某引調(diào)水工程鋼板樁支護方案選擇及穩(wěn)定分析

曹 捷，馮石松，張 藝

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

鋼板樁支護是引調(diào)水管線工程中常用的一種基坑臨時支護措施，根據(jù)基坑深度、地層巖性等因素，鋼板樁可依靠內(nèi)外土壓力保持自身穩(wěn)定或增加內(nèi)支撐形成支護體系，適用于柔軟地基及地下水較高的深基坑支護，基坑回填后可將其拔出回收，反復利用。由于基坑支護通常是以施工場區(qū)工作面受限、無法大開挖施工為前提，設計人員易忽視基坑周圍復雜的環(huán)境和施工機械、設備等活動荷載的影響，使支護基坑的安全性降低，對工程的質(zhì)量及人員生命財產(chǎn)造成威脅。因此，對基坑進行合理、科學的支護，是保證工程質(zhì)量、安全的必要措施。

1 工程概況

某共槽段輸水線路管線長度3.57km，雙管道布置。管道設計采用PCCP管道，接頭采用雙膠圈接頭，PCCP接頭內(nèi)外縫采用密封膠填充。左側(cè)采用1根DN2200 PCCP管，管道單節(jié)長度6m，根據(jù)覆土厚度不同壁厚為15.5cm和20cm，單節(jié)管重分別為23t和32t，設計流量6.6m3/s，設計內(nèi)壓0.8MPa。右側(cè)采用1根DN3200 PCCP管，管道單節(jié)長度5m，壁厚30cm和37cm，單節(jié)管重48t、60t，設計流量13.8m3/s，設計內(nèi)壓0.6MPa。由于單節(jié)管道重量大，施工時采用320t履帶式起重機進行吊裝。

共槽段樁號QS0+600—QS1+100/QX(G)0+730—QX(G)1+100段管溝開挖深度約6.2m，左側(cè)DN2200管道中心線距離左側(cè)某快速路綠化帶約11m；右側(cè)DN3200管道中心線距離右側(cè)現(xiàn)狀居民房屋約13m。該段受左側(cè)快速路和右側(cè)居民房屋影響，現(xiàn)狀施工作業(yè)面整體較窄，無法滿足開挖放坡施工要求。設計采用熱軋拉森SPU-IV400×170型鋼板樁支護措施來加大基坑開口線與快速路、房屋的距離，并減少開挖回填對房屋的擾動破壞，同時在管線左側(cè)給管道吊裝設備預留足夠的作業(yè)平臺，保證施工順利實施。

2 鋼板樁支護方案擬定

工程場區(qū)地勢平坦，選擇施工作業(yè)面相對較窄的QX0+770斷面作為支護設計典型斷面，該斷面基坑深度6.23m，土層土力學參數(shù)見表1。

表1 設計斷面土層參數(shù)表

對于基坑支護而言，鋼板樁樁長越長，支護穩(wěn)定性好，但工程造價高且施工難度大；鋼板樁樁長越短，則支護穩(wěn)定性越差。本工程設計基坑深度為6.23m，適用于該支護深度鋼板樁長度為9m和12m兩種，最終經(jīng)穩(wěn)定性計算確定。根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》4.2.7條的構(gòu)造要求，對懸臂式支護結(jié)構(gòu)，嵌固深度≥0.8倍的開挖深度，對采用懸臂支護的方案，嵌固深度應≥0.8×6.23=4.99m，即懸臂鋼板樁總長≥4.99+6.23=11.22m。

根據(jù)上述鋼板樁樁長和構(gòu)造要求、結(jié)合履帶機吊裝作業(yè)條件和地層情況，對基坑兩側(cè)支護初擬以下6種方案進行穩(wěn)定性計算分析。由于埋管管徑較大，支撐式鋼板樁支撐點過深會影響管道安裝，為使支撐結(jié)構(gòu)不影響管道安裝，將支撐點位置設置于鋼板樁頂部以下1.5m處。支撐結(jié)構(gòu)：圍檁采用H400mm型鋼，橫向支撐采用壁φ400mm鋼管。

方案1：履帶機工作面?zhèn)?2m長懸臂式鋼板樁支護；

方案2：履帶機工作面?zhèn)?2m長加支撐式鋼板樁支護；

方案3：履帶機工作面?zhèn)?m長加支撐式鋼板樁支護；

方案4：房屋側(cè)12m長懸臂式鋼板樁支護；

方案5：房屋側(cè)12m長加支撐式鋼板樁支護；

方案6：房屋側(cè)9m長加支撐式鋼板樁支護。

3 荷載計算

工程施工安排在非汛期，勘探查明場區(qū)地下水水埋深約2.8m，高于建基面3.43m，設計采用管井降低基坑內(nèi)外地下水位：基坑內(nèi)地下水位降低至39.17m，保證基坑內(nèi)干地作業(yè)；基坑外地下水位降低至42.00m，減少作用于鋼板樁外側(cè)水壓力荷載。各方案荷載均按照降水措施實施后，基坑內(nèi)外側(cè)降低的地下水位計算。方案1—3鋼板樁均受起重機工作附加荷載影響，各方案土壓力計算原理基本一致，現(xiàn)以方案2為例，敘述各荷載計算過程。

3.1 起重機工作附加應力

起重機荷載按照JGJ120—2012局部附加荷載作用下土中附加豎向應力方法計算，為防止附加應力過大造成基坑失事，控制內(nèi)履帶與坑頂凈距≥1.0m。荷載計算簡圖如圖1所示。

