深流塑性淤泥層橋梁深基坑開挖與加固處理技術(shù)

曾紅杰

摘要：結(jié)合金海特大橋深基坑開挖施工實(shí)例，針對(duì)該橋址處于沿海地區(qū)，流塑淤泥層流動(dòng)性較大，對(duì)于支護(hù)方式需要更深的分析和研究，為保證施工便道穩(wěn)定及承臺(tái)基坑施工安全，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境及工期要求提出利用拉森鋼板樁進(jìn)行整體支護(hù)的方法，確保基坑自身的安全、穩(wěn)定，同時(shí)能有效的保證基坑四周地層穩(wěn)定以及周圍環(huán)境不被破壞。達(dá)到有效遏制安全事故的發(fā)生、為工程順利實(shí)施創(chuàng)造良好的生產(chǎn)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益和諧統(tǒng)一的目的。

關(guān)鍵詞：沿海地區(qū);深流塑性;淤泥;深基坑內(nèi)支護(hù)加固;拉森鋼板樁

1 工程概況

1.1工程簡介

金海特大橋（0-21#墩）（DK023+522.440～DK024+814.810）范圍內(nèi)橋梁下部結(jié)構(gòu)承臺(tái)深基坑開挖防護(hù)工程，橋址地處海積平原地貌，海灘前緣，地面標(biāo)高多在海平面以下。橋址范圍分布較為流塑性淤泥，據(jù)勘探揭示流塑淤泥厚15～30m。

本橋涉及深基坑開挖的承臺(tái)共有15座，本文以9#墩為該段最深基坑開挖支護(hù)為例，結(jié)合該工程特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了拉森鋼板樁在沿海地區(qū)深基坑開挖、內(nèi)支撐支護(hù)的使用情況、使用步驟及注意事項(xiàng)，對(duì)其形成一個(gè)成熟的施工法提供參考。

1.2? 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

（1）工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)條件：該段位于原廢棄魚塘，原地面0-19m左右為流塑性淤泥19-20m左右為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，20m以下為弱風(fēng)化花崗巖。強(qiáng)至弱風(fēng)化巖體巖土工程施工分級(jí)一般為Ⅴ級(jí)，σ0=500～1000kPa。第四系地層主要為松散巖類孔隙水，地下水位埋深一般1～3.0m，水量豐富。

（2）水文地質(zhì)

地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。地下水埋深1.2～8.3m，全有海水補(bǔ)給，根據(jù)本線地表水及地下水的水質(zhì)檢驗(yàn)成果顯示，局部地段地表水、地下水具有硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕，化學(xué)環(huán)境作用等級(jí)為 H2，鹽類結(jié)晶破壞作用等級(jí)為Y2，氯鹽環(huán)境作用等級(jí)為L3。

2施工方案

拉森鋼板樁是一種特制型鋼板樁，用打樁機(jī)及振動(dòng)錘將鋼板樁壓入地下構(gòu)成一道連續(xù)的板墻，作為深基坑開挖的臨時(shí)擋土、擋水圍護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼板樁結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是鋼板樁具有一個(gè)致命的弱點(diǎn)是不能完全阻擋水和土中細(xì)小的顆粒，對(duì)于流塑性較大的淤泥無法阻擋，抗彎能力較弱，開挖撓曲變形較大，一般適用深度不超過4m，由于該基坑深度已超過4m，開挖時(shí)都是支護(hù)距離較密防止施工中鋼板樁“踢腳”嚴(yán)重。

根據(jù)本工程場地地質(zhì)情況和開挖深度的需要，本工程基坑防護(hù)主要是保證基坑邊的穩(wěn)固同時(shí)隔絕地下水流入基坑，起到支護(hù)邊坡的作用，同時(shí)又要安全經(jīng)濟(jì)、施工快速。所以本橋深基坑開挖采用拉森式IV型鋼板樁。

