復雜地形鋼管與拉森樁組合式基坑圍堰施工技術

張愛軍

(中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

滬通鐵路是國家鐵路“十二五”規劃建設的重點項目之一,是國家沿海通道的重要組成部分,滬通鐵路建成后,沿海鐵路大通道將全面貫通。本文取滬通長江大橋陸域南引橋單建鐵路S42號墩為例,部分承臺位于三干河中,部分毗鄰G204國道車道位置,與之斜向交叉,在承臺基坑開挖時應該最大限度地確保G204國道行車安全,道路結構安全和深基坑施工安全。承臺、三干河和G204國道相對地理位置見圖1。

圖1 基坑、三干河和G204國道地理位置

1 工程概況

1.1 工程現場情況

滬通長江大橋陸域南引橋單建鐵路S42號墩,承臺結構尺寸為21.8 m×17.9 m×5.0 m,部分承臺位于三干河中,部分位于G204國道車道位置,三干河施工時水位標高+1.5 m,國道標高為+4.238 m,承臺標底標高為-5.842 m,基坑平面24 m×20 m,基底標高-7.3 m,基坑開挖深度11.5 m。

S42承臺位置環境復雜,三干河長江南側主河槽段長江下切,河床達下部砂層中,水位動態隨季節及潮汐變化,水量豐富,G204國道車輛量大而密集,采取加寬、限速等措施[1-2]。同時考慮深基坑水系變化和既有國道結構安全,深基坑支護形式選擇至關重要。

1.2 水文地質情況

滬通長江大橋南引橋單建鐵路段位于張家港市,屬于亞熱帶大陸季風性氣候地區,具有四季分明,無霜區長,雨水充沛,氣候溫和,是典型的海洋性氣候。

根據地質勘察報告,承臺施工基坑開挖主要涉及①1層填筑土,②1層淤泥質黏土,③1層淤泥質粉質黏土,基底主要位于粉砂層上。黏土層天然含水量大,滲透性弱,抗剪強度低,土層開挖后穩定性差。墩位地質情況見表1。

表1 墩位地質情況表

2 深基坑支護形式的選擇

深基坑就是豎向延伸空間,能為橋梁下部施工提供安全可靠、干燥的施工環境,深基坑支護一般有鋼板樁支護、鋼管樁支護、套箱、沉井及井點降水等形式,結合現場S42墩位河道、既有道路的平面和空間相互影響,為了進一步發揮基坑支護材料的潛在能力,使支護形式更加合理,綜合利用“空間效應”,確保安全、快捷、經濟和實體質量,采用鋼管樁局部加強支撐G204國道+拉森鋼板樁圍護止水+局部降水確保G204國道基層沙不流失的組合基坑支護形式。

3 深基坑鋼管與拉森鋼板樁組合支護樁設計

S42墩基坑平面尺寸為24 m×20 m,頂面標高設計為4.22 m,加強鋼管樁型號采用φ820×10 mm,單根長度21 m,間距1.5 m,數量13根；基坑止水支護[1-6]采用SKSP-Ⅳ型拉森鋼板樁21 m,每米鋼板樁截面特性：W=2 270 cm3,數量220根；為保證施工過程G204國道基層掏空,采用井點降水水密沙法灌注密實與支護樁體形成整體,避免路基沉降變形。根據承臺結構和外界受力特性,承臺分為2次澆筑成型,第一次澆筑2 m,第二次澆筑3 m,為此基坑支護內部共設3道型鋼內支撐,第一道標高為3.14 m,圍囹采用2HW300×300型鋼,加設四角2道鋼管斜撐,第二道標高為-0.17 m,圍囹采用2HW588×300型鋼,加設四角2道鋼管斜撐和1道鋼管對撐,第三道標高為-3.17 m,圍囹采用2HW700×300型鋼,加設四角3道鋼管斜撐和1道鋼管對撐；斜撐和對撐均為φ630×10 mm型號鋼管,圍囹四角處加設20 mm三角鋼板固結形成超靜定結構,圍囹與鋼板樁采用三角托架調平支撐[3],基坑封底混凝土厚1.5 m,基坑支護的立面和平面構造布置見圖2、圖3。

