橋梁大修工程深基坑支護的設計與運用

周外平 中國鐵路上海局集團有限公司工務部

1 引言

基坑工程在建筑行業內屬于高風險的技術領域，全國各地基坑工程事故發生率雖然逐年減少，但仍不斷出現。不合理的設計與低劣的施工質量是造成這些基坑事故的主要原因。近幾年來，基坑工程在臨近鐵路營業線施工中大量存在，減少橋梁大修基坑工程對既有線運營影響，避免安全事故發生，確保運輸安全是工務部門需要面對的問題。因此，安全、合理的選擇基坑支護結構，并根據基坑工程的特點進行科學設計是基坑工程要解決的首要問題。本文就橋梁大修工程深基坑支護的設計與運用進行探討。

2 工程概況

圖1 地質資料及基坑斷面示意圖

合九線某特大橋由46-Lp=16 m先張法預應力砼梁及8-Lp=32 m后張法預應力砼梁組成，全橋共計55個墩臺，雙柱式輕型墩，基礎采用擴大基礎或沉井基礎。現該橋墩頂橫向振幅超限，繼續發展將影響橋梁穩定，危及行車安全。經研究決定對相關橋墩及基礎進行包箍加固，施工前須對基礎進行開挖。本文以#4墩為例進行設計，地面標高20.5 m，基礎底標高13.5 m，二級擴大基礎，基坑開挖面標高15.5 m，開挖深度5 m，開挖平面尺寸為7.5 m×5.0 m。基坑安全等級為一級。地質資料及基坑斷面如圖1所示。

3 深基坑支護方案比選

目前常見的基坑支護類型主要可以分為下述四大類：

（1）放坡開挖及簡易支護

放坡開挖及簡易支護的形式主要有：放坡開挖；放坡開挖為主，輔以坡腳采用短樁、隔板或其他簡易支護；放坡開挖為主，輔以噴錨網加固。

（2）加固邊坡土體形成自立式支護

對基坑邊坡土體進行土質改良或加固，形成自立式支護。包括：水泥土重力式支護結構；各類加筋水泥土墻支護結構；土釘墻支護結構；復合土釘墻支護結構；凍結法支護結構。

（3）擋墻式支護結構

擋墻式支護結構又可分為懸臂式擋墻支護結構、內撐式擋墻支護結構和錨拉式擋墻支護結構。擋墻式支護結構常見形式有：排樁墻、地下連續墻、板樁墻。其中排樁墻常見的樁型有鉆孔灌注樁、沉管灌注樁、預制樁等。

（4）其他形式支護結構

其他形式支護結構常用形式有：坑壁噴射混凝土、門架式支護結構、重力式門架支護結構、拱式組合型支護結構、沉井支護結構等。

綜上所述，根據工程地質與工程造價情況，結合橋梁大修工程“短、平、快”的特點，決定對#4墩基坑開挖采用鋼板樁擋墻式支護結構。鋼板樁選用Ⅳ型400×170拉森鋼板樁。鋼板樁組合截面寬度800 mm，高度340 mm，截面面積193.98 cm2，組合截面慣性矩I=30 880 cm4，抵抗矩W=30 880/17=1 816 cm3，Q235鋼材強度設計值f=215 MPa。

4 鋼板樁設計計算

4.1 土壓力與樁長計算

根據《土力學與基礎工程》中朗金土壓力理論，單位墻長主動土壓力與被動土壓力計算公式如下所示。為便于計算，忽略粘性土粘聚力C引起的負壓力，令C=0，然后利用土壓力理論計算公式來計算鋼板樁最小入土深度。

Ka—主動土壓力系數

Kp—被動土壓力系數

α—土的內摩擦角，r—土的重度，H—計算土層厚度；

以下分別按設支撐土壓力計算模型（見圖2）和不設支撐土壓力計算模型（見圖3）計算鋼板樁最小入土深度，方便后面樁長設計選用對比：

圖2 （設支撐）樁長及土壓力計算模型

圖3 （不設支撐）樁長及土壓力計算模型

4.1.1 設支撐及圍檁最小樁長計算

按照設支撐樁長及土壓力計算模型（見圖2），為使鋼板樁保持穩定，在A點力矩等于0，即得：

土層的容重r、內摩擦角α和粘聚力c按土層分布加權平均計算。

將以上數據代入上式中，得：

通過解一元三次方程可得最小入土深度a=3.12 m，所得鋼板樁總長為5+3.12=8.12 m，按9 m樁長設計。

4.1.2 不設支撐及圍檁最小樁長計算按照不設支撐樁長及土壓力計算模型（見圖3），為使鋼板樁保持穩定，在C點力矩等于0，即得：

同4.1.1計算一樣，將r平均、α平均、Ka、Kp、Ea、Ep等數據代入上式中，得：

解一元三次方程可得最小入土深度a=6.83 m，所得鋼板樁總長為5+6.83=11.83 m，按12 m樁長設計。

4.1.3 支護方案確定

綜合對比上述兩種計算結果，設支撐及圍檁時樁長只需9 m，不設支撐及圍檁時樁長需12 m。考慮鋼板樁過長時，容易發生沉入困難，不利于施工順利進行。且樁長過大，打樁機具在下沉作業時易侵入鐵路安全限界，不宜采用，故選擇9 m拉森鋼板樁支護并設置圍檁及支撐是合理的，按第一種方案進行設計。圍檁及支撐參考《深基坑支護技術指南》常用規格技術參數表，考慮控制支護結構樁頂變形，按兩層設置，每層設四個角撐及兩道對撐，選用HW200×200型鋼。

