深流塑性淤泥層橋梁深基坑開挖與加固處理技術

曾紅杰

摘要：結合金海特大橋深基坑開挖施工實例，針對該橋址處于沿海地區，流塑淤泥層流動性較大，對于支護方式需要更深的分析和研究，為保證施工便道穩定及承臺基坑施工安全，根據現場環境及工期要求提出利用拉森鋼板樁進行整體支護的方法，確保基坑自身的安全、穩定，同時能有效的保證基坑四周地層穩定以及周圍環境不被破壞。達到有效遏制安全事故的發生、為工程順利實施創造良好的生產環境、實現安全生產與經濟效益和諧統一的目的。

關鍵詞：沿海地區;深流塑性;淤泥;深基坑內支護加固;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）范圍內橋梁下部結構承臺深基坑開挖防護工程，橋址地處海積平原地貌，海灘前緣，地面標高多在海平面以下。橋址范圍分布較為流塑性淤泥，據勘探揭示流塑淤泥厚15～30m。

本橋涉及深基坑開挖的承臺共有15座，本文以9#墩為該段最深基坑開挖支護為例，結合該工程特點，詳細介紹了拉森鋼板樁在沿海地區深基坑開挖、內支撐支護的使用情況、使用步驟及注意事項，對其形成一個成熟的施工法提供參考。

1.2? 工程地質與水文地質條件

（1）工程地質條件

工程地質條件：該段位于原廢棄魚塘，原地面0-19m左右為流塑性淤泥19-20m左右為強風化花崗巖，20m以下為弱風化花崗巖。強至弱風化巖體巖土工程施工分級一般為Ⅴ級，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

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，全有海水補給，根據本線地表水及地下水的水質檢驗成果顯示，局部地段地表水、地下水具有硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕，化學環境作用等級為 H2，鹽類結晶破壞作用等級為Y2，氯鹽環境作用等級為L3。

2施工方案

拉森鋼板樁是一種特制型鋼板樁，用打樁機及振動錘將鋼板樁壓入地下構成一道連續的板墻，作為深基坑開挖的臨時擋土、擋水圍護結構。鋼板樁結構具有質量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快等優點，但是鋼板樁具有一個致命的弱點是不能完全阻擋水和土中細小的顆粒，對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，開挖時都是支護距離較密防止施工中鋼板樁“踢腳”嚴重。

根據本工程場地地質情況和開挖深度的需要，本工程基坑防護主要是保證基坑邊的穩固同時隔絕地下水流入基坑，起到支護邊坡的作用，同時又要安全經濟、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

施工準備→測量定位→插打鋼板樁→基坑開挖→鋼圍檁、內支撐安裝→主體結構施工→基坑回填→鋼板樁圍護拆除

2.2施工工藝

（1）插打前施工準備

1）鋼板樁進場后，拼裝前應對其進行檢查、丈量、分類、編號，并對鋼板樁端制作吊樁孔。

2）鋼板樁鎖口應以一塊長1.5～2.0m標準鋼板樁進行滑動檢查，凡鎖口不合應進行修正合格后方能使用。鋼板樁長度不夠時采用同類型的鋼板樁等強度焊接接長，焊接時先對焊或將焊口補焊合縫，再焊加固板，相鄰板樁接長焊縫要錯開。

3）對鋼板樁逐根檢查，剔除連接鎖口銹蝕、變形嚴重的鋼板樁，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、構筑物的情況，如在鋼板樁位置內有地線管線、構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的軸線，可每隔一定距離設置導向樁，導向樁直接使用鋼板樁，然后掛繩線作為導線，打樁時利用導線控制鋼板樁的軸線。

（3）插打鋼板樁

1）打樁前，在鋼板樁的鎖口內涂油脂，以方便打入拔出。

2）準備樁帽及送樁：打樁機吊起鋼板樁，人工扶正就位。

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

4）基坑的四個角要使用轉角鋼板樁，保證基坑的防水性。

（4）鋼支撐結構形式

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。承臺基坑開挖后，及時分別布置四層圍檁，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設置一個，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型鋼設置大、小斜角支撐，大斜撐間距≤3.5m，承臺根據長邊尺寸不同對稱布置斜支撐。

為保證圍檁安裝位置準確和均勻，托架定位必須準確，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）深基坑鋼板樁設計計算書

