鋼板樁圍堰在水下深基坑中的應用

【摘 要】鋼板樁圍堰以其施工方便，安全防護效果好，效率高以及可重復利用等特點，在基坑圍護施工中得到了廣泛的應用。以鄭開城際鐵路鄭州特大橋跨賈魯河現澆梁313#墩基礎為模型，介紹鋼板樁圍堰在水下深基坑中的應用

【關鍵詞】鋼板樁圍堰；水下施工；計算

鄭開城際鐵路工程鄭州特大橋跨賈魯河為（48+32+3×48+32+48）m預應力混凝土簡支箱梁，其中310#～315#墩位于賈魯河河灘上，309#和316#墩位于賈魯河河堤外側，312#、313#為主墩。主墩承臺平面尺寸為9m×9m，高度為2.5m，其上為5.4m×5.4m，厚度為1m的加臺。313#承臺基礎埋深10.68米，河床下7米。基坑所處表層為河漫灘上開辟的農田雜填土，下層為粉質砂土和細砂。

1.鋼板樁圍堰的設計

1.1地址及水溫資料

（1）313#基坑土層參數取值如下表1所示：

表1 313#基坑土層參數取值（河床底往下）

（2）根據水利部門的資料顯示，H1%=84.3m。施工時的水位高程為79.93m。鋼板樁施工前先對河灘進行了筑島，頂高程為81.43m。鋼板樁施工選擇在賈魯河水位最低的冬季進行。最高水位80.0m。考慮安全系數，鋼板樁的頂高程取81.43m，與筑島高程相同。

1.2鋼板樁、圍囹支撐的規格、型號

（1）鋼板樁的規格、型號參數如下表2所示：

表2 拉森IV 鋼板樁的規格、型號參數

（2）313#墩圍堰內側四周圈及大斜撐采用H型鋼HK550b，分上、中、下三層以圍檁形式支護；中間小斜撐HK400b型鋼斜撐，對撐采用600mm直徑，壁厚10mm鋼管制作。

1.3鋼板樁的布置形式

鋼板樁支護的結構尺寸為12m×12m。基坑開挖深度為10.22m。鋼板樁入土深度為14m。鋼板樁內部加強支撐共設置3到。布置形式如圖1所示：

圖1 鋼板樁布置圖

1.4鋼板樁計算

（1）作用在鋼板樁上的土壓力強度。

k=tg（45°-）=0.49，k=tg（45°+）=2.04

（2）計算樁頂部懸臂部分的最大允許跨度。

h===3.03m

其中：[f]=200MPa——板樁的抗彎強度設計值，γ=18kN/m3——板樁墻后的土的容度，Ka=0.49——主動土壓力系數。

（3）利用等值梁計算鋼板樁。

等值梁模型如下：

結論：鋼板樁的最大應力σmax=96MPa<[σ]=200MPa，滿足強度要求。

剛度f=12.4/（5040）=1/406<[f]=1/400剛度稍顯大。

（4）入土深度計算：

計算鋼板樁入土深度：

x===3.81m

式中：Po=121kN——壓力零點處剪力，γ=18kN/m3——土體容重，K=1.6被動土壓力修正系數Kp=2.04——被動土壓力系數，Ka=0.49——主動土壓力系數。

（5）樁長計算：

t0=x+y=3.81+1.923=5.733m，t=1.2*t0=1.2*5.7=6.9m，取鋼板樁長度為：

10.22+6.9=17.1m，取18m樁長。

（6）鋼板樁穩定性檢算。

1）抗傾覆穩定性分析。

抗傾覆穩定性又稱踢腳穩定性，是驗算最下道支撐以下的主動、被動土壓力繞支撐點的轉動力矩是否平衡，按下式計算：

K=，式中：K——抗傾覆安全系數，根據基坑重要性取值； M——抗傾覆力矩，取開挖面以下鋼板樁內側人土深度范圍內的土壓力，對最下一道支撐點的力矩；M——傾覆力矩，取最下一道支撐 點以下鋼板樁外側人土壓力支撐點的力矩。