2.1鋼板樁施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→測量定位→插打鋼板樁→基坑開挖→鋼圍檁、內(nèi)支撐安裝→主體結(jié)構(gòu)施工→基坑回填→鋼板樁圍護(hù)拆除

2.2施工工藝

（1）插打前施工準(zhǔn)備

1）鋼板樁進(jìn)場后，拼裝前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查、丈量、分類、編號(hào)，并對(duì)鋼板樁端制作吊樁孔。

2）鋼板樁鎖口應(yīng)以一塊長1.5～2.0m標(biāo)準(zhǔn)鋼板樁進(jìn)行滑動(dòng)檢查，凡鎖口不合應(yīng)進(jìn)行修正合格后方能使用。鋼板樁長度不夠時(shí)采用同類型的鋼板樁等強(qiáng)度焊接接長，焊接時(shí)先對(duì)焊或?qū)⒑缚谘a(bǔ)焊合縫，再焊加固板，相鄰板樁接長焊縫要錯(cuò)開。

3）對(duì)鋼板樁逐根檢查，剔除連接鎖口銹蝕、變形嚴(yán)重的鋼板樁，不合格者待修整后才可使用。

4）施打前一定要熟悉地下管線、構(gòu)筑物的情況，如在鋼板樁位置內(nèi)有地線管線、構(gòu)筑物需要提前處理后方可開始鋼板樁的插打。

（2）測量放線

由測量人員定出鋼板樁圍護(hù)的軸線，可每隔一定距離設(shè)置導(dǎo)向樁，導(dǎo)向樁直接使用鋼板樁，然后掛繩線作為導(dǎo)線，打樁時(shí)利用導(dǎo)線控制鋼板樁的軸線。

（3）插打鋼板樁

1）打樁前，在鋼板樁的鎖口內(nèi)涂油脂，以方便打入拔出。

2）準(zhǔn)備樁帽及送樁：打樁機(jī)吊起鋼板樁，人工扶正就位。

3）單樁逐根連續(xù)施打，注意樁頂高程不宜相差太大，在插打過程中隨時(shí)測量監(jiān)控每塊樁的斜度不超過2%。

4）基坑的四個(gè)角要使用轉(zhuǎn)角鋼板樁，保證基坑的防水性。

（4）鋼支撐結(jié)構(gòu)形式

為了確保基坑開挖及鋼板樁安全可靠，鋼板樁圍堰支撐尤為重要。承臺(tái)基坑開挖后，及時(shí)分別布置四層圍檁，腰梁采用HM488×300型鋼，圍檁放置在采用[16槽鋼焊接的牛腿上，間距2m設(shè)置一個(gè)，圍檁上部采用1cm厚的鋼板做限位卡固定腰梁，并在四角采用HM390×300型鋼設(shè)置大、小斜角支撐，大斜撐間距≤3.5m，承臺(tái)根據(jù)長邊尺寸不同對(duì)稱布置斜支撐。

為保證圍檁安裝位置準(zhǔn)確和均勻，托架定位必須準(zhǔn)確，頂面平整，托架間頂面高差不超過2mm。托架采用型鋼制作，焊接在鋼板樁壁上。

圍檁型鋼需要接長，滿焊后采用δ15mm鋼板幫焊。順橋向和橫橋向圍檁接觸處采用雙層三角筋板防滑移。圍檁與鋼板樁之間的空隙采用鋼板楔塊楔牢。

斜撐與圍檁采用型鋼制作端塊，邊斜角為正交，端塊與圍檁間焊接雙層20mm鋼板防滑塊。斜撐與端塊之間采用焊接連接。

（5）深基坑鋼板樁設(shè)計(jì)計(jì)算書

本計(jì)算書以9#墩承臺(tái)為例（本橋基坑最大開挖深度），9#墩承臺(tái)原地面至承臺(tái)底開挖深度為6.842m，加上0.5m混凝土封底層，9#墩總開挖深度為7.342m。