圖2 基坑支護樁立面圖

圖3 基坑支護第三道圍囹平面圖

3.1 基坑支護施工工況

1)場地平整標高降至4.22 m,插打鋼板樁；

2)基坑開挖2.2 m,在+3.14 m處安裝第一道內支撐；

3)基坑開挖3 m,在-0.17 m處安裝第二道內支撐；

4)基坑開挖3 m,在-3.174 m處安裝第三道內支撐；

5)基坑開挖4.4 m；

6)施工澆筑1.5 m封底混凝土；

7)承臺施工澆筑第一次2 m混凝土,待承臺達到強度后,在頂部設置臨時支撐及基坑回填夯實,拆除第三道支撐,承臺施工澆筑第二次3 m混凝土；

8)臨時支撐轉移至承臺頂,拆除第二道支撐,開始墩身施工。

3.2 基坑支護樁模型計算

3.2.1 拉森鋼板樁強度計算

根據現場實際工況受力分析,對最不利的工況五、六、七采用邁達斯Civil模擬進行驗算。

1)樁長選擇：基坑開挖至-7.35 m,清理基底,γ、φ、c按21 m范圍內的加權平均值計算(表2)。

表2 土壓力參數表

根據等值梁法,計算圍堰壓力強度等于零點離基底面的距離y,建立方程式：

p0=153 kN

t=1.1×(x+y)=1.1×(5.4+2.0)=8.1 m

板樁總長L=t+h=8.1+11.5=19.6 m,選取長21 m板樁滿足要求。

2)鋼板樁強度

按簡支梁計算反力、彎矩,單位為kN、kN·m,邁達斯Civil模型見圖4～6,強度驗算見表3。

圖4 工況五彎矩圖

圖5 工況六彎矩圖

圖6 工況七彎矩圖

工況M/kN·mW/cm3σ/MPaσmax/MPa結論五255.82 70094.7215滿足六131.42 70048.6215滿足七97.32 70036.1215滿足

3.2.2 圍囹內支撐體系計算

根據工況中最不利條件下,選取受力最大內支撐體系進行計算,見表4。

表4 工況鋼板樁內支撐計算表

以工況五驗算第三道內支撐強度和剛度為例,受力應力和變形圖見圖7、圖8。

圖7 第三道內支撐應力圖

圖8 第三道內支撐變形圖

斜撐和對撐φ630×10 mm鋼管最大應力98.8 MPa,滿足要求。圍囹型鋼最大應力153.7 MPa,滿足要求。最大位移6.0 mm,滿足要求。

3.2.3 鋼板樁穩定性驗算(封底前)

管涌主要是水頭差的作用引起,根據現場情況，計算時考慮有水一側,基坑水頭差為h1=4.7 m。 基坑管涌計算簡圖見圖9。

圖9 基坑管涌計算簡圖

不發生管涌的條件為：

式中：K為抗管涌安全系數，一般取K=1.5～2.0；

γ′為土的浮重度,γ′=γ-γw；

γ為土的重度；

γw為地下水的重度；

h′為地下水位至坑底的距離(即地下水形成的水頭差)；

t為鋼板樁的入土深度。

計算結果如下：

安全系數大于1.5,滿足穩定性要求,基礎開挖到設計標高后根據設計要求做封底混凝土澆筑。

3.2.4 國道側不平衡荷載防護

由于基坑處于國道和河流之間,施工期間存在偏壓,在國道側設置鋼管防護樁抵銷部分不平衡荷載。

防護樁驗算：防護樁間距為1.5 m,采用1200 m×13 mm的管樁,長度21 m,計算與鋼板樁計算相同。則單根防護樁線基底處承受的土壓力荷載為：

考慮防護樁在基底處固結,則防護樁最大應力見圖10。由圖10可知，防護樁最大應力為150 MPa,滿足要求。

圖10 鋼管樁應力圖

鋼管樁穩定性驗算：

鋼管樁屬于薄臂環形截面,采用A3碳素鋼,其相關驗算如下：

抗彎剛度EI=2.01×105×66.15×108=132.96×1013N·mm2

4 組合支護樁施工控制要點

4.1 組合支護樁施工工藝流程

組合支護樁施工工藝流程見圖11。

圖11 鋼板樁工藝流程

4.2 加強鋼管樁施工

鋼管進場后,全面檢查其直徑、壁厚及磨損程度是否與設計一致,合格后按照測量放樣位置進行施打。為保證樁體受力均勻和預防樁頂變形損壞,加設特制樁帽承受振動錘應力荷載,采用2臺全站儀垂直控制樁體垂直度,樁體外露800 mm左右停止下沉,進行接樁。接樁先修正接口,再垂直2點焊接400 mm×200 mm×10 mm樁體同體瓦板,確保瓦板與樁體密貼,滿足要求進行臨時定位焊接, 加設2瓦板全面焊接成整體,樁體間坡口環焊,繼續進行沉樁。

