西安地鐵10號線某鋼管樁圍堰施工與設計優化分析*

牛建輝,鄭 江,王 鍇,李存良,田鵬剛,張麗莎,王先鐵

(1.陜西建工控股集團未來城市創新科技有限公司,陜西 西安 712000; 2.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710055)

0 引言

鋼管樁根據防水要求可分為鎖口與不鎖口2種形式。鎖口鋼管樁是在任意2根鋼管間采取的聯結措施,既起聯結和止水作用。鋼管樁圍堰施工技術主要應用于一般橋梁或橋梁基礎圍護結構施工中,作軟臥地層及深水施工圍護。圍堰鋼管樁的施工優化與力學特性研究作為學術熱點,包括以實際工程中的橋墩基礎為研究對象,建立有限元分析模型研究最不利荷載工況[1-3];也對實際工程建設的技術難點、結構受力形式、工期、經濟性、計算方法等方面進行了創新,具體的優化方案包括圍堰加設內支撐、改變鋼管樁尺寸與斷面形式、保持結構不變或采用平行鋼絲索代替傳統施工方法、改進常規順算法等[4-6]。此外,還有學者對水文地質條件[7]、淺灘裸巖地區[8]、軟土質地區[9-11]、流速[12]和高原山區[13]等復雜地質環境下的施工進行了研究。由此發現,國內外學者針對圍堰施工的技術難題有了實質性的突破與創新,但對于鋼管樁樁長、圈梁和支撐位置及滲水條件下最不利工況優化分析較少。本文以西安地鐵10號線某跨渭河大橋的7號敦為例,利用有限元分析法研究圍堰施工各工序設計樁長與優化樁長、圈梁和支撐位置及滲水條件改變所引發的安全性和穩定性間的變化關系,研究結果對鋼管樁圍堰施工技術的應用和優化具有重要意義。

1 工程概況

地鐵10號線某跨渭河大橋7號墩基礎范圍內地層以中砂為主。基礎采用鋼管樁圍堰施工,鋼管樁規格為φ820×14×32 000,有4道圈梁支撐。7號墩承臺如圖1所示。基礎施工順序為:①設置導向插打鋼管樁;②圍堰內繼續開挖至357.000m,干環境下安裝第2道圈梁;③圍堰內繼續開挖4m至353.000m,干環境下安裝第3道圈梁;④圍堰內繼續開挖3.5m至349.500m,干環境下安裝第4道圈梁;⑤若圍堰內未發生嚴重滲水現象,則繼續將圍堰開挖至344.414m,施工0.5m厚墊層混凝土;若發生嚴重滲水,則停止干挖,將基坑內回水至內外水頭齊平,水下吸泥至封底高程342.414m,混凝土封底后將圍堰內水抽干;⑥施工承臺及混凝土圈梁,拆除第4道圈梁;⑦混凝土圈梁施工完成后,汛期來臨時若水位上漲超過358.000m,需將圍堰鋼管接高6m至364.500m,并安裝第1道圈梁;⑧施工主墩,圍堰內回水,先后拆除第3道、第2道、第1道圈梁;⑨承臺施工完成的標志為拔出鎖口鋼管樁。

圖1 7號墩承臺Fig.1 Pier cap No.7

2 鎖扣鋼管樁受力特性與穩定性分析

2.1 計算模型及土性參數

表1 鋼管樁圍堰計算工況Table 1 Calculation conditions for steel pipe pile enclosure

表2 土體參數Table 2 Soil parameters

圖2 鎖口鋼管樁圍堰支護體系模型Fig.2 Model of interlocking steel pipe pile enclosure support system

2.2 鎖口鋼管樁樁長優化計算分析

不同樁長條件下鎖口鋼管樁圍堰穩定性分析結果如表3所示。由表3可知,各部分穩定性驗算結果隨樁長的縮短而減小,但變化幅度不明顯,經計算各部分穩定性驗算均符合規范規定。結果表明:嵌固深度與繞最下道支撐的抗傾覆穩定性安全系數的變化關系可表述為安全系數隨嵌固深度的增加而增大。