1）設(shè)計(jì)資料

樁頂高程H1：2.355m，施工水位H2：1.500m。

地面標(biāo)高H0：2.055m，開挖底面標(biāo)高H3：-5.287m，開挖深度H：7.342m。

淤泥的容重加全平均值γ：16.6KN/m3，土浮容重γw 10.0KN/m3，內(nèi)摩擦角加全平均值Ф：10°，粘聚力為18Kpa。

基坑開挖長a=14.0m 基坑開挖寬b=14.0m

主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tg2（45-10/2）=0.704

被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp=tg2（45+10/2）=1.420

2）確定內(nèi)支撐層數(shù)及間距

彎曲截面系Wx=2270cm3，折減系數(shù)β=0.7

采用值W=βWx;容許抗拉強(qiáng)[σ]= 200MPa

按等彎距布置確定各層支撐的IV型鋼板樁

能承受的最大彎距確定板樁頂懸臂端的最大允許跨度h：

各支撐按等彎矩布置，則：

h1=1.11h=2.794m;h2=0.88h=2.24m;h3=0.77h=1.956m ;h4=0.70h=1.78m;h5=0.65h=1.65m

故，至少需4層支撐。

根據(jù)實(shí)際情況確定支撐位置如圖所示。

h1=1.2m;h2=1.737m;h3=1.85m;h4=1.65m;h5=1.205m。

3） 鋼板樁入土深度

根據(jù)盾恩法求樁的入土深度由公式γHKa（hi+t）=γ（Kp-Ka）t2

整理得：

解得t=8.27m，取安全系數(shù)K=1.1，t=9.1m，計(jì)算得鋼板樁總長L=16.739m

根據(jù)市面鋼板樁規(guī)格選用長度18m的鋼板樁。實(shí)際入土深T=10.34m

4）基坑底部的隆起驗(yàn)算

在基坑開挖時(shí)，由于坑內(nèi)土體挖出后，使地基的應(yīng)力場和變形發(fā)生變化，可導(dǎo)致地基失穩(wěn)。基坑抗隆起驗(yàn)算采用Caguot驗(yàn)算基坑穩(wěn)定公式計(jì)算，

由此可得入土深度t的計(jì)算公式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，其中開挖時(shí)地面荷載取q=1.3×20KN/m2，計(jì)算得t=6.06m，鋼板樁的實(shí)際入土深度t0=10.34m≥t，滿足要求。

4） 鋼板樁及圍檁受力計(jì)算

鋼板樁受力計(jì)算

通過對(duì)幾個(gè)工況的比較鋼板樁最大彎矩計(jì)算值為282.96KN·m，σmax=282.96/2270×10-6=124.65MPa<[σ]=200MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圍檁及內(nèi)支撐計(jì)算

采用MIDASCIVIL建模計(jì)算，第三道圍檁受力最不利，受力計(jì)算如下圖：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，圍檁最大組合應(yīng)力σmax=170.93MPa<[σ]=200MPa，圍檁最大剪應(yīng)力τs=73.29MPa<[τ]=80MPa，都滿足設(shè)計(jì)要求。

（6）基坑開挖及防排水措施

1）基坑開挖待鋼板樁打入就位后進(jìn)行，棄土應(yīng)做到隨挖隨運(yùn)，嚴(yán)禁堆棄于基坑周邊，增加基坑周邊側(cè)壓力。

2）基坑開挖采用人工配合機(jī)械開挖，開挖成型后，周圍外設(shè)置安全防護(hù)。同時(shí)在基坑周邊以及施工便道設(shè)置警示標(biāo)志。基坑排水采取在基坑四周設(shè)排水溝及集水坑，并由專人負(fù)責(zé)排除基坑積水，嚴(yán)禁積水浸泡基坑。為了不擾動(dòng)原土層，坑底預(yù)留30cm人工清底。承臺(tái)下按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行混凝土封底。開挖范圍從結(jié)構(gòu)物每側(cè)向外1.0m為控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足立模施工空間要求。

