基于不同引孔參數及換填土特性的鋼板樁圍堰性能分析

海大鵬 ，王小強，田為 ，暨仕瑀，呂政

（中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000；重慶交通大學，重慶 400000）

0 前言

在大型基坑的施工中，鋼板樁圍堰因其適用性較好，施工較為方便并且效果好等特點。在水中深基坑和承臺的施工中被廣泛運用。然而普通的鋼板樁施工方法對于使用條件的要求具有一定的局限性。一般適用于砂類土、半干性粘土、較軟的全風化巖層，對于較硬的強、中風化巖層及大粒徑卵石層地層，如果直接進行鋼板樁的插打，可能會造成因地質較硬造成在插打過程中鋼板樁產生過大的變形或者局部的損壞進而使鋼板樁的防水性能和受力性能受到一定的影響[2]。為改變此種現象，費志高等[1]提出了在硬質地基中通過打引孔的方式成槽再打入鋼板樁的方法。在這種方法中需要確定引孔的直徑及深度，還要對打的引孔進行回填，以保證鋼板樁的插打順利和防止過多的水滲入圍堰內，工程上一般采用黏土進行回填。因此確定，確定引孔的尺寸參數和回填黏土的力學特性就十分的重要。

1 工程概況

致江路岷江大橋位于新建致江路之上，上跨岷江，起點連接嘉定北路方向，終點接S305方向。橋梁起點里程K0+297.480，終點里程 K0+978.060，橋梁全長680.58m。主橋左右分修，單幅橋梁下部結構包含一個中主墩（11號墩），兩個邊主墩（10號、12號墩），均位于水中。10號墩承臺厚4.5m，橫向寬19.4m，縱向寬度12.6m，基礎為11×φ 2.2m三排鉆孔灌注樁。

主橋橋墩位于岷江河內，橋墩所處位置地基土上部局部分布為第四系全新統沖洪積細砂等，向下為第四系全新統沖洪積卵石層，下伏白堊系下統夾關組砂巖，無斷層和裂隙密集帶通過，無下臥軟弱夾層。經地質勘察資料表明：10#墩承臺處河床標高為353.3m，下臥卵石層厚約2.5-3.0m，基巖標高為350.8m。鋼板樁需插打入巖層，巖層為中風化和微風化砂巖，強度高。基巖裂隙水，下伏基巖風化帶裂隙中存在少量基巖裂隙水，其透水性、富水性差。

主橋10#墩鋼板樁圍堰平面尺寸為45.9×17.1m，基坑開挖深度8.634m，鋼板樁長12m。

2 鋼板樁圍堰引孔施工介紹

2.1 填土筑島施工

筑島填料為碎石土。水下部分施工采用傾填法，一次性填出水面，采用振動壓路機在進行振動碾壓，以消除一部分的沉降量，然后分層填筑至設計標高。

2.2 卵石換填

當第一次筑島超過現狀水面標高1m后（▽354m），進行卵石換填施工，用挖機對圍堰根部5m寬度范圍內挖取卵石。開挖前先根據圍堰圖紙放出開挖邊線，邊線確定后，將范圍內采用挖掘機配合自卸汽車從高至低逐步往下開挖，開挖后的邊坡，做到順直、無滑坡。開挖時從上游便道處開始向下游挖除施工，一次性開挖至基巖標高，邊挖邊向下游填筑平臺。挖出的卵石隨自卸車運出承臺范圍外。挖除卵石后用碎石土進行換填。換填完成后再進行第二次筑島施工將平臺填筑至標高▽358m。

2.3 旋挖鉆引孔

平臺填筑完成后采用旋挖鉆成槽，樁與樁之間相互咬合排列，樁徑250㎝，相互咬合長度125㎝。施工順序：先施工A序樁，再施工B序樁，需切割A序樁部分而形成咬合結構。由于施工筑島平臺土質較軟，且浸水，易踏孔，為保證施工工期及質量，旋挖成孔時，先下長7.5m，直徑3.1m的大護筒進行土體支護，小護筒直徑2.7m隨旋挖取土深度持續跟進到巖層頂部。樁的施工要嚴格按照單樁施工工藝流程作業，確保垂直精度滿足鋼板樁施工要求。

2.4 黏土回填

連續成孔5-10根后，采用外運的優質黏土逐段進行成型孔進行回填，黏土各項性能指標符合土力學規范要求，分1-2m一層進行回填，并采用長臂挖機進行輔助夯實，回填時，確保不觸碰孔頂周邊松散土體，嚴禁混入不合格土體。

2.5 插打鋼板樁

鋼板樁施工必須遵守常規的“插樁正直，分散即糾，調整合龍”的控制原則，從上游開始由兩側向下游處合龍。鋼板樁圍堰的插打采用90t振動錘進行插打施工。正式插打施工時，先對插打位置進行放樣定位，鋼板樁插打施工時，根據放樣位置逐一進行插打施工，確保插打位置準確，深度滿足要求。當鋼板樁插打施工僅剩最后幾根合攏時，需先插后打，并對鋼板樁位置進行調整及矯正，確保圍堰順利合攏。

