力比、繞3軸整體穩定應力比均在規范允許范圍之內，滿足規范要求。強度應力比、繞2軸整體穩定應力比、繞3軸整體穩定應力比最大值已接近1，因此結構截面設計合理，基本無優化空間。

結語

綜上所述，利用三維程序對基坑支護結構進行了全過程進行了分析，并且此方案在工程中進行了應用，應用效果良好，驗證了設計計算的合理可靠性。

（1）鋼板樁加鋼結構內支撐的支護結構可以適用在含有粉砂層地質的環境下，采用筑島圍堰施工，該工藝經濟合理，有較強的適用性。

（2）應遵循先撐后挖的程序，及時做好支撐，有利于減少支護結構的變形，減少周邊環境的影響。支護結構施工時，做好監測工作，如發現異常情況，應急時通知設計、施工單位采取相應措施。

（3）計算結果表明，結構的強度應力比、繞2軸整體穩定應力比、繞3軸整體穩定應力比最大值已接近1，結構在此工況下的基本無可優化空間，結構設計合理。

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