淺談軟弱深基坑鋼板樁的應用

吉 燕

目前城際高速鐵路快速發展,橋梁在鐵路建設中占據較大比例,特別是位于珠三角地區,屬于沖積平原,有較厚的淤泥層,橋梁比例會更大,鋼板樁在施工中大量應用。

1 工程概況

新建鐵路廣州—珠海城際軌道交通工程線路主線從新廣州站引出,經順德、中山至珠海的拱北,里程為 DK0+900(新廣州站DK2219+458)～DK104+893,線路長115.625正線公里(含長鏈11.632 km),全線設21個車站。

ZH-3標段位于中山市和珠海市境內,起訖里程為DK62+822.49～DK90+202.59,DK107+825.34～DK104+893.72(DK108+461.91～DK97+200.000長鏈 11 261.91 m),正線長35.71 km。主要工程數量為:雙線橋梁13座26.391 km,高架站橋8座7.845 km(含金唐、金鼎車站),其他線單線橋3座0.798 km,雙線橋1座0.148 km,隧道2座629 m,路基4.063 km,涵洞10座。

石岐河特大橋屬于廣珠城際軌道交通工程ZH-3標段重點項目工程之一,中心里程為DK66+036.52,起訖里程為 DK63+654.59～DK68+400.61。全橋總長4 728.21 m,共有墩臺135個。其中69號,72號,73號墩為石岐河特大橋(60+4×110+60)m連續梁中墩,承臺底標高-3.65 m,承臺頂標高+2.35 m,承臺為19.1 m×10.4 m(4 m+2 m加臺)結構,承臺頂面尺寸為8.5 m×4.4 m,每個承臺為10根φ 2.0 m樁基,承臺全部位于淤泥范圍內。

2 鋼板樁施工特點

1)一次性投入大,但材料損耗率低,需要多次使用方可體現鋼板樁經濟效益。2)鋼板樁截面模量大,特別是槽形鋼板樁(工程中最常用)能夠抵抗較大的水、土壓力,而且插打方便。3)鋼板樁施工機械使用率高,有利于加快工期進度。4)鋼板樁能夠滿足基坑較深結構的支護,非常適用。

3 采用鋼板樁原因

1)69號,72號,73號墩開挖深度達到7.5 m左右,采用明挖、草袋圍堰、土圍堰均不能滿足施工要求。2)石岐河特大橋全橋共133個墩,除70號,71號墩外,其余全部均采用鋼板樁施工,雖然一次投入大,但是總體經濟效益高。

4 鋼板樁結構設計

為了確保基坑安全、基坑有充足的施工空間和滿足承臺分三次澆筑的要求,擬定方案如下:

承臺采用18 m長的拉森Ⅴ形鋼板樁作為承臺施工圍堰,并分三層圍囹,開挖采用長臂挖掘機開挖,并將基坑分塊進行開挖,基坑底清底采用人工配合機械進行。鋼板樁每邊比設計承臺寬1.2 m,保證施工寬度,見圖1。

5 結構驗算

以73號作為計算依據,原地面高出承臺頂0.5 m,同時由于施工樁基作平臺,回填高度0.5 m,封底混凝土厚度為 0.5 m,所以開挖深度為7.5 m,鋼板樁露出地面0.1 m,根據地質柱狀圖結構,查出施工回填加原地面回填土共1.3 m,以下12.7 m為流塑狀淤泥,再往下為6 m的硬塑狀淤泥,各種土的性能如下:人工填土:容重15 000 N/m3;摩擦角20°;粘結力10 000 N/m2。淤泥質黏土:容重14 000 N/m3;摩擦角14°;粘結力 10 000 N/m2。硬塑狀淤泥:容重15 000 N/m3;摩擦角16°;粘結力12 000 N/m2。考慮施工時機械挖土,均布荷載為30 000 N/m。

5.1 計算各層土壓力

利用庫侖土壓力公式,主動土壓力為:

被動土壓力為:

其中,Q0=30 000 N/m;Ri為第i層的天然容重;Hi為第i層土的厚度;γ,Cn分別為土層的摩擦角和粘聚力。

將參數代數代入求得各土層的土壓力,如圖2所示。并根據主動土壓力和被動土壓力關系求出反彎點位置為C,距離開挖面2.916 9 m。

5.2 計算支撐反力

計算第一層支撐反力時,以 A點以上部分各種力對A點的矩為0,求得:F1=21 745 N/m。

計算第二層時,以B點以上部分各種力對B點的矩為0,此時F1為已知,求得:F2=79 095 N/m。

計算第三層時以反彎點C以上部分各種力對C點的矩為0,求得:F3=152 402 N/m。

5.3 計算反彎點支持力P0

C點以上各種力的合力差即為P0,求得:P0=69 809 N/m。

5.4 計算鋼板樁嵌入深度tk及鋼板樁總長

以反彎點以下力矩平衡為0,即 tk=∑Pan×an(Pan為被動土壓力;an為被動土壓力作用中心到D的距離)。

求得 tk最小值為5.908 4 m。

鋼板樁總長:L=0.1+7.5+2.917+1.2×5.908 4=17.6 m,采用18 m鋼板樁。

5.5 計算支撐鋼管受力

采用兩跨連續梁結構,則鋼管支撐力:FN=1.3×152 402×4.5=89.05×104N。

鋼管支撐選用直徑478 mm、壁厚12 mm。

則鋼管慣性矩 J=π/32×0.634×[1-(454/478)4]=0.002 225 36 m4。

則 λp=π(E/σp)0.5=99.34。

而λ=uL/(J/A)0.5=55.6(u取1,L=12.8 m)。

因為λ＜λp,不按照壓失穩構件考慮。

則P=σ×A=378×104N,滿足要求。

5.6 驗算H型鋼受力

H型鋼選用0.4×0.4×0.021×0.013。

H型鋼的最大彎矩 M=0.070×152 402×4.52=216 029 m3。

H型鋼的抵抗矩W=0.003 268 m3。

則 σmax=M/W=66×106＜215×106。

驗算剛度:f=0.521×152 402×4.54/100EI=0.002 372＜4.5/400=0.011 25,所以H型鋼滿足要求。

5.7 計算鋼板樁的受力

計劃選用拉森Ⅴ形鋼板樁:

根據計算 W=520×10-8m4。

鋼板樁抵抗最大彎矩力 Mmax=(520×10-6×210×106)×2=218 400 N·m。

按照簡支梁計算各段最大彎矩,經計算最大彎矩發生在8.251 6 m處:

其值為 Mmax(延長米)=171 125 N·m＜218 400 N·m,滿足要求。由于允許鋼板樁一定變形,鋼板樁不進行剛度驗算。

5.8 結構布置

詳細結構布置見圖1,鋼板樁計算結構簡圖見圖2,鋼板樁計算結果見表1。

表1 鋼板樁計算結果表

6 鋼板樁施工工藝流程

為了更好地控制鋼板樁施工質量和安全,特制定鋼板樁施工流程(見圖3)。

7 施工方法

7.1 施工準備

鋼板樁采用拉森Ⅴ形,盡量減少露出地面的鋼板樁長度。

將新舊鋼板樁運到工地后,詳細對其檢查、丈量、分類、編號,同時對兩側鎖口用一塊同型號長2 m～3 m的短樁作通過試驗,以2人～3人拉動通過為宜,鎖口通不過或樁身有彎曲、扭曲、死彎等缺陷,采用冷彎、熱敲(溫度不超過800℃～1 000℃)、焊補、鉚補、割除、接長等方法加以整修。同時接頭強度與其他斷面相等,接長焊接時,用堅固夾具夾平,以免變形,在焊接時,先對焊,再焊接加固板,對新樁或接長樁在樁端制作吊樁孔。

因使用鋼板樁長度為18 m,需要采用接樁處理,同時要保證相鄰鋼板樁接頭不能在同一截面,所以采用12 m+6 m和9 m+9 m的錯開接樁方案。

7.2 施工順序

主要施工順序(承臺分三次澆筑):插打鋼板樁→施工第一道施工圍囹→開挖一定深度(比第二道施工圍囹深30 cm)→施工第二道施工圍囹→開挖一定的深度→施工第三道圍囹→開挖剩余土方→封底混凝土施工→澆筑第一層承臺→拆除模板→回填并夯實臺背→拆除第三道圍囹→施工第二層承臺→拆除第二道圍囹→澆筑第三層混凝土→拆除模板→回填1.5 m并夯實→拆除第一道圍囹→拔出鋼板樁→回填并夯實臺背。

