緊鄰防汛墻的大橋橋墩深基坑設計和施工

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1 工程概況

黃浦江大橋位于上海松江區主城區的西南部呈南北走向的辰塔公路上，是辰塔公路（D30公路）跨越黃浦江（原名橫潦涇）的一個重要節點。

工程北起甘德路以南218 m，南至北十二勤河以北228 m，路線全長1 648 m。主橋橋型為雙塔雙索面混凝土梁斜拉橋，跨徑布置：49.55 m+75.45 m+296 m+ 75.45 m+49.55 m。索塔主墩基礎采用60根Φ1 800 mm鉆孔灌注樁，承臺長度58.2 m，寬度19.0 m，厚度5.5 m，頂標高+3.7 m，底標高－1.8 m。本工程江北承臺自然地坪標高為+4.420 m，江南承臺自然地坪標高為+3.480 m。

2 工程特點和難點

（a）江南主墩（P10墩）基坑開挖深度為5.5 m，江北主墩（P9墩）為6.5 m。根據本工程特點和周邊環境，主墩基坑安全等級為三級，環境保護等級為二級。

（b）索塔主墩基坑緊鄰黃浦江防汛墻，其中江南承臺距離防汛墻11 m左右，對基坑防水和基坑變形的控制要求較高。

（c）江南主墩承臺頂標高高于現狀地面標高，基坑支撐的設計難度較大。

3 基坑圍護設計

3.1 設計原則

（a）主墩承臺要求一次澆筑成形，基坑中間不設臨時支撐[1]。

（b）為簡化承臺模板安裝工作量，縮短施工工期，承臺澆筑不設模板，基坑平面較承臺邊線各放大10 cm，承臺混凝土與基坑圍護用油毛氈隔離。

（c）由于本基坑距離黃浦江防汛墻較近，基坑設計時必須采取有效措施控制滲水。

（d）基坑設計必須兼顧到防汛墻的沉降和變形，控制其垂直位移和水平位移在20 mm以內。

3.2 基坑設計

（a）基坑內邊尺寸為長度58.4 m，寬度19.2 m，單邊比承臺擴大10 cm。承臺不設模板，采用油毛氈隔離圍護體后直接澆筑混凝土。

（b）基坑圍護體采用Φ650 mm@450 mm三軸水泥土攪拌樁，內插500 mm×300 mm的H 型鋼，采用插一跳一的形式（因南側P10墩離防汛墻較近，故臨江一側采用插二跳一的形式）。

（c）在臨江一側采用坑內墩式加固的形式對坑內土體進行加強，以加強保護防汛墻，防止防汛墻變形。加固體采取Φ700 mm雙軸攪拌樁，加固深度4.0 m，加固寬度4.2 m。

（d）本基坑僅在承臺以上設置1 道水平支撐，支撐結構采用鋼筋混凝土（C30混凝土）+鋼管支撐（Φ609 mm×16 mm）。由于承臺面與地面相平，設計對支撐進行了適當的提高，這樣承臺就可以一次性澆筑完成。

由于水平支撐高于地面，在圈梁上設置鋼筋混凝土牛腿以支撐牛腿荷載。牛腿后部布置Φ650 mm@450 mm三軸水泥土攪拌樁。

（e）為防止基坑滲水，在臨江一側設止水帷幕，采用Φ650 mm@450 mm三軸水泥土攪拌樁。詳見圖1、圖2。

圖1 基坑圍護設計平面

圖2 P10墩（臨江側）基坑圍護立面

3.3 基坑設計計算

基坑計算采用專業的大型巖土工程有限元分析軟件Plaxis按平面應變連續介質有限元方法進行分析[2]。通過自動網格生成模擬土體、結構和界面單元的有限元網格模型（圖3），采用摩爾-庫侖模型、硬化模型和蠕變模型等土體本構模型模擬土體的不同特性。采用不同的迭代過程計算控制方法，模擬分步施工、單元死活和荷載激活。

圖3 有限元網格劃分

基坑圍護體系的計算采用規范推薦的豎向彈性地基梁法，土的c、φ值計算采用勘察報告提供的固結快剪峰值，圍護體變形、內力計算和各項穩定驗算均采用水土分算原則（表1）。

表1 基坑設計參數

3.3.1 計算工況和設計荷載

（a）計算工況

STEP1：場地整平，在施工完硬地坪后進行圍護樁的施工。

STEP2：澆筑混凝土圈梁及擋土墻，并施工鋼支撐。

STEP3：水平支撐形成，基坑內土方向下分塊、分層開挖至基底，鋪設混凝土墊層。

STEP4：待承臺達到設計強度后，進行回填，最后拆除支撐，施工上部橋墩結構。

（b）地下水位埋深：0.50 m。

（c）地面超載：20.0 kPa。

3.3.2 計算結果

挖至基底時，江北基坑（圍護樁）最大位移為34 mm，出現在基坑底附近；河堤豎直位移沉降，水平位移向坑內方向，其最大水平位移在7.2 mm，最大沉降在6.3 mm。