取18米鋼板樁時，最下一道支撐受力情況如下（不考慮被動土壓力修正系數）。

KQ=（1111.1*8.207）/（1307.9*6.107）=1.14；雖滿足抗傾覆穩定性要求，但稍偏小。可以通過必要的加強支撐，以提高抗傾覆穩定性。

（7）基坑底部隆起驗算。

基底抗隆起穩定性分析可采用以下公式求抗隆起安全系數：

式中，γ1，γ2——坑內、外土層的容重加權平均值，取18kN/m2；

c——樁底處地基土粘聚力，為0；q——坑外地面荷載，取10kN/m2；H——基坑開挖深度，10.22m；t——鋼板樁入土深度，取7.78；Nq、Nc ——地基承載力系數；Φ——樁底處地基土內摩擦角，取18oKS——抗隆起安全系數，根據基坑重要性取值，取1.7。

Nq=etg（45+）；N=

K===2.20>1.7

即鋼板樁打入深度7.78m，地基土穩定，不會發生隆起。

1.5圍囹檢算

1.5.1計算模型

圍囹所受最不利均布荷載為413.5kN/m，在圍囹縱、橫長度方向的中部位置。：

1.5.2計算結果

圍囹最大正應力σ=158.5Mpa<[σ]=200MPa，滿足強度要求。最大豎向位移V=-3.587mm

2.鋼板樁的施工過程

2.1鋼板樁的施工準備

對于關鍵材料鋼板樁的驗收操作如下：

鋼板樁運到工地后，需進行整理。清除鎖口內雜物（如電焊瘤渣、廢填充物等），對缺陷部位加以整修。

（1）鎖口檢查的方法：用一塊長約2米的同類型、同規格的鋼板樁作標準，將所有同型號的鋼板樁做鎖口通過檢查。檢查采用卷揚機拉動標準鋼板樁平車，從樁頭至樁尾作鎖口通過檢查。對于檢查出的鎖口扭曲及“死彎”進行校正。

（2）鎖口潤滑及防滲措施，對于檢查合格的鋼板樁，為保證鋼板樁在施工過程中能順利插拔，并增加鋼板樁在使用時防滲性能。每片鋼板樁鎖口都須均勻涂以混合油。

2.2鋼板樁的施工

（1）施工設備：鋼板樁下沉采用振動錘沉入，9m和15m鋼板樁使用小松400型機械臂振動錘打入；18m鋼板樁利用50t履帶吊和DZ60液壓振動錘沉入，電焊機4臺。

（2）施工過程：

在鋼板樁施工中，為保證沉樁軸線位置的正確和樁的豎直，控制樁的打入精度，防止板樁的屈曲變形和提高樁的貫入能力，一般都需要設置一定剛度的、堅固的導向架，亦稱“施工圍囹”。導向架采用I40工字鋼制作，即縱斷面圖上的樁頂圍囹，場地平整后按照設計尺寸吊裝就位，并連成整體，必要時在圍囹內側打設幾根定位樁。然后鋼板樁貼著導向架下沉。

導向架安裝前，在導向架內側四個角點準確放出鋼管樁位置，打入時，用兩臺全站儀，從兩個不同的方向控制鋼管樁的垂直度，當有偏差時及時糾正。

（3）鋼板樁打設。

根據現場施工條件，采用單獨打入法。此法是從一角開始逐塊插打，每塊鋼板樁自起打到結束中途不停頓。因此，樁機行走路線短，施工簡便，打設速度快。但是，由于單塊打入，易向一邊傾斜，累計誤差不易糾正，墻面平直度難以控制。機械手或履帶吊停在打樁點外側河岸上，側向有施工人員監控。掛上振動錘，升高，理順油管及電纜。錘下降，開液壓口，夾住一根由汽車吊喂至打樁錘下的鋼板樁，鎖口抹上潤滑油，起錘。機械手則直接夾起平放在地面上的鋼板樁.上升錘與樁，至打樁地點。對準樁與定位樁的鎖口，錘下降，靠振動錘與樁自重壓樁至表層軟弱土以下一定深度不能下降為止。試開打樁錘30秒左右，停止振動，利用錘慣性打樁至堅實土層，開動振動錘打樁下降，控制打樁錘下降的速度，盡可能的使樁保持豎直，以便鎖口能順利咬合，提高止水能力。板樁至設計高度前40cm時，停止振動，振動錘因慣性繼續轉動一定時間，打樁至設計高度。