為保證既有G204國道基底穩定和避免基坑涌水,在施打完成加避強鋼管樁后設置2點Φ400 mm,壁厚為50 mm混凝土管井點管,進行井點降水加強并填砂密實,確保既有路堤砂層穩定無沉降。

4.3 拉森Ⅳ鋼板樁施工

超長21 m拉森Ⅳ鋼板樁與日本長期合作定制,根據張家港地質條件和以往施工經驗,鋼板樁采用25 t吊車配合50 t履帶吊機吊掛DZ90振動打樁錘插打。

1)鋼板樁插打順序由加強鋼管樁角樁向兩側輻射順序插打,最后在河堤一角進行合龍。

2)鋼板樁插打前設置測量觀測點并安裝鋼板樁插打導向橫梁,控制鋼板樁插打位置、垂直度及標高。

3)鋼板樁插打前在鎖口處,采用止水材料捻縫,防止在使用的過程中漏水并減小鋼板樁鎖口間摩擦力。鋼板樁可多次插打到位,應盡量按組插打鋼板樁。

4)插樁過程中,應做到“插樁正直、分散偏差、有偏即糾、調整合龍”的要點。

5)因鋼板樁最后合龍時,尺寸偏差大難以調整合龍,故可制做異形鋼板樁來合龍；鋼板樁尺寸合適,插下后兩邊鎖口阻力太大,插不到底,需采用倒鏈滑車輔助下拉。

6)鋼板樁圍堰開挖后漏水時在圍堰內部采用棉絮擠壓塞縫進行封堵；鋼板樁止口咬合不好涌水,通過堵漏導管在外側將堵漏調和物下放到需要堵漏上方,將粗砂、鋸沫粉、水泥等吸進漏水的鋼板樁鎖口縫隙中將其填充密實達到止水效果。

4.4 基坑開挖和內支撐安拆

為平衡承臺基坑不平衡土壓力,鋼板樁三干河側進行加寬3 m土圍堰填筑。基坑開挖采用小挖機與長臂挖機配合開挖,坑頂機械設備站位與坑緣凈距保證在1.0 m以上,挖出的土方除填筑圍堰平衡三干河與國道土壓力外,均外棄。

鋼板樁基坑支護內支撐設置三道圍囹,圍囹、對撐和斜撐根據開挖工況由上向下分次安裝一次成型。內支撐安裝逐道進行驗收、報檢合格后,進行下步基坑開挖。第三道安裝完成,開挖至封底底標高-7.3m,人工進行清底和鋼板樁凹槽,澆筑1.3 m封底混凝土。強度達到25%時澆筑承臺調平墊層混凝土,周邊與鋼板樁預留500 mm排水溝槽。

破除樁頭,承臺第一次2 m混凝土澆筑,待混凝土強度滿足后,在2 m位置增設鋼管臨時支撐并回填土夯實,進行體系轉換拆除第三道圍囹內支撐,再施工承臺第二次3 m混凝土澆筑,移動臨時支撐至承臺頂部,進行體系轉換拆除第二道圍囹內支撐,進行墩身施工,最后拆除第一道圍囹內支撐和鋼板樁。

4.5 基坑組合支護體系應力及變形監控量測

根據組合支護體系計算,安裝圍囹內支撐體系過程安全風險最高,開挖和安裝內支撐交替過程,全站儀進行基坑支護變形觀測。完成后采用測量和力學儀器對基坑支護平面、空間變形及內支撐應力等進行監控量測。同時為保證既有G204國道和土圍堰安全,需要進行道路沉降變形觀測、基坑周邊裂紋和沉降觀測。定期進行循環數據采集,形成分析數據表,以觀測變形速率和趨勢,確保基坑支護體系整體安全穩定。

5 結 語

鋼管與拉森鋼板樁組合深基坑支護施工技術[6]在滬通長江大橋陸域南引橋單建鐵路S42號墩上成功應用,充分利用大直徑鋼管抗彎、井點降水砂層自密、拉森鋼板樁止水、內支撐彎拉和軸壓力材料特性,形成組合式深基坑支護體系[7-8],大大提升體系的安全性能,且具有施工簡便快捷、材料周轉性高、場地需要小及機械配備簡單等優點,該技術在毗鄰重要結構物、偏壓構造、深基坑及場地狹小的復雜環境下,優勢突顯,經濟和社會效益顯著。