3）由于處于淤泥較深的地質(zhì)，每道圍檁開挖前都要保證上一道圍檁與鋼板樁密貼。安裝下一道圍檁前先將鋼板樁四周擠壓密實(shí)，保證鋼板樁與圍檁的密貼。

（7）拔樁

承臺(tái)墩柱施工完成后方可拔樁。拔樁采用振動(dòng)錘：利用振動(dòng)錘產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)，擾動(dòng)土質(zhì)，破壞鋼板樁周圍土的粘聚力以克服拔樁阻力，依靠附加起吊力的作用將樁拔除。

3常見質(zhì)量問題及防治措施

1）樁過程中有時(shí)遇上大的塊石或其它不明障礙物，導(dǎo)致鋼板樁打入深度不夠，采用長臂挖機(jī)開挖掏出石頭，再進(jìn)行插打。

2）鋼板樁雜填土地段擠進(jìn)過程中受到石塊等側(cè)向擠壓作用力大小不同容易發(fā)生偏斜，采取以下措施進(jìn)行糾偏：在發(fā)生偏斜位置將鋼板樁往上拔 l.0m～2.0m，再往下錘進(jìn)，如此上下往復(fù)振拔數(shù)次，可使大的塊石被振碎或使其發(fā)生位移，讓鋼板樁的位置得到糾正，減少鋼板樁的傾斜度。

3）鋼板樁沿軸線傾斜度較大時(shí)，采用異形樁來糾正，異形樁一般為上寬下窄和寬度大于或小于標(biāo)準(zhǔn)寬度的板樁，異形樁可根據(jù)實(shí)際傾斜度進(jìn)行焊接加工;傾斜度較小時(shí)也可以用卷揚(yáng)機(jī)或葫蘆和鋼絲繩將樁反向拉住再錘擊。

4）在基礎(chǔ)較軟處，有時(shí)發(fā)生施工當(dāng)時(shí)將鄰樁帶入現(xiàn)象，采用屏風(fēng)式插打。

5）當(dāng)鋼板樁與圍檁不能密貼時(shí)采用圓管焊接或者鋼板斜插焊接，保證鋼板樁不會(huì)發(fā)生較大位移。

4基坑支護(hù)監(jiān)測

（1）基坑支護(hù)檢測儀器

利用施工單位現(xiàn)有的水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀進(jìn)行鋼板樁外地表沉降和鋼板樁頂點(diǎn)水平位移測量。水準(zhǔn)儀用于測量地面和開挖過程控制標(biāo)高以及施工中的沉降，經(jīng)緯儀用于測量在鋼板樁頂不同位置的施工控制點(diǎn)的水平位移，主要是靠鄉(xiāng)道路水平位移和沉降觀測。用監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋來調(diào)整處理施工中的突發(fā)情況。

（2）監(jiān)測的布置和監(jiān)測頻率

在承臺(tái)基礎(chǔ)支護(hù)施工中，主要靠砲浮路側(cè)進(jìn)行水平位移及沉降觀測，設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)初始數(shù)據(jù)，柱承臺(tái)基礎(chǔ)監(jiān)測的頻率開挖前1次/d，開挖后2次/d。一直監(jiān)測至基礎(chǔ)回填完畢。

5 結(jié)束語

基坑支護(hù)工程是隨著對(duì)地下空間的不斷利用開發(fā)而發(fā)展起來的一項(xiàng)施工技術(shù)，它涉及眾多學(xué)科與工藝，具有很強(qiáng)的地區(qū)特點(diǎn)。沿海地區(qū)作為典型的軟土地區(qū)，基坑支護(hù)工程形成了自有的特點(diǎn)。隨著新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，基坑工程仍將繼續(xù)不斷發(fā)展、完善。采用拉森鋼板樁支護(hù)，對(duì)周圍環(huán)境影響較小。鋼板樁施工簡便，工序簡單，質(zhì)量容易控制，工期短，且現(xiàn)場整潔。

參考文獻(xiàn)：

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[3]《鐵路橋橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10091-2017）.

（作者單位：中鐵六局集團(tuán)廣州工程有限公司）