超長鋼板樁設計及應用

梁生武， 馬少軍, 姜 楓

(1.中國鐵路總公司工程管理中心, 北京 100038; 2. 中鐵六局集團太原鐵建公司, 山西太原 030013; 3. 中鐵建工集團有限公司西南分公司, 貴州貴陽 550002)

鋼板樁作為一種常見的基坑支護形式，具用施工速度快、相對施工費用低、具有很好的防水功能，且可多次周轉使用的特點，在工程建設領域被廣泛運用于建橋圍堰、大型管道鋪設、臨時溝渠開挖時作擋土、擋水、擋沙墻。在水位不深的基礎施工中，水深、流速、潮汐等環境荷載可能是控制鋼板樁設計的關鍵因素。鋼板樁的設計難點在于不同的地質條件和環境條件下，設計沒有統一規范可以遵循，鋼板樁圍堰的不同工況下的受力分析關系到圍堰的經濟性和安全性。

1 工程簡介

新建南沙港鐵路通過廣珠鐵路向北連接京廣鐵路，輻射中南地區，向西溝通貴廣高鐵、南廣高鐵、柳肇鐵路等鐵路線路，輻射西南地區，向東銜接廣深鐵路(廣九鐵路)等。鐵路自既有廣珠鐵路線上新建鶴山南站接軌引出，途經江門市鶴山、蓬江，佛山市順德均安，中山市小欖、東鳳、南頭、黃圃，廣州市萬頃沙站至南沙港站，向南延伸至南沙港區南部車場。

洪奇瀝水道特大橋全長13.54 km，于DK48+065處跨越黃圃水道，水道與線路夾角76°。該處設置60+100+60 m連續梁一座， 74#、75#主墩位于河道內。黃圃水道為Ⅵ級航道，河道20年水位為3.41 m。日均潮差2 m。本橋承臺信息見表1。

表1 承臺信息 m

地質層主要為淤泥層，其厚度達35 m。地基承載力為50 kPa，淤泥含水量大，主要為流塑性，水力聯系通暢，略具承壓性,水量較豐富(圖1)。

圖1 地質柱狀

2 鋼板樁設計原則及方案

本橋主墩基礎位于河道內，基礎埋入河床以下，同時本橋所在河道每日受潮汐影響，因此必須考慮不同工況條件下的鋼板樁圍堰穩定性、管涌、突涌、抗浮及構件的強度、剛度、穩定性驗算。同時需要分別考慮圍堰開挖至圍堰底時的狀況；支撐式圍堰結構，圍堰開挖至各層支撐施工面時的狀況；在主體結構施工過程中分析拆、撐工況；水平內支撐式圍堰結構，圍堰各邊水平荷載不對稱的各種工況下計算。

2.1 方案的確定

根據設計文件，結合現場水文地質情況，綜合考慮工期及經濟等因素，本橋承臺基礎施工時采用VI型拉森鋼板樁進行基坑支護。鋼板樁頂部高出20年一遇水位標高0.5 m以上，設計鋼板樁頂標高為3.91 m，本文以74#承臺圍堰的設計為例。

承臺底標高-8.576 m，封底混凝土厚度2 m，則74#墩承臺底至鋼板頂高度為13.986 m。圍堰設置4道內斜撐，標高分別為3.224 m、-0.276 m、-3.776 m及-5.776 m；圍堰長度16.20 m，寬度15.20 m。圍檁有兩種形式，首道圍堰為2I32b工字鋼，其他為H型HN588×300×11×18窄翼型鋼。鋼板樁結構內撐平面設計見圖2。

施工流程為：(1)鉆孔樁施工結束后拆除鉆孔平臺、保留支棧橋，并安裝鋼板樁插打導向；(2)鋼板樁在支棧橋進行插打，完成全部鋼板樁的插打；(3)鋼板樁圍堰合攏后，進行第一道內支撐安裝、焊接施工；(4)抽水至第二道支撐下約0.5 m，安裝第二道支撐；(5)水下吸泥至封底混凝土頂面位置；(6)水下C30混凝土封底；(7)抽水至第三道內支撐下約0.5 m，安裝第三道支撐。抽水至最后第四道支撐下約0.5 m，安裝第四道支撐；(8)抽水至封底混凝土；(9)第一次施工承臺2 m；(10)承臺與鋼板樁間回填沙1.5 m，施工臨時圈梁0.5 m;(11)拆除最下面一道鋼支撐；(12)第二次施工承臺2 m。