表3 不同樁長條件下鎖口鋼管樁圍堰穩定性分析結果Table 3 Stability analysis results of interlocking steel pipe pile enclosure under different pile length conditions

在設計水位未發生滲水時最不利工況下不同樁長鎖口鋼管樁的彎矩、總位移和圍堰內支撐軸力分布如圖3～5所示。開挖到底時的鎖口鋼管樁樁長26,24,23.5m的最大彎矩值分別為649.93,650.74,651.60kN·m(均出現在第4道圈梁和基坑底部中間),說明嵌固深度的增加反而使最大彎矩值減小;由最大彎矩值計算得到的彎應力分別為88.13,88.24,88.36MPa,滿足強度要求。拆除第2道圈梁時鎖口鋼管樁的總位移達到最大,不同樁長對應的最大位移分別為4.023,4.034,4.040cm,均位于中間樁樁頂;當未發生嚴重滲水、外側水位為設計水位時,以上工序中開挖到坑底時內支撐軸力最大,樁長26,24,23.5m對應的內支撐軸力值分別為4 282.731, 4 294.78,4 301.34kN(均出現在開挖到底第4道角撐上);由最大軸力值計算得到的軸向應力分別為114.27,114.60,114.77MPa,滿足強度要求。

圖3 開挖到底時鎖口鋼管樁彎矩分布(單位:kN·m)Fig.3 Moment distribution of interlocking steel pipe pile when excavated to the bottom (unit: kN·m)

圖4 拆除第2道圈梁時鎖口鋼管樁位移分布(單位:m)Fig.4 Displacement distribution of interlocking steel pipe pile during the removal of the second ring beam(unit: m)

圖5 開挖到底時鎖口鋼管樁圍堰內支撐軸力分布(單位:kN)Fig.5 Internal support axial force distribution of interlocking steel pipe pile enclosure when excavated to the bottom(unit: kN)

2.3 圍堰坑內回填條件下第4道圈梁和內支撐位置優化計算分析

取樁長為26m,分析第4道圈梁和支撐位置改變時,設計水位發生嚴重滲水時的圍堰整體穩定性變化規律,結果如表4所示。由表4可知,第4道圈梁位置不同條件下鎖口鋼管樁圍堰整體穩定性穩定性系數均與規范值吻合;第4道圈梁位置不變、上移0.5m和上移1m工況對應的繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩定性安全系數依次為0.690,0.681,0.672。說明隨著第4道圈梁位置的上移,繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩定性安全系數減小,但幅度不大。在嚴重滲水條件下,第4道圈梁位置上移對整個支護結構的穩定性影響較弱。

表4 第4道圈梁位置不同條件下鎖口鋼管樁圍堰穩定性分析結果Table 4 Stability analysis results of interlocking steel pipe pile enclosure under different positions of the fourth ring beam

第4道圈梁位置不同條件下處于最不利工況(發生嚴重滲水)時鎖口鋼管樁的彎矩、總位移和圍堰內支撐軸力分布如圖6～8所示。由圖6～8可知,拆除第3道圈梁時鎖口鋼管樁彎矩值最大,3種圈梁和支撐位置所對應的最大彎矩值依次為437.87,438.31,438.76kN·m,均出現在第3道和第2道圈梁中間,說明隨著第4道圈梁位置上移,最大彎矩值增大;由最大彎矩值計算得到的彎應力依次為59.38,59.44,59.50MPa,滿足強度要求。圍堰基坑內施工時,拆除第4道圈梁位移最大。第4道圈梁位置不變、上移0.5m和上移1m工況對應的最大位移依次為1.944,1.950,1.950cm,均出現在中間樁頂;拆除第4道圈梁時鎖口鋼管樁圍堰內支撐軸力值達到最大,不同位置工況對應的內支撐軸力值依次為3 068.10, 3 181.51,3 307.47kN,最大支撐軸力產生部位均為第3道角撐;由最大軸力值計算得到的軸向應力依次為81.87,84.89,88.25MPa,滿足強度要求。

圖6 拆除第3道圈梁時鎖口鋼管樁彎矩分布(單位:kN·m)Fig.6 Moment distribution of interlocking steel pipe pile during the removal of the third ring beam (unit: kN·m)