圖1 起重機工作附加荷載計算簡圖

320t履帶式起重機自重較大，履帶凈距6.1m，單幅履帶寬度1.2m，履帶與地面接觸長度9.2m。為了使鋼板樁均勻受力，在兩側(cè)履帶下滿鋪寬2.4m鋼墊板，實際吊裝時起重機為偏心作業(yè)，考慮1.3的偏心系數(shù)后，每幅履帶對地基土產(chǎn)生附加應力為207kPa。附加荷載計算成果見表2。

表2 起重機附加荷載計算成果表

3.2 基坑內(nèi)、外側(cè)土壓力

擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力計算運用較為成熟的理論有朗肯土壓力和庫倫土壓力，其中朗肯理論假定概念明確，與庫倫土壓力理論相比具有能直接得出土壓力的分布，且積累了較多的工程經(jīng)驗。本工程基坑采用支護結(jié)構(gòu)，距離相鄰建筑物存在一定安全距離，基本不存在相鄰建筑物影響，由于施工降排水措施，地下水位已降至黏性土層以下，因此運用朗肯土壓力理論，采用水土合算的方法計算基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力和外側(cè)主動土壓力，計算公式如下[2]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Pak、Ppk—支護結(jié)構(gòu)外側(cè)主動土壓力、內(nèi)側(cè)被動土壓力，kPa；σak、σpk—支護結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)豎向應力值，kPa；Ka，i、Kp，i—第i層土的主動、被動土壓力系數(shù)；ci、φi—第i層土的黏聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角(°)。

將上述起重機附加荷載和土壓力荷載計算結(jié)果進行組合，得到各方案鋼板樁受力成果。方案2鋼板樁受力荷載簡圖如圖2所示。

圖2 方案二鋼板樁受力簡圖(單位：kPa)

4 基坑穩(wěn)定性計算

4.1 嵌固穩(wěn)定性計算

支護結(jié)構(gòu)的嵌固深度應滿足式(5)的要求[2]：

(5)

式中，Ke—嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，本工程支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25；Eak、Epk—支護結(jié)構(gòu)外側(cè)主動土壓力、內(nèi)側(cè)被動土壓力合力值，kN；Za1、Za2—支護結(jié)構(gòu)外側(cè)主動土壓力、內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用點至計算點的距離，m。

擬定的6種支護方案從支撐型式上分為懸臂式、支撐式，2種支撐方式均以被動土壓力形成的抵抗力矩和主動土壓力、起重機附加應力形成的轉(zhuǎn)動力矩比值來衡量嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)大小，差異在于懸臂式要求各水平荷載對樁底取矩，而支撐式要求各水平荷載對支撐點取矩。按照上述原則計算各方案嵌固穩(wěn)定成果見表3。

表3 各方案嵌固穩(wěn)定性計算成果表

對計算結(jié)果進行分析如下：①采用懸臂式支護的方案1和方案4，由于基坑深度較深，外側(cè)土壓力較大，無論是否考慮履帶式起重機工作附加應力，嵌固安全系數(shù)均達不到許用系數(shù)要求，因此不采用懸臂式方案；②方案3和方案6為9m長支護樁，支撐式，由于履帶式起重機工作附加應力較大，方案3嵌固安全系數(shù)1.10<1.25，不滿足規(guī)范要求，不考慮采用；方案6無工作附加荷載，安全系數(shù)1.29>1.25，滿足要求，但安全系數(shù)裕度不大，因此要求施工時應嚴格控制起吊作業(yè)側(cè)履帶機履帶邊緣距鋼板樁樁頂凈距1.0m以上，以防止附加應力過大，對鋼板樁嵌固穩(wěn)定性造成不利影響。③方案2和方案5為12m長支護樁，支撐式，由于樁長相對較深，基坑內(nèi)被動土壓力荷載產(chǎn)生抵抗傾覆力矩值較大，安全系數(shù)均>1.25；考慮方案5安全系數(shù)為2.17，偏大且不經(jīng)濟，不推薦采用。

綜上所述，技術(shù)經(jīng)濟合理的方案為方案2和方案6，兩方案分別匹配基坑起重機起吊側(cè)和居民房屋側(cè)，因此采用上述組合方案為支撐式鋼板樁支護結(jié)構(gòu)推薦方案：履帶機工作側(cè)采用12m長鋼板樁，房屋側(cè)采用9m長鋼板樁。

4.2 坑底隆起穩(wěn)定性計算

對推薦組合支護方案采用式(6)～(8)進行坑底隆起穩(wěn)定性計算[2]：

(6)

(7)

Nc=(Nq-1)/tanφ

(8)

式中，Kb—抗隆起安全系數(shù)，本工程支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，安全系數(shù)為1.8；γm1、γm2—分別為基坑外、基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的天然容重，kN/m3；Ld—擋土構(gòu)件的嵌固深度，m；h—基坑深度，m；q0—底面均布荷載，kPa；Nc、Nq—承載力系數(shù)。經(jīng)計算，推薦組合方案各計算系數(shù)均大于許用安全系數(shù)Kb，滿足坑底隆起要求，成果見表4。

表4 推薦組合方案坑底隆起穩(wěn)定計算成果表

5 結(jié)語

(1)管線工程鋼板樁支護是一項臨時施工措施，通常周邊會伴隨各種施工附加荷載。對大型設備附加荷載，根據(jù)作用位置、大小進行量化，在設計階段考慮其對穩(wěn)定的影響，并通過荷載和穩(wěn)定驗算結(jié)果，提出設備距離基坑開口最小安全距離，以保證基坑作業(yè)安全。

(2)本段基坑支護工程已完工，施工過程中運行良好。由于施工過程安排在非汛期，場區(qū)地下水位較低，且坑底土層下伏砂層不具有承壓性，滲流荷載對本工程支護穩(wěn)定影響較小。對高地下水位、承壓水頂托及深厚透水層等復雜滲流場對鋼板樁穩(wěn)定影響，有待進一步研究。