單壁鋼板樁圍堰設計與施工技術淺析

1.工程概況

鹽城響水港公用重件碼頭工程桅桿吊后臂墩臺結構尺寸：23＊30＊3.5（5.5）m，設計底標高+0.90（-1.10）m，設計頂標高+4.40m。為便于墩臺施工，采用鋼板樁圍堰作為擋水和基坑支護結構，鋼圍堰平面尺寸26.4＊33.6m，圍堰設計基坑底標高-1.23（-3.23）m，圍堰設計頂標高+4.30m。

1.1 水文條件

灌河口附近海域受黃海潮波系統控制，屬非正規半日潮。根據灌河口燕尾港潮位站的資料統計：

最大潮差：5.39m

設計高水位：+3.00m

設計低水位：-2.02m

設計流速：V=2.6m/S

1.2 地質條件

碼頭場地隸屬灌河河床～漫灘相地貌單元，水域區岸坡呈階梯狀緩傾，地質土層參數如表1所示。

1.3 結構布置形式

鋼板樁采用SP-IVW型鋼板樁，板樁長18 m，圍堰平面尺寸：26.4＊33.6 m，圍堰設計頂標高+4.30 m，板樁入土深度11～13m，封底為1.30m厚C30混凝土，泥面以上部位鋼圍堰不設置縱橫支撐。

表1 地質土層參數表

2.鋼圍堰主要計算參數

2.1 地質計算參數

《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）4.1.6條規定，土的水平反力系數的比例系數m可按公式計算，其中 Vb為擋土構件在坑底處的水平位移量，當水平位移不大于10mm時，可取10mm。

圖1 鋼圍堰斷面圖

2.2 材料計算參數

鋼板樁所用鋼材為SY295鋼，封底混凝土采用C30混凝土，主要材料的設計強度及彈性模量取值如表2。

2.3 荷載及工況

2.3.1 荷載分析

（1）結構自重。結構自重由有限元軟件自行計入。

（2）水（土）壓力。對應工況下的水土壓力按《建筑基坑支護技術規程》進行計算。計算中各土層均采用水土分算。土壓力系數②2 淤泥質黏土主動土壓力系數 Ka=0.894，被動土壓力系數 Kp=1.118.

（3）靜水壓力。靜水壓力按各工況水頭差，根據公式p=γwh進行計算取值

查的Cw=1.48故迎水面水流對1m寬鋼板樁的水流力為：

圖2 CS1鋼板樁受力示意圖

2.3.2 工況分析

根據施工工序流程，對整個施工過程進行分析，以下選取1m鋼板樁進行受力分析，水平荷載主要考慮內外水土壓力、水流力作用，澆筑封底混凝土時額外考慮封底混凝土的側壓力。

CS1：帶水開挖至基坑底工況。

設計高水位（+3.00m）條件下對圍堰內岸側淤泥質黏土進行開挖，開挖過程中須保持基坑內外水位平衡。

CS2：澆筑封底混凝土工況。

基坑開挖/拋填至設計標高后，設計低水位（-2.02m）情況下澆筑1.3m封底混凝土。

CS3：抽水至墩臺底工況。

封底混凝土達到設計強度后，抽水至墩臺底（-1.10m）。

各工況考慮兩種荷載組合形式，基本組合與標準組合。荷載組合形式如下：

基本組合：1.2×自重+1.4×靜水壓力（內、外）+1.4×土壓力+1.5×水流力(+1.4×封底側壓力)

標準組合：自重+靜水壓力（內、外）+土壓力+水流力(+封底側壓力)

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

鋼板樁圍堰施工階段的結構應力圖如下圖所示，其中應力結果均采用基本組合。

經計算得鋼板樁圍堰施工階段CS3（抽水至墩臺底）組合應力最大為124MPa遠小于265MPa，鋼板樁水平位移CS1（帶水開挖至基坑底）時最大為76mm小于150mm，綜上，鋼板樁圍堰構件的強度和剛度均滿足規范要求。