圖2 鋼板樁結構內撐平面設計

2.2 設計參數取值

鋼板樁承受荷載主要為土壓力及水壓力，可不考慮風力、船舶和漂浮物撞擊力及溫度等作用的影響。根據項目情況，分別確定土層、墩位標高參數、鋼板樁截面參數及內支撐結構參數情況取值見表2～5。

表2 計算土層參數表

表3 墩位參數

表4 鋼板樁截面參數

采用容許應力法，各種材料的容許應力取值可參照TB 10002.4-2005《鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范》進行取值。

表5 內支撐截面參數

2.3 荷載計算

(1)土壓力

圍堰外側的土壓采用主動土壓力，圍堰內側的土壓采用被動土壓力。根據本橋地質，對于淤泥，采用朗肯水土合算土壓計算公式。

圍堰外側主動土壓：

圍堰內側被動土壓：

(2)靜止水壓力(作用于圍堰的四周的靜水壓力)可按下列公式計算：

μa=γwhwa

γw取10 kN/m3；計算可得出μa=γwhwa=10×7.82=78.2kPa

(3)流水壓力計算(作用于鋼圍堰迎水面的流水壓力)按照如下公式計算。

主動、被動土壓系數計算方法可得出各項系數取值(表6)。

表6 系數取值

2.4 計算工況

由于最不利工況為圍堰內抽水至封底混凝土頂面，此時內外的水壓差最大，僅對此工況條件下圍堰進行計算。

3 鋼板樁圍堰計算

將整個結構分解為圍堰結構、內支撐結構分別進行分析。圍堰結構采用平面桿系結構彈性支點法進行分析；內支撐結構按平面結構進行分析，擋士結構傳至內支撐的荷載取圍堰結構分析時得出的支點力。對圍堰結構和內支撐結構分別進行分析時，考慮其相互之間的變形協調。多撐鋼板樁嵌固深度按照下式計算(圖3)。

γ(Kp-Ka)t2=Ka(γH+q)(t+l)

河床面水壓力q=10 kN/m3×(3.41-(-4.41))=78.2 kN/m2。計算參數及結果見表7，鋼板樁長度28.9 m。

圖3 嵌固深度計算圖示

表7 嵌固深度計算參數及結果 m

4 封底混凝土抗浮計算

封底混凝土需要滿足抗浮穩定性要求，抗浮安全系數≥1.15。按照抗浮安全系數和設計封底混凝土厚度2 m，抗浮計算公式為:

P=γwhwAn

Gc=γcVc

F1=τ1S1

計算參數見表8。

表8 混凝土抗浮計算參數

(1)承臺封底混凝土抗浮計算

對承臺封底混凝土抗浮計算進行計算，計算結果見表9。

表9 封底混凝土抗浮計算結果

(2)混凝土厚度驗算

圍堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水頭差引起的向上的管涌力，封底混凝土標號為C30，其容重γ=24 kN/m3，封底混凝土厚度保證不小于計算厚度。封底混凝土厚度需同時滿足下兩式要求:

η為考慮樁基鋼護筒約束作用的折減系數，依經驗取0. 7；K為安全系數，按抗拉強度計算的受壓、受彎構件為2.65。

計算得出hc=1.7722m<2.0m，封底混凝土厚度滿足要求。

5 穩定性計算

5.1 整體穩定性計算

采用瑞典條分法計算，應力狀態按總應力法，土條寬度取1.00 m。鋼板樁長28.9 m計算，圍堰底至鋼板樁底端長度為16.7 m。計算得整體穩定安全系數Ks=1.503>1.35，滿足要求。

5.2 抗傾覆穩定性計算

抗傾覆安全系數:

Mp為被動土壓力、支點力及附加水平力對樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動土壓力和附加水平力對樁底的傾覆彎矩。

在施工封底混凝土之前(即施工完第二道支撐之前)，需要驗算抗傾覆穩定性。根據不同工況計算(內撐一材料抗力取500 kN/m)，結果見表10。

表10 抗傾覆穩定性計算結果

5.3 流土穩定性計算

其中:Kf為流土穩定性安全系數；安全等級按一級的基坑支護，流土穩定性安全系數不應小于1.6；計算得出K=3.186≥1.6, 滿足規范要求。

5.4 抗隆起穩定性計算

抗隆起穩定性計算包括地基承載力驗算及圓弧滑動面驗算。圓弧滑動面驗算是在圍堰內抽水進行清底及封底混凝土施工時需對按圓弧滑動模式驗算繞最下道內支撐(或錨拉)點的抗隆起穩定性驗算，本工程施工工藝中是在未全部抽水情況下水下清底及施工封底混凝土，因此不需要進行圓弧滑動面驗算。地基承載力驗算簡圖見圖4，為：

圖4 地基承載力驗算簡圖

Nq=eπtanφktan2(45°+φk/2)

Nc=(Nq-1)/tanφk

式中：Kt為抗隆起穩定性安全系數，按一級安全等級圍堰取2.5；封底混凝土容重24 kN/m3，摩擦角45度，粘聚力500 kPa；淤泥容重17 kN/m3，摩擦角5度，粘聚力7 kPa。鋼板樁入土深度t=16.7 m。計算得出Kt>2.5，滿足抗隆起穩定性要求。

6 鋼圍堰受力分析

6.1 計算模型

鋼板樁長度按照28.9 m，圍堰底至鋼板樁底端長度為16.7 m。將流水壓力換算成集中荷載，施加至鋼板樁上。靜水壓力及土壓力在模型中輸入參數后自動計算添加。

6.2 單元計算結果

計算結果主要包括鋼板樁、圍檁及內撐。采用理正深基坑軟件單元建模方案進行計算。計算得出鋼板樁最大變形35.4 mm，內撐軸力值見表11。

表11 內撐軸力值 kN

鋼板樁最大應力243MPa<310MPa(圖5)。

圖5

6.3 整體模型計算結果

整體模型計算整體變形、鋼板樁內力、圍檁內力及內撐內力進行計算得出鋼板樁圍堰整體最大變形2.844 mm；最大變形為第一道斜撐L1(圖6)；鋼板樁最大水平彎矩648.3 kN·m(圖7)；承臺鋼圍檁最大彎矩2.139 kN·m(圖8)；鋼斜撐最大彎矩14.2 kN·m，最大軸力371.4 kN(圖9～圖10)。

7 計算結果分析

整體模型由于是整體協同作用計算，計算結構內力比單元計算結果偏小。在結構受力計算時，采用單元計算結果最大值。

(1)鋼圍堰結構整體變形最大值2.845 mm，滿足要求。

(2)鋼板樁最大彎矩674 kN·m，鋼板樁截面模量2 555cm3/m，最大應力264MPa<310MPa。

圖6 鋼圍堰變形

圖7 鋼圍堰水平彎矩

圖8 墩圍檁彎矩

圖9 斜撐彎矩

圖10 斜撐軸力

(3)內撐最大軸力592kN<2 119kN(內撐最小承載力設計值)，內撐穩定性計算折減系數取0.3時，0.3×2 119 kN=635 kN>592 kN，滿足要求。

8 結論

本文通過在項目中采用超長鋼板樁設計進行基坑支護，并在實際應用中取得了很好的項目效益和經濟效益，為今后同類項目中超長鋼板樁的使用積累了經驗 。并通過本項目可看出在對不良地質的不同鋼板樁設計時，需要根據項目地質、水文情況和不同工況進行設計，特別需要結合工程施工順序進行分析計算，對不同階段的工況進行驗算，當有潮汐影響時，要適當考慮水流對圍堰穩定性的影響，同時在施工中要加強對圍堰變形的觀測，以確保施工安全。