圖8 拆除第4道圈梁時鎖口鋼管樁圍堰內支撐軸力分布(單位:kN)Fig.8 Internal support axial force distribution of interlocking steel pipe pile enclosure during the removal of the fourth ring beam (unit: kN)

2.4 圍堰內未發生嚴重滲水與發生嚴重滲水條件下圍堰穩定性與受力特性分析

改變圍堰內滲水條件研究設計水位未發生嚴重滲水與發生嚴重滲水時的變化規律,具體結果如表5所示。由表5可知,圍堰內未發生嚴重滲水條件下的整體穩定性驗算滿足要求,但圍堰內發生嚴重滲水時整體穩定性小于規范規定的1.35,不滿足要求。經驗算,圍堰內發生與未發生嚴重滲水工況的穩定性均滿足要求;圍堰內未發生嚴重滲水與發生嚴重滲水條件下工況對應的繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩定性安全系數依次為0.949,0.811,0.774,0.690,0.545,0.507。結果表明,圍堰發生嚴重滲水時,各樁長條件下的圍堰整體穩定性降低,應嚴格控制圍堰的防水措施,避免圍堰滲水。

表5 圍堰內未發生嚴重滲水與發生嚴重滲水條件下鎖口鋼管樁圍堰穩定性分析結果Table 5 Stability analysis results of interlocking steel pipe pile enclosure under conditions of no serious seepage and serious seepage inside the enclosure

圍堰在設計水位條件下未發生嚴重滲水與發生嚴重滲水的最大鋼管樁彎矩、最大位移、最大支撐軸力分別如圖9～11所示。

圖9 未發生嚴重與發生嚴重滲水鎖口鋼管樁最大彎矩分布(單位:kN·m)Fig.9 Maximum moment distribution of interlocking steel pipe pile under conditions of no serious seepage and serious seepage (unit: kN·m)

圖11 未發生嚴重滲水與發生嚴重滲水條件下最大支撐軸力分布(單位:kN)Fig.11 Maximum support axial force distribution under conditions of no serious seepage and serious seepage(unit: kN)

對比分析圖9～11可知,圍堰在設計水位發生滲水條件下的最大管樁樁彎矩、最大位移、最大支撐軸力均小于未發生滲水,分析其原因為:當圍堰外水分滲入圍堰后,原本由圍堰支護結構所承擔的水壓力減弱,相當于對圍堰支護結構產生了卸載作用,故表現為支護結構應力的降低。雖然滲水條件也滿足規范設計要求,但在實際工程中應嚴格控制滲水條件,保證整個施工過程的安全性。

3 結語

1)圍堰基坑圍護樁樁長為26,24,23.5m時,圍堰基坑的整體穩定性系數相差不大,但樁長增加可提高圍堰基坑抗傾覆、隆起、流土和管涌的穩定性,對支護結構內力擾動較小。在深圍堰工程及水位較高情況下,為保證圍堰基坑安全穩定,不建議縮短樁長。

2)隨著第4道圈梁位置的上移,繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩定性安全系數減小,但幅度不大;在嚴重滲水條件下,第4道圈梁位置上移對整個支護結構的穩定性影響較弱。拆除第3道圈梁時鎖口鋼管樁的彎矩值達到最大,出現在第3道和第2道圈梁中間;拆除第2道圈梁時鎖口鋼管樁的總位移達到最大,出現在中間樁頂;拆除第4道圈梁時鎖口鋼管樁圍堰內支撐軸力值達到最大,出現在第3道角撐上。

3)對比滲水條件后發現,未發生滲水的圍堰穩定性和支護結構內力均比發生滲水時的大,且2種條件均滿足要求。最不利工況(發生嚴重滲水)最大彎矩值出現在拆除第3道圈梁時,最大位移出現在拆除第2道圈梁時,最大內支撐軸力出現在拆除第4道圈梁時。

4)各種最不利工況條件的穩定性驗算均符合要求規定,但繞最下道支撐的抗傾覆(踢腳破壞)穩定性驗算安全儲備不足,應加強該方面的監測,并結合支護結構內力和位移來共同監測圍堰基坑支護結構的安全。