圖1 旋挖引孔施工順序圖

圖2 引孔成槽平面示意圖

2.6 圍堰內開挖、支護

基坑豎向分層開挖，并遵循先支撐、后開挖的原則，圈梁及內支撐安裝與基坑施工緊密結合。

圍堰內采用挖掘機進行圍堰內土方清理，挖掘機配破碎頭進行石方破除，棧橋側設置長臂挖機、汽車吊配合施工，清除的棄渣運至棄渣場集中堆放。

應按支護結構設計的施工支護順序和開挖深度分層開挖，即每挖到一個內支撐標高，必須待該層圈梁及內支撐安裝就位，檢查無誤后，方可向下開挖。整個鋼板樁施工過程可分為5個施工工況。具體為：

①基坑開挖至+355.42標高，安裝第一道內支撐；

②基坑開挖至+352.42標高，安裝第二道內支撐；

③基坑開挖至+349.92標高，安裝第三道內支撐；

④基坑開挖至+348.366標高；

⑤澆筑封底混凝土，拆除第三道內支撐，澆筑承臺。

其示意圖如圖3。

圖3 各工況示意圖

3 計算分析

3.1 有限元模型介紹

3.2 計算分析結果

為探討在引孔大小對圍堰結構受力和穩定性的影響。建立模型1～3：

①引孔直徑2m，深度12m；

②引孔直徑2.5m，深度12m；

③引孔直徑3m，深度12m。

選用較小的引孔直徑可以減少鋼板樁的位移，其減少量約為10%左右且隨直徑的增加而遞減，因此在施工中，若需要控制鋼板樁圍堰位移可采用減小引孔直徑的辦法，但同時也要注意引孔過小可能會影響施工質量。在圍堰內基坑開挖深度較淺時，引孔的大小對于鋼板樁應力幾乎沒有改變。在圍堰內基坑開挖深度較深時，較小的引孔直徑可以明顯地改善鋼板樁的最大應力。在圍堰內基坑開挖深度較淺時，引孔的大小對于內支撐應力幾乎沒有改變。在圍堰內基坑開挖深度較深時，較小的引孔直徑可以在一定程度上改善內支撐的最大應力。

為探討在引孔深度對圍堰結構受力和穩定性的影響。建立模型4～8：

④引孔直徑2.5m，深度12m；

⑤引孔直徑2.5m，深度12.5m；

⑥引孔直徑2.5m，深度13m；

⑦引孔直徑2.5m，深度13.5m；

⑧引孔直徑2.5m，深度14m。

選用較深的引孔深度可以減少鋼板樁的位移，其減少量較小，變化不明顯，因此在施工中，控制鋼板樁圍堰位移如果采用減小引孔深度的辦法，是不經濟的。對于引孔深度在12.5～14m來說，總體來說引孔深度越深應力越小，但變化幾乎可以忽略。而對于引孔深度為12m的來說，很大程度上是因為，鋼板樁深度與引孔深度相同，故導致鋼板樁底部受到基巖更強的約束，其他模型由于引孔深度大于鋼板樁深度，所以鋼板樁底部沒有與基巖直徑接觸，約束較弱，釋放了一部分位移，故應力較小。在圍堰內基坑開挖深度較淺時，引孔的深度對于內支撐應力幾乎沒有改變。在圍堰內基坑開挖深度較深時，較深的引孔可以有效地改善內支撐在工況4的最大應力。

為探討在回填黏土的力學特性（主要為粘聚力c、摩擦角φ）對圍堰結構受力和穩定性的影響。建立模型9～13：

⑨c=25kPa，φ=15°；

⑩c=25kPa，φ=20°；

?c=25kPa，φ=25°；

?c=20kPa，φ=20°；

?c=30kPa，φ=20°。

采用不同摩擦角的回填黏土，對于鋼板樁最大位移、應力、內支撐最大應力幾乎沒有影響。

采用較大粘聚力的回填黏土能夠有效地減少鋼板樁的位移，其減少量約為14%且隨粘聚力的增加而遞減，因此在施工中，若需要控制鋼板樁圍堰位移可選用粘聚力較大的回填黏土。采用較大粘聚力的回填黏土能夠有效地減少鋼板樁的最大應力，其減少量隨粘聚力的增加而遞減。采用較大粘聚力的回填黏土能一定程度上減少內支撐的最大應力，提高穩定性，但減小幅度約為6%，減小的程度不明顯。

4 結論

本文以致江路岷江大橋10#墩基礎施工為例，探究了深水卵石層地基中鋼板樁引孔施工中引孔參數與回填土特性對鋼板樁及內支撐受力的影響，得出以下結論。

①鋼板樁在各工況的最大位移隨引孔直徑的減小而減小，減小的幅度遞減；鋼板樁各工況最大應力與內支撐的最大應力隨引孔直徑的減小而減小，減小的幅度基本不變。

②由于鋼板樁的深度固定，所以引孔的深度可以明顯地改變鋼板樁底部的約束條件。經計算，較深的引孔深度可以減小鋼板樁最大位移和最大應力，但位移的減小量很少，鋼板樁應力當引孔深度從12m～12.5m時減小量較大。內支撐最大應力也隨引孔深度增加而減小，但減少幅度也很有限。

③對于不同特性的回填土，經計算可知，改變回填土的摩擦角φ對于鋼板樁位移、應力、內支撐應力均影響較小，可以忽略不計。而改變回填土的粘聚力c時，鋼板樁最大位移和最大應力會隨c的增大而明顯減小，內支撐的應力也會有一定的減小，但減小的程度不明顯。