7.3 打樁設備

全部承臺投入鋼板樁打拔樁機,1臺用于施工,為DZ40樁錘(配夾具)。

7.4 插打鋼板樁

測量人員首先定出鋼板樁的軸線,可每隔一定距離設置導向樁,導向樁適用鋼管,然后安設木導梁,只設置內置導向架,打樁時利用導向木控制鋼板樁的軸線。結構如圖4所示。

采用單樁逐根打入法施打鋼板樁,打樁機吊起鋼板樁,采用人工配合吊車扶正就位,由鋼板樁一個角開打,然后合龍于此角。

為保證插樁順利合龍,要求樁身垂直,并且圍堰周邊的鋼板數要均分,插打第一塊鋼板樁必須保持正確,最先幾塊插好穩定后,立即用木導梁和固定螺栓固定,然后繼續插打,在施工中加強測量工作,發現傾斜,及時調整,使每組鋼板樁在順圍堰周邊方向及其垂直方向的傾斜度均不大于5‰,同時為了使圍堰周邊能為鋼板樁數所均分,事先在圍堰導梁上按鋼板樁組的實際寬度畫出各組鋼板樁的位置,使寬度誤差分散,并在插樁時,據此調整鋼板樁的平面位置,使誤差不大于±15 mm,當仍有困難時,將合龍口兩邊各幾組鋼板樁不插到設計位置,在懸掛狀態下進行調整。無法順利合龍時,則根據合龍口的實際尺寸制造異形鋼板樁合龍,但要控制異形鋼板樁上下寬度之差不超過樁長的2%。

7.5 開挖

基坑開挖由專人負責指揮,采取分層分段對稱開挖,開挖到支撐結構時,應及時施工支撐,并嚴格遵循“分層開挖、嚴禁超挖”。當挖至標高接近基礎底板標高時,邊抄平邊配合人工清槽,防止超挖。基坑開挖施工至基礎底板標高時,在24 h內必須完成素混凝土墊層,墊層混凝土厚度為50 cm。

7.6 拔樁

在承臺施工完畢后,首先回填1.5 m土并夯實,確保拔除鋼板樁后不出現坍方現象,然后可拆除圍囹,因為下部承臺臺背已經分層回填夯實,若全部回填完畢,內側摩阻力會變大,不便于進行拔樁作業,所以采用先回填部分土,再拆除鋼板樁,最后再回填剩余部分的方案。

先用打拔樁機夾住鋼板樁頭部振動1 min～2 min,使鋼板樁周圍的土松動,產生“液化”,減小土對樁的摩阻力,然后慢慢的往上振拔。拔樁時注意樁機的負荷情況,發現上拔困難或拔不上來時,應停止拔樁,振動1 min～2 min后再往下錘0.5 m～1.0 m再往上振拔,如此反復可將樁拔出來。

7.7 鋼板樁施工中的問題及處理方案

插打72號墩靠便道側時出現樁帶入現象,處理方案:把相鄰的數根樁焊接在一起,并且在施打擋樁的連接鎖口上涂以黃油等潤滑劑減小阻力。

69號墩因在樁基施工時出現比較大的坍方,利用石渣和黏土進行回填及樁基重新施工,使部分石渣侵入鋼板樁打樁范圍,在此位置插打鋼板樁時使前進方向鋼板樁夾入石渣,使下個鋼板樁鎖口無法連接,處理方案:拔除無法連接的鋼板樁,在鋼板樁前進方向鎖口下端用木塞塞住,防止石渣進入。

72號墩因原有一角為原來河溝填充,淤泥層不但厚,而且流動度非常大,致使開挖到基坑底時出現反涌現象。處理方案:立即進行回填部分基坑,然后對此處鋼板樁外側開挖2 m深左右(放坡開挖的最大深度),寬度5 m左右(減小主動土壓力),然后再進行開挖,雖然反涌程度減弱,但是還存在反涌,經對經濟和工期進行反復比價,在此角,拋入片石,利用片石擠淤(增加被動土壓力),最終徹底解決了反涌現象。

7.8 圍堰擋水效果

雖然地下為淤泥層,但是滲水較少,只需要設置排水坑即可滿足要求。

7.9 變形觀測

在鋼板樁圍堰擋水期間,我們定期對鋼板樁頂的位移進行觀測,發現樁頂向基坑內的偏移量穩定在2 cm～8 cm之間,說明堰體是穩定的,若偏差過大,采用加強支撐的形式對樁進行加固。

8 結語

通過對石岐河特大橋鋼板樁施工,有效地解決了在軟弱地基中深基坑作業,為其他類似工程提供參考。

[1]張 秀,任學起.通榆運河特大橋基礎鋼板樁圍堰施工實踐[J].山西建筑,2008,34(25):319-320.