2.3基坑開挖與支撐安裝

由于313#基坑位于河道中，考慮到使鋼板樁內外水壓力平衡，采用基坑內帶水的水下開挖方式進行開挖。開挖的設備為水下沖砂（土）、吸砂（土）設備。將基坑內部的土通過吸砂（土）設備不斷抽出基坑外。在吸砂（土）的同時不斷向基坑內補充河水，保持吸砂（土）過程中的內外水壓穩定。

（1）帶水進行開挖至313#墩開挖至承臺底下1.5米處， 逐點檢查基坑底部標高后，進行封底混凝土的施工；待封底混凝土強度達到2.4MPa以上時，抽水，清理基坑。

（2）抽水，313#基坑樁頂往下1m處，安裝第一道圍囹和支撐。

（3）抽水，313#基坑在距樁頂為3.5米處安裝第二道圍囹和支撐。

（4）抽水，313#基坑在距樁頂為6米處安裝第三道圍囹和支撐。

（5）抽水，直至基坑設計高程。清理基礎表面進行承臺的施工。

2.4鋼板樁圍堰拆除

遵循先回填后拆除的原則，即在拆除鋼板樁和支撐之前，先回填基坑，采用原開挖棄土，嚴格按照施工步驟進行，根據工況分析鋼板樁圍堰支撐和圍囹在承臺施工完畢后均可拆除，待墩身施工完畢，鋼板樁圍堰仍采用振動錘拔除，邊拔邊倒運集中堆放整齊，保持場地整潔。

（1）鋼板樁施工中監測。

在鋼板樁施工中，打設的允許誤差一般為：樁頂標高偏差±100mm；鋼板樁軸線偏差±100mm；鋼板樁垂直度偏差為1%。在打設過程中，應用全站以測試鋼板樁垂直度，確保垂直度偏差在允許范圍內，在導向圍囹上標出軸線位置，確保打入時軸線偏差在允許范圍內，用水平測出導向圍囹的標高，以備控制鋼板樁頂部標高。監測是否在允許誤差范圍內，超出時及時糾正。

（2）系統的監測。

在施工支撐及承臺的過程中，應對支撐系統進行監測。主要監測支撐的變形、鋼板樁的變形、基坑內流動水量及圍堰的位移等。在施工過程中可能出現如下的情況：①鋼板樁彎曲變形嚴重：這主要是鋼板樁斷面選用偏小，土壓力計算偏低，基坑超挖或支撐間距過大等原因造成的。②基坑底部涌水嚴重：主要是基坑封底時混凝土澆注質量不好，出現開裂、夾泥等情況引起的。嚴重時可以致使封底混凝土不能發揮其作用，而需要進行二次封底。③支撐彎曲：這往往是由于支撐斷面不夠或受力不均造成。可增加支撐以解決。④圍堰整體位移：這主要是鋼板樁入土深度不夠，地質情況有較大的出入等原因造成的。

（3）觀測點的布置。

基準點選擇已知點（315#墩右側大堤邊CPII012-2）。鋼板樁頂部設置8個水平位移和豎向位移點，在鋼板樁靠大里程側鋼板樁兩個角點地面上各設置一個土體沉降觀測點。

鋼板樁對撐每個中間設置一個點，共10個點。

（4）基坑監測頻率。

監測頻率應考慮基坑等級、基坑不同施工階段以及周邊環境變化，當監測值相對穩定時，可適當降低監測頻率。本基坑監測頻率參照《建筑基坑工程監測技術規范》（GB50497-2009）要求進行監測。本鋼板樁圍堰基坑開挖深度最大為11.5m，觀測頻率按照一級基坑考慮。

（5）監測報警值。

本工程基坑按照三級基坑考慮，其報警值見下表。

3.結語

313#基坑的鋼板樁圍堰順利施工完成。施工過程與設計基本吻合。施工中安全可控，證明設計選取參數合理，方案可行。為以后的類似的水下基坑施工提供了有力的參考。 [科]

【參考文獻】

[1]《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）.中華人民共和國建設部，2003，12.

[2]《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）.中國建筑科學研究院，1999，1.