4 基坑施工

4.1 基坑圍護施工

（a）三軸水泥土攪拌樁施工時相鄰搭接一孔，采用一噴一攪的施工工藝。三軸攪拌樁按跳槽式連接順序施工，轉角處按單排咬合式連接施工，以保證墻體的連續性和接頭的施工質量。

（b）水泥漿配合比采用P42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為20%，（即每立方米被攪拌土體中水泥摻入量不應小于360 kg），并摻入10 kg/m3膨潤土，水灰比1.5。攪拌樁28 d無側限抗壓強度標準值不宜小于0.8 MPa。

（c）嚴格控制注漿量和提升速度，防止出現夾心層或斷漿情況。樁機預攪下沉應根據原土情況，保證充分破壞原狀土的結構，使之利于同水泥漿均勻拌和，故鉆頭預攪下沉（提升）速度控制在0.5 m/min，鉆頭每轉1 圈的提升（或下沉）量控制在10～15 mm。

（d）型鋼的插入宜在攪拌樁施工結束后30 min內進行，插入前必須檢查其直線度、接頭焊縫質量并確保滿足設計要求。

（e）澆筑圈梁前，在H型鋼外露部分固定泡沫塑料以隔離混凝土，高出圈梁頂50 cm，用U形粗鐵絲卡固定。

（f）支撐采用Φ609 mm×16 mm鋼管支撐，中心標高為+4.300 m。鋼管支撐連接采用螺絲對接。鋼管主撐施加350 kN預應力，采用 1 臺1 000 kN液壓千斤頂施頂（圖4）。

圖4 支撐及牛腿

表2 辰塔大橋基坑報警指標

4.2 基坑開挖和墊層澆筑

（a）為控制基坑變形，基坑土方開挖采取上下分層、縱向分塊、左右對稱的順序進行。上下分2 層開挖，分層厚度3 m左右；挖機布置于基坑長邊側，沿水平撐方向進行分塊開挖。

（b）機械挖土至樁邊30 cm時，采用人工將靠近圍護體的土體清理出來；嚴禁讓挖土機械任意碰撞鋼板樁，以保證圍護的穩定性。挖土時不得超挖，坑底必須留厚200～300 mm基土用人工鏟除修平。

（c）基坑開挖完成，對基底整平處理后，在24 h內鋪筑碎石墊層，并澆筑混凝土墊層。

（d）為加快基坑開挖速度，減少基坑暴露時間，本次開挖采用2 臺長臂挖機進行，基坑開挖時間控制在7 d以內。

5 基坑監測

為確保主橋墩穩定安全性及臨近防汛墻的安全穩定，控制施工對周圍環境的影響并提供判斷數據，需對基坑進行監測。

5.1 監測內容

臨江側防汛墻垂直位移、水平位移監測；圍護頂部垂直位移、水平位移監測；圍護結構側向位移監測；坑外土體側向位移監測；坑外潛水水位觀測；支撐軸力監測。

5.2 基坑報警指標

監測報警指標一般以總變化量和變化速率2 個量控制，累計變化量的報警指標一般不宜超過設計限值。根據設計要求和環境特點，本工程報警指標見表2。

5.3 監測結果

基坑監測工作從2013年4月圍護施工開始，到2013年9月主橋墩施工完成，監測數據基本趨于收斂為止，圍護結構經受了基坑開挖、承臺施工等工況的考驗，表明圍護結構工程的設計、施工、監測方案是相當成功的。

防汛墻最大累計垂直位移為－6.2 mm；圍護頂部在垂直方向最大位移為－8.5 mm，在水平方向最大位移為+9.0 mm；圍護結構側向位移最大為18.2 mm（圖5）。

在整個基坑施工過程中，圍護結構總體變形不大，圍護結構的變形無突變現象發生，表明地下圍護結構始終處于安全可控的范圍，基坑運行正常。

圖5 圍護結構側向位移變化曲線

6 結語

本工程主橋墩基坑圍護設計和施工，通過選擇合適的基坑圍護方案并在坑內進行土體加固，確保基坑變形和防汛墻處于可控范圍內；通過在臨江側設置止水帷幕保證了坑內止水效果；通過水平支撐節點構造設計解決了支撐高于地面的現實問題；通過合理的施工順序安排和有效的施工監測保證了施工工期及基坑變形控制。從實際效果來看，以上措施是可行的，它確保了辰塔大橋主橋墩基坑的施工質量和安全，在類似工程中值得借鑒。