表2

2.3.3 封底混凝土應力計算

封底混凝土的作用為：a）防水滲漏；b）抵抗水頭差在圍堰區域的浮托力；c）作為墩臺施工時的承重底板。本圍堰施工主要考慮+3.00m高水位條件下抽水到達封底混凝土頂面標高時的工況。

+3.00m高水位條件下抽水工況計算中考慮荷載：內外水頭差產生的浮托力及封底自重。模型邊界條件為封底混凝土與鋼護筒接觸面上的所有點固結。該工況基本組合作用下封底混凝土的主拉應力與主壓應力結果如圖6所示。

封底混凝土的強度：

圖3 CS2鋼板樁受力示意圖

圖4 CS3鋼板樁受力示意圖

2.3.4 封底混凝土握裹力計算

+3.00m高水位條件下抽水到達封底混凝土頂面標高時的工況下，封底混凝土對鋼護筒的握裹力為：

封底混凝土有效厚度1.3m時，對鋼護筒的握裹力小于135kPa，滿足要求。

2.3.5 嵌固穩定性計算

嵌固穩定性評價系數：

Epk—基坑內側被動土壓力合力作用標準值

Eak—基坑外側主動土壓力合力作用標準值滿足三級基坑要求。

Zpl—基坑內側被動土壓力合力作用點至擋土構件底端的距離

Zal—基坑外側主動土壓力合力作用點至擋土構件底端的距離

Ke—嵌固穩定安全系數，對于三級懸臂式支擋結構，不應小于1.15

2.3.6 基坑抗隆起穩定性驗算

圖5 鋼板樁施工結構應力圖

圖6

圖7 嵌固穩定性計算簡圖

圖8 基坑抗隆起穩定性計算簡圖

由于基坑開挖是一種卸荷過程，開挖越深，初始應力狀態的改變就越大，這就不可避免的引起坑底土體的隆起變形，有的甚至可能由于受到過大的剪應力而導致基坑隆起失效。圍堰施工過程中按最不利工況CS1（帶水開挖至基坑底部）考慮：基坑外泥面按+0.65m考慮，基坑內泥面按-2.40m考慮，圍堰內外水頭保持平衡，按+3.00m計算，板樁底標高為-13.70m。

基坑抗隆起穩定性評價系數：

D—基坑底面至擋土構件底面的土層厚度，取11.3m

h—坑開挖深度，取1.55m

γm1—坑外擋土構件底面以上土的重度γm1=6.9kN/m3

γm2—基坑內擋土構件底面以上土的重度γm2=6.9kN/m3

Nc、Nq—承載力系數

c、φ—擋土構件底面以下土的粘聚力、內摩擦角c=8kPa，φ=3.2°

q—基坑外側土上均布荷載，取0

Kb—抗隆起安全系數，安全等級為三級的支護結構取1.4

計算可得

基坑抗隆起穩定性系數：

綜上，基坑不會發生隆起現象。

3.圍堰變形觀測

在整個圍堰施工過程中，對圍堰整體結構的穩定性進行觀測，通過監測數據，分析在圍堰施工過程中板樁墻的位移及基坑底部土體穩定情況，以便做出適當的調整，防止圍堰不利變形和滑動，以保證圍堰在使用過程中的安全和穩固，通過觀測圍堰在合攏前基本未發生位移，合攏后至澆筑封底混凝土期間，板樁水平位移較明顯，最大達到72mm，封底混凝土澆筑完成后變形漸趨于穩定。

4.結束語

在整個后臂墩臺施工期間，圍堰總體變形幅度不大，滿足了施工安全及結構穩定性的要求。對于淺水區墩臺鋼圍堰，施工中要綜合考慮地質、水文、工期以及圍堰設計加工質量等綜合風險因素，本工程鋼圍堰施工僅在依靠封底混凝土的前提下支撐結構穩定，給類似工程可以提供一定的參考借鑒。