4.2 基坑抗傾覆及穩定性驗算

支護方案初步確定好后，還需對圍護結構變形、基坑抗傾覆及穩定性進行驗算，確保結構安全，防止基坑失穩。運用同濟啟明星深基坑支擋結構設計計算軟件FRWS計算分析，分別按照①開挖到1.5 m②在0 m處加撐③開挖到3.5 m④在2.5 m處加撐⑤開挖到基底5.0 m共計五種工況進行內力分析及穩定性驗算。工況示意圖如圖4所示：

圖4 工況示意圖

啟明星建模按照基坑開挖深度5 m，一級基坑，水位埋深位于地面及各開挖面0.5 m以下。鋼板樁嵌入深度3.8 m，樁頂高出地面長度0.2 m，選用Ⅳ型400×170拉森鋼板樁，Q235鋼材，另在基坑深度0 m、2.5 m處分別加撐。地面附加荷載按20 kPa進行設置。建模示意圖如圖5所示：

圖5 啟明星建模示意圖

4.2.1變形內力

圖6 變形內力包絡圖

查閱計算分析資料可知，五種工況變形內力包絡圖如圖6所示。樁頂最大位移為7.3 mm，最大彎矩為33.8 kN·m，最大剪力為29.4 kN，支撐承受最大反力為53 kN/m。鋼材強度計算如下：

其中r0為重要性系數，取1.1。經計算鋼材強度滿足要求。

4.2.2 整體穩定驗算（取工況5）

在工況5基坑開挖到底部時，整體穩定安全系數K=1.96＞1.35，滿足《建筑基坑支護技術規程》要求。計算簡圖如圖7所示。

圖7 整體穩定驗算計算簡圖

4.2.3 抗傾覆驗算（取工況5）

在工況5基坑開挖到底部時，基坑抗傾覆安全系數K=1.46＞1.25，滿足《建筑基坑支護技術規程》要求。計算簡圖如圖8所示。

圖8 抗傾覆驗算計算簡圖

5 實施效果及建議

經現場實踐證明，本項目鋼板樁支護結構安全可靠，效果良好。通過本次施工，針對深基坑支護工程，我們有以下建議：

（1）基坑工程施工前必須認真搜集工程地質情況，查閱竣工圖紙有關資料，必要時進行現場地質鉆探。資料搜集完成后，仔細分析項目特點及所處場地環境，從而選擇出最佳基坑支護方案。

（2）施工過程中必須加強基坑及橋墩基礎沉降位移監測，做好應急預案，避免突發事故的發生，確保基坑施工及鐵路運營安全穩定。

（3）基坑支護鋼板樁施工盡量避免雨季或其他不利于施工安全的時間進行。對于雨季等特殊季節基坑支護施工，必須做好基坑內的排水、降水工作，防止軟弱土層地段遇水浸泡，降低土體抗剪能力，從而導致坍塌。同時盡量避免在基坑四周堆放開挖土方。

（4）基坑開挖發生坑底隆起或鋼板樁支護發生較大變形時，應迅速停止施工，必要時回填土或碎石于坑內，并加強鐵路橋墩及基礎的沉降變形觀測，觀察狀況有無進一步發展，再確定下一步措施。

（5）鋼板樁入土經驗深度一般為樁長1/3～1/2，為確保支護體系不發生傾覆，必要時進行樁長計算。對批量橋墩基礎開挖時采用跳墩法施工，減少整體開挖過大對橋梁穩定造成影響。

6 結束語

基坑支護結構的選擇必須遵循“安全、環保、經濟、適用”的基本原則。鋼板樁作為一種實用性強，簡易方便且較為經濟的基坑支護方式，在現實施工中經常運用。對于部分短平快橋梁大修項目涉及到的基坑工程，特別是位于淤泥、流砂、粉砂土等地質條件項目，可優先選擇鋼板樁進行支護，以便有效縮短工期和造價。同時，對于一些位于困難地質條件，如含有礫石、巖層等堅硬土層的項目，鋼板樁下沉困難，則應合理變通，考慮改用其他支護方式。如合九線另一處橋梁大修項目的基坑開挖支護，因地質條件導致鋼板樁不易貫入，后來選擇沉井來進行基坑防護。因此，在平時工作中，我們還需不斷總結學習，因地制宜，有針對性地解決好每一個基坑支護問題。