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

1）設計資料

樁頂高程H1：2.355m，施工水位H2：1.500m。

地面標高H0：2.055m，開挖底面標高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

主動土壓力系數Ka=tg2（45-10/2）=0.704

被動土壓力系數Kp=tg2（45+10/2）=1.420

2）確定內支撐層數及間距

彎曲截面系Wx=2270cm3，折減系數β=0.7

采用值W=βWx;容許抗拉強[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。

根據實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K=1.1，t=9.1m，計算得鋼板樁總長L=16.739m

根據市面鋼板樁規格選用長度18m的鋼板樁。實際入土深T=10.34m

4）基坑底部的隆起驗算

在基坑開挖時，由于坑內土體挖出后，使地基的應力場和變形發生變化，可導致地基失穩。基坑抗隆起驗算采用Caguot驗算基坑穩定公式計算，

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

4） 鋼板樁及圍檁受力計算

鋼板樁受力計算

通過對幾個工況的比較鋼板樁最大彎矩計算值為282.96KN·m，σmax=282.96/2270×10-6=124.65MPa<[σ]=200MPa，滿足設計要求。

圍檁及內支撐計算

采用MIDASCIVIL建模計算，第三道圍檁受力最不利，受力計算如下圖：

由上述計算結果可知，圍檁最大組合應力σmax=170.93MPa<[σ]=200MPa，圍檁最大剪應力τs=73.29MPa<[τ]=80MPa，都滿足設計要求。

（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行，棄土應做到隨挖隨運，嚴禁堆棄于基坑周邊，增加基坑周邊側壓力。

2）基坑開挖采用人工配合機械開挖，開挖成型后，周圍外設置安全防護。同時在基坑周邊以及施工便道設置警示標志。基坑排水采取在基坑四周設排水溝及集水坑，并由專人負責排除基坑積水，嚴禁積水浸泡基坑。為了不擾動原土層，坑底預留30cm人工清底。承臺下按設計要求進行混凝土封底。開挖范圍從結構物每側向外1.0m為控制標準，滿足立模施工空間要求。

3）由于處于淤泥較深的地質，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，保證鋼板樁與圍檁的密貼。

（7）拔樁

承臺墩柱施工完成后方可拔樁。拔樁采用振動錘：利用振動錘產生的強迫振動，擾動土質，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常見質量問題及防治措施

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

2）鋼板樁雜填土地段擠進過程中受到石塊等側向擠壓作用力大小不同容易發生偏斜，采取以下措施進行糾偏：在發生偏斜位置將鋼板樁往上拔 l.0m～2.0m，再往下錘進，如此上下往復振拔數次，可使大的塊石被振碎或使其發生位移，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，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準寬度的板樁，異形樁可根據實際傾斜度進行焊接加工;傾斜度較小時也可以用卷揚機或葫蘆和鋼絲繩將樁反向拉住再錘擊。

4）在基礎較軟處，有時發生施工當時將鄰樁帶入現象，采用屏風式插打。

5）當鋼板樁與圍檁不能密貼時采用圓管焊接或者鋼板斜插焊接，保證鋼板樁不會發生較大位移。

4基坑支護監測

（1）基坑支護檢測儀器

利用施工單位現有的水準儀和經緯儀進行鋼板樁外地表沉降和鋼板樁頂點水平位移測量。水準儀用于測量地面和開挖過程控制標高以及施工中的沉降，經緯儀用于測量在鋼板樁頂不同位置的施工控制點的水平位移，主要是靠鄉道路水平位移和沉降觀測。用監測數據反饋來調整處理施工中的突發情況。

（2）監測的布置和監測頻率

在承臺基礎支護施工中，主要靠砲浮路側進行水平位移及沉降觀測，設置一個基準初始數據，柱承臺基礎監測的頻率開挖前1次/d，開挖后2次/d。一直監測至基礎回填完畢。

5 結束語

基坑支護工程是隨著對地下空間的不斷利用開發而發展起來的一項施工技術，它涉及眾多學科與工藝，具有很強的地區特點。沿海地區作為典型的軟土地區，基坑支護工程形成了自有的特點。隨著新技術、新工藝的出現，基坑工程仍將繼續不斷發展、完善。采用拉森鋼板樁支護，對周圍環境影響較小。鋼板樁施工簡便，工序簡單，質量容易控制，工期短，且現場整潔。

參考文獻：

[1]橫琴至珠海機場段施工圖-珠機城際橫機施圖（橋）-3.

[2]《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）.

[3]《鐵路橋橋梁鋼結構設計規范》（TB10091-2017）.

（作者單位：中鐵六局集團廣州工程有限公司）