蒙華鐵路深水低樁承臺圍堰方案的設計優(yōu)化

蘇 鳳 濤

(中鐵十四局集團有限公司,山東 濟南 250000)

蒙華鐵路深水低樁承臺圍堰方案的設計優(yōu)化

蘇 鳳 濤

(中鐵十四局集團有限公司,山東 濟南 250000)

結(jié)合長湖特大橋工程實例，通過理正深基坑軟件整體建模驗算，采用單層鋼板樁替代了原設計雙側(cè)壁鋼圍堰方案，指出該方案提高了施工效率，有效節(jié)約了造價，取得了良好的施工效果。

鋼板樁，雙壁鋼圍堰，鋼板樁圍堰，支護結(jié)構(gòu)

0 引言

鋼板樁圍堰和雙壁鋼圍堰作為兩種不同的圍堰類型，在眾多的大型橋梁深水基礎(chǔ)施工中廣泛應用，但由于其在工程造價、施工工序、技術(shù)難度等方面的差異，適用條件存在著不同。本文以長湖特大橋連續(xù)梁31號主墩基礎(chǔ)為例，對原設計的雙壁鋼圍堰方案進行了重新比選和設計，選用18 m鋼板樁方案，達到造價更經(jīng)濟、工期更合理、施工更便捷的目的。

1 工程概況

長湖特大橋全長4 022.56 m,橋位穿越湖北荊門長湖濕地自然保護區(qū)，其中31號～35號墩采用64 m+96 m+96 m+64 m連續(xù)箱梁作為通航孔跨，該深水基礎(chǔ)樁基承臺平面尺寸18.5 m×13.5 m,底標高19.281，施工水位30.5 m，水深4 m。基坑支護深度達11.5 m。31號主墩處河床地質(zhì)從上至下依次為淤泥(0.7 m)，粉質(zhì)粘土(7.3 m)，細砂(6.9 m),粉質(zhì)粘土(7.5 m),最高水位水深4 m，原設計采用雙壁鋼圍堰進行圍護施工。

2 方案比選

根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查情況，雙壁鋼圍堰雖具有整體剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點，但在施工中仍存在較大的不便，且造價較高。針對此情況，我部將雙壁鋼圍堰和鋼板樁圍堰兩種圍護方式進行了多方面的對比，具體如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)比選

結(jié)合兩方案的優(yōu)劣對比及實際工程地質(zhì)，在結(jié)構(gòu)設計驗算合格的前提下，該橋主墩基礎(chǔ)采用鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)較為合理，可大大的提高施工效率和節(jié)約資金，有利于工程施工。

3 鋼板樁圍堰優(yōu)化設計

31號墩為主墩，承臺底標高19.281，施工水位30.5 m，水深4 m。承臺上下兩層，下層平面尺寸18.5 m×13.5 m，高3.5 m，上層高2.7 m，考慮基底超挖30 cm，基坑支護深度按11.5 m計。

支護鋼板樁內(nèi)部尺寸按比承臺平面尺寸每邊各寬出1 m考慮，即內(nèi)部尺寸20.5 m×15.5 m。角撐及圍囹分上下3層，角撐均為φ630×10 mm的鋼管，圍囹均為3Ⅰ50a工字鋼倒放。鋼板樁采用拉森-Ⅳ型，長度不小于20 m，截面每延米抗彎模量不小于2 200 cm3，基底以下嵌固深度8 m。支護結(jié)構(gòu)詳見圖1。

4 鋼板樁圍堰內(nèi)力驗算

4.1 計算方法

計算采用《理正深基坑7.0》軟件整體建模計算。整體計算可以較為準確的模擬結(jié)構(gòu)的力學行為，如內(nèi)力和變形等。而抗隆起、抗管涌、抗突涌等的計算則利用該軟件的單樁計算功能實現(xiàn)。計算時土壓力按彈性法、結(jié)構(gòu)計算按極限狀態(tài)法、基坑外側(cè)不排水。

4.2 設計參數(shù)

