鋼板樁在深基坑支護中的模擬應用分析

劉功奎 中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指揮部

1 工程概況及水文地質

1.1 工程概況

跨京滬高鐵特大橋起止里程為DK137+387～DK163+025，全長23.6 km，共計686 個墩（臺）。其中518#墩為70+135+70 m 連續梁跨錫澄運河主墩，承臺完全侵入河道，承臺尺寸為：19.9 m×14.4 m，高度5.0 m，結構為四邊形承臺。錫澄運河設計最高通航水位標高為3.01 m，設計最低通航水位標高0.81 m，常水位標高1.6 m，枯水期標高1.4 m，實測最大浪高0.5 m。鉆孔平臺頂面標高為4.8 m，承臺基坑開挖13.4 m，承臺埋入河床深度6.1 m。

1.2 水文地質

本橋沿線地處長江三角洲平原區，河網湖塘密布，地表水極發育。其上部為黏性土層，下部含多層粉細砂層，淺層地下水屬孔隙潛水，潛水位埋深0.5 m～3 m 不等，下部砂層為良好的含水層，地下水具微承壓性，地下水較豐富，水位變化幅度不大。

2 鋼板樁圍堰施工

2.1 施工背景

承臺施工前先采用鉆孔平臺的方法進行了樁基礎的施工，平臺主要采用鋼管柱φ508 mm×8 mm 與主梁I45a、二次分配梁I25a等組成，保證在300 Mt可變荷載作業下強度、剛度、穩定性滿足要求。

2.2 鋼板樁圍堰布置

518#墩承臺深基坑采用18 m 拉森VI 鋼板樁，圍檁采用雙拼I40a 型鋼，設計安裝四道，每道圍檁設置1 根通長φ630 mm 橫撐，每層圍檁在順橋向四分之一及二分之一處設置直角斜撐，并且在圍檁與鋼板樁連接處、支撐與圍檁連接處設計加強板。開挖完成后及時進行混凝土封底作業，封底厚度1.0 m。

鋼板樁的頂標高為2.8 m，底標高為-15.2 m，開挖后錨固深度為4.48 m。為便于承臺施工時立模和墩身鋼筋預埋，圍堰尺寸設計為：22.9 m×17.5 m，分別在標高1.9 m 處、標高-1.1 m 處、標高-4.1 m 處、標高-7.1 m 處設置四道圍堰。支撐腰梁采用φ630 mm螺旋管，圍堰內中間設置1道對撐，每個拐角處設2 道斜撐，均采用φ630 mm，壁厚10 mm 的螺旋焊管。圍堰平面布置見圖1所示。

圖1 圍堰平面布置（單位：cm）

2.3 定位樁、導向框施工

鋼板樁在插打過程中受水流影響易發生位置偏移,施工期間需設置臨時定位樁和導向裝置。首先在平臺上面插打單向樁作為定位樁，定位樁采用φ508 mm 鋼管，壁厚8 mm，在距離定位樁頂部60 cm 安裝導向框，保證鋼板樁插打完成后在一條直線上。

2.4 鋼板樁插打與合攏

在插打過程中，由于鋼板樁鎖口和鎖口之間縫隙較大，而鋼板樁下端有土擠壓，上端是自由的，總會使鋼板樁產生向遠離第一根鋼板樁的方向傾斜，每打4～5根鋼板樁就要用靠尺測量垂直度，將鋼板樁的傾斜度控制在1%以內。

鋼板樁合攏需先確定合攏口位置，配置相應規格異型鋼板樁，現場實測異形鋼板樁的角度和尺寸，以確保整個圍堰的密封性。

2.5 圍囹、支撐安裝

（1）支撐采用雙拼I40a 型鋼，沿鋼板樁圍堰內部布設一周，支撐下部采用I20型鋼搭設牛腿支撐平臺。

（2）由于鋼板樁在插打過程中受多方面的影響，型鋼安裝后與鋼板樁之間有較大的間隙。為防止圍堰的變形，要求將型鋼與鋼板樁之間的間隙全部用型鋼焊接支撐連接。

（3）考慮到圍檁和支撐位置支撐面積不夠，以及圍檁與圍檁有夾角，在斜撐安裝之前，先把節點處支撐鋼板焊接到圍檁上，支撐鋼板和圍檁采用12 mm 厚加強鋼板焊接而成。支撐與支撐鋼板垂直連接，與支撐鋼板連接位置加肋板進行連接。

