某深水基坑开挖支护方案研究

朱培男

(辽宁省冶金地质勘查局四0五队，辽宁鞍山 114000)

1 工程概况

该大桥跨三岔河段采用45 m+70 m+70 m+45 m悬浇梁跨越设计，两孔下水面宽度为65 m。三岔河枯水期河宽230 m，最深处水深6 m，桥梁沿既有沟海线走行，采用圆端形桥墩，钻孔桩基础，其中480号墩均在水中，局部冲刷线与各项安全主通航指标要求。480号主墩需由河面高程垂直下挖17 m～19 m深，属于超深基坑开挖，墩台参数如表1所示。

表1 墩台设计参数 m

2 桥梁深水基础类型特点及方案比选

2.1 比选原则

1)根据钻孔地质资料，判定符合施工的支护体系;

2)支护方案要具备足够刚度、强度，确保开挖施工安全;

3)支护体系能有效解决渗漏水及地下涌泥、涌砂等情况;

4)支护方案必须考虑汛期及各项防护要求;

5)支护方案力求经济、简单、易行。

2.2 钢板桩方案

三岔河大桥水中以480号墩为研究对象，筑岛顶面标高+3.6 m，河床标高取－4.0 m(根据设计图估取)。承台分三级，第一级承台厚3 m，台顶标高－6.588 m，第二级承台厚3 m，第三级承台厚0.5 m。台底标高－12.588 m。拟采用钢板桩围堰进行承台施工，钢板桩采用拉森IV型，长24 m，围堰平面尺寸为21.6 m×17.6 m，共设置五道内支撑。围堰桩顶标高为+2.442 m，第一道内支撑标高为+1.942 m，第二道内支撑标高为 －1.058 m，第三道内支撑标高为－3.558 m，第四道内支撑标高为－6.058 m，第五道内支撑标高为－9.058 m，封底混凝土厚度为2.5 m，基坑底高程为－15.058 m(即封底底面标高)。设计方案如图1所示。

2.3 钢围堰方案

1)钢围堰制作周期长，所占场地多，不易管理。

2)钢围堰下沉必须采用驳船等大型水上运输工具，或采用钢平台，配合投资大，射水下沉周期长。

3)钢围堰设计为一次性投入，需水下潜水员施工割接，投入材料残值收益低，且危险性高。

图1 围堰立面图

2.4 钢板桩与钢管桩结合方案

2.4.1 方案概况

三岔河大桥水中以480号墩为研究对象，筑岛顶面标高+3.6 m，河床标高取－0.4 m(按筑岛填土厚度4 m的底面而定)，承台底面标高 －12.558 m。

采用钢管桩结合拉森钢板桩围堰进行承台施工，钢管桩φ630 mm×10 mm×24 000 mm、拉森钢板桩575 mm×10 mm×12 000 mm(竖向2根焊接接长到24 000 mm)，围堰平面尺寸为21.6 m×17.6 m，共设置5道内支撑，承台底面以下2 m为C30封底混凝土。

原钢板桩方案:围堰桩顶标高为+3.6 m，第一道内支撑位于桩顶以下2 m，标高为+1.6 m，以下各道支撑按等间距3 m逐道支撑，第五道支撑到封底混凝土顶面距离为2.5 m(此值无法设置承台模板)。需注意的是:考虑到土体压力从地表向下呈三角形分布递增，建议从桩顶向下由稀到密布置内支撑进行支撑。例如，第一道位于桩顶以下2 m，以下各道内支撑间距3 m+3 m+2.5 m+2.5 m逐道支撑，第五道支撑到封底混凝土顶距离为3.5 m。经验算，第五道支撑不稳定。钢板桩结合钢管桩方案:围堰桩顶标高为+3.6 m，第一道内支撑位于桩顶以下2 m，标高为+1.6 m，以下逐道间距(3+3+2.5+2.5)m逐道支撑，第五道支撑到封底混凝土顶距离为3.5 m(此值保证承台模板的支立)，如图2所示。

图2 围堰立面图

2.4.2 钢管桩强度验算

验算时的荷载最不利位置均位于第五道支撑到封底混凝土底面段3.5 m+2 m=5.5 m范围。该段为开挖最深段，土压力最大;该段跨度最大(5.5 m)。

具体分析如下:

1)开挖到桩顶以下约2.5 m深处，设置第一道支撑。设置第一道支撑前，管桩在外侧土压力下桩顶向内侧倾移，这一倾移使得管桩外侧土压力由静土压力(开挖前)变为主动土压力(开挖后)。

此时，桩外侧为主动土压力，内侧为部分被动土压力及静土压力(之所以称之为部分被动土压力，是因为桩顶向内侧倾移或有倾移趋势，但这一被动土压力远未达到临界状态的被动土压力—朗金理论中的被动土压力—土体被压临界破坏时的土压力)。

2)封底混凝土底部以上共18.5 m，设置第一道支撑后，向下逐段(或逐层)开挖的过程中，钢管桩不会再向内侧倾移。原因是:各道横向内支撑约束了管桩向内侧倾移。

3)钢管桩实际会产生微小的向内侧倾移量，这一微小倾移量为内支撑的弹性压缩量，这一微小倾移量使得管桩外侧土压力由静土压力变为主动土压力。

4)封底混凝土层以下5.5 m范围内土层受力相对较复杂:开挖顶层土时，桩端部外侧一定范围内为部分被动土压力;开挖到一定深度后，随着各道内支撑的设置及向下开挖卸载，其外侧的部分被动土压力逐渐减小，直到最后成为主动土压力;而管桩内侧土则反之，开始在桩端部内侧一定范围内为主动土压力，开挖到一定深度后，随着各道内支撑的设置及向下开挖卸载，其内侧的主动土压力逐渐增大，直到最后成为被动土压力。

5)不考虑临界状态管桩的最小入土深度。理由是:设置的各道支撑限制了管桩的倾移，不会产生朗金被动土压力理论中或板桩计算理论中的临界状态。

6)基于以上各条分析，针对改进方案，对长24 m的钢管桩结合拉森板桩围堰进行受力验算。

经上面各条分析，钢管桩受力模型如图3所示。

取单位宽度1 m为计算对象，则 p1=43.92 kN/m;p2=130.7 kN/m。

取最不利荷载AB段为验算对象:

计算假定:五道内支撑视为刚性;各支撑间的钢管桩段由连续梁简化为简支梁。因此，计算跨度LAB=5.5 m。

以一根钢管桩结合一片拉森板桩为一个组合单元进行计算，宽度为630+575=1.205 m。

于是，q=1.205 ×(130.7 －30)=121.5 kN/m(减30 kN/m 是由于带水开挖)。

由计算资料知1 m宽度内拉森板根数为100 cm÷57.5 cm=1.74 根。

所以，W拉森板=1 346 ÷1.74=773.6。

结论:从整体结构验算结果得知，钢管桩结合拉森钢板桩强度满足要求。

图3 受力模型

3 主要结论

1)经过对钢围堰、钢板桩围堰进行优缺点分析，并对钢板桩围堰内力结构进行计算表明均不符合工程稳定要求，结合工程实际设计出了钢板桩与钢管桩结合的围堰方案。

2)通过对钢板桩与钢管桩结合的围堰方案内支撑及整体稳定性进行验算，验算表明第一道至第四道内支撑符合工程稳定性要求，由于第五道内支撑承受土压力巨大，选择用2根φ630 mm内支撑才能满足工程稳定性要求。