支護設計參數(shù)按基坑四周相同考慮。土層參數(shù)如表2所示。

表2 支護立面土層參數(shù)表

4.3 結(jié)構(gòu)變形

通過軟件給出的計算工況共有4個，即抽水到2 m、開挖到5.3 m，8 m及基坑底時，每種工況的計算模型均不相同。通過軟件計算可以看出，開挖到基底時鋼板樁的橫向變形最大，最大變形值95.35 mm，其位于長邊中間鋼板樁。

圖2為開挖至基底整體變形俯視圖，圖3為開挖至基底時的單樁最大變形圖。整個基坑支護樁的最大變形即發(fā)生于此。

4.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

鋼板樁法向(即垂直于側(cè)邊)彎矩、腰梁以及角撐的水平彎矩、軸力是分別控制這三種結(jié)構(gòu)設計的主要因素，這里給出這三種內(nèi)力供后面的設計檢算之用。由于開挖至基底為控制工況，結(jié)構(gòu)受力最大，這里只討論此工況下的結(jié)構(gòu)受力問題。

圖4為此工況腰梁的彎矩圖。從該圖看到，各層腰梁最大彎矩599.7 kN·m，對應的軸向力1 041 kN。

如圖5所示為此工況角撐的彎矩圖。各層角撐最大軸向力為1 463 kN，對應的彎矩138.2 kN·m。

圖6為開挖至基底時的鋼板樁彎矩情況。從該圖看到，鋼板樁單樁最大彎矩為317.33 kN·m。

5 支護結(jié)構(gòu)檢算

1)鋼板樁檢算。

鋼板樁單寬受到的最大彎矩為317.33 kN·m，其單延米抗彎模量為2 200 cm3。最大應力：317.33×1 000/2 200=144.2 MPa<215 MPa(滿足要求)。

2)腰梁檢算。

腰梁均采用3Ⅰ50a倒放，抗彎模量為：3×1 860=5 580 cm3；截面面積為：3×119=357 cm2；各層腰梁的最大正應力如表3

所示。

表3 各層腰梁最大正應力表

3)角撐檢算。

角撐均為φ630×10 mm螺旋鋼管，由于第三層受力最大，這里只計算該層的受力情況。最大正應力為：

N/A+M/W=1 463×10-3/(3.14×0.62×0.01)+138.2×10-3/(3.14×0.623×0.01)×0.63/2=86.8 MPa<215 MPa (滿足要求)。

由于強度水平較低，角撐較短，不再進行受壓穩(wěn)定計算。

4)抗隆起驗算。

支護底部，驗算抗隆起：

Ks=1.719<1.800，但相差在5%以內(nèi)，可以認為安全。

5)抗管涌驗算。

計算參數(shù)：截水帷幕高19.5 m。

K=2.691≥1.6,滿足規(guī)范要求。

6)抗突涌驗算。

Ky=321.90/262.90=1.22≥1.10。

基坑底部土抗承壓水頭穩(wěn)定。

6 結(jié)語

經(jīng)檢算，長湖特大橋主墩采用單層鋼板樁圍堰支護體系的強度、剛度(變形)及抗隆起、管涌、突涌穩(wěn)定方面均符合要求，能夠保證基坑施工期間的安全，方案可行。

目前長湖特大橋31號主墩基礎(chǔ)鋼板樁圍堰已開挖完成，經(jīng)實踐證明，通過采用鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)在深水軟泥基礎(chǔ)中替代雙壁鋼圍堰的方案經(jīng)濟節(jié)約、工期可控，施工效果明顯。

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[2] 劉 明,任家富.南寧仙葫大橋橋墩鋼圍堰分析和優(yōu)化[J].交通標準化，2006(4)：70-71.

[3] JGJ 120—2012,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

Abstract: Combining with Changhu extra-large bridge engineering example, through integral modeling computation of drastic deep foundation software, the paper applies single-layer steel sheet pile for replacing original double-wall steel cofferdam scheme, which improves construction efficiency, effectively saves cost, and achieves great construction effect as well.

Key words: steel sheet pile, double-wall steel cofferdam, steel sheet pile cofferdam, bearing structure

Design optimization of deep-water bottom-pile cap cofferdam scheme of Meng-Hua railway

Su Fengtao

(ChinaRailway14thBureauGroupCo.,Ltd,Jinan250000,China)

2016-03-19

蘇鳳濤(1983- )，男，工程師

1009-6825(2016)15-0173-02

U443.25

A