2.6 鋼板樁堵漏

由于鋼板樁圍堰內外水頭高度差為10.8 m,圍堰在流水和浪花作用下導致鋼板樁所受的內外壓力反復變化,致使鎖口縫隙變大,漏水嚴重。在施工過程中經過反復試驗研究,鎖口堵漏采用了以下幾種方法:①鋼板樁施打過程中用棉絮、黃油等填充物填塞接縫；②使用棉絮摻植筋膠對漏水處進行堵塞,從內側保證封堵效果；③在鋼板樁的接縫外側下溜細砂或鋸末拌合濕砂的方法，借助水壓力將細砂吸入接逢；④通過水下補焊鋼板減少裂縫的繼續擴大。通過實踐證明以上四種措施止水效果明顯。

2.7 封底混凝土澆筑

為控制超挖，在挖機大臂上做標記并派專人監控開挖深度。清基完成后盡量縮短圍堰暴露時間，以免對基底土體造成擾動，開挖完成后迅速進行封底施工,封底厚度為100 cm。

2.8 基坑明排降水和安全通道設置

根據實際情況，在承臺基坑底部四角開挖集水井，并用排水溝相連。在基坑兩側設置安全爬梯（圖2）。

圖2 明排降水和安全通道平面圖

3 鋼板樁支護體系分析

3.1 支護結構計算模型（圖3）

圖3 支護結構計算模型

3.2 圍堰工況分析

圍堰按照18 m 鋼板樁進行驗算,采用理正深基坑支護設計軟件。按照施工順序分為9個計算工況,具體見表1。

表1 9個計算工況的施工順序

圍堰采用干挖清基及抽水到基底,此時第二層圍檁及內支撐均已施工，封底前最大水頭高度為10.8 m,此工況鋼板樁受力最為不利。

鋼板樁最大彎矩為212.37 kN·m,單位米鋼板樁截面抗彎彈模為1.8 cm×10 cm,最大彎曲應力:

σmax=212.37×103/1.8×103=117.99 MPa＜215 MPa，滿足要求。

3.3 支撐體系檢算

開挖至基底，封底前鋼管內支撐受力最大，屬于最不利情況，此工況下φ630 mm×10 mm鋼管撐腰梁承受的支反力為219.51 kN/m，計算模型如圖4示。

圖4 支撐系統計算模型（單位：kN/m）

3.4 支撐強度驗算

在最不利情況下，支撐體系腰梁和內支撐在土壓力作用下的組合應力如圖5所示。

圖5 支撐體系組合應力圖（單位：MPa）

由圖5見，最大應力大小為84.0 MPa，小于215 MPa，滿足GB50017-2017要求。

3.5 抗隆起驗算(圖6)

圖6 抗隆起驗算

（1）從支護底部開始，逐層驗算抗隆起穩定性，結果如下：

支護底部，驗算抗隆起：

Ks=4.398≥1.800，抗隆起穩定性滿足。

（2) 坑底抗隆起按以最下層支點為轉動軸心的圓弧條分法計算，Ks=2.233≥2.200，坑底抗隆起穩定性滿足。

3.6 突涌穩定性驗算（圖7）

圖7 突涌穩定性驗算

K=Dγ/hwγw

K=2.000×19.829/30.000=1.321＞=Kh=1.10，基坑底部土抗承壓水頭穩定!

式中:γ：承壓水含水層頂面至坑底的土層天然重度(kN/m3);D：承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度(m);γw：水的重度(kN/m3);hw：承壓水含水層頂面的壓力水頭高度(m);Kh：突涌穩定安全系數，當前取值1.10，規范要求不應小于1.100;K：突涌穩定安全系數計算值。

4 結束語

本文分析了跨京滬高鐵特大橋518#墩鋼板樁圍堰在施工不同工況下模擬受力情況，經過工程結構設計驗算和專家論證，承臺施工施工選用18 m 鋼板樁圍堰結構形式，從理論上結構滿足要求。施工過程中經過實踐，也驗證了模擬分析的結果。