蒙华铁路深水低桩承台围堰方案的设计优化

苏 凤 涛

(中铁十四局集团有限公司,山东 济南 250000)

蒙华铁路深水低桩承台围堰方案的设计优化

苏 凤 涛

(中铁十四局集团有限公司,山东 济南 250000)

结合长湖特大桥工程实例，通过理正深基坑软件整体建模验算，采用单层钢板桩替代了原设计双侧壁钢围堰方案，指出该方案提高了施工效率，有效节约了造价，取得了良好的施工效果。

钢板桩，双壁钢围堰，钢板桩围堰，支护结构

0 引言

钢板桩围堰和双壁钢围堰作为两种不同的围堰类型，在众多的大型桥梁深水基础施工中广泛应用，但由于其在工程造价、施工工序、技术难度等方面的差异，适用条件存在着不同。本文以长湖特大桥连续梁31号主墩基础为例，对原设计的双壁钢围堰方案进行了重新比选和设计，选用18 m钢板桩方案，达到造价更经济、工期更合理、施工更便捷的目的。

1 工程概况

长湖特大桥全长4 022.56 m,桥位穿越湖北荆门长湖湿地自然保护区，其中31号～35号墩采用64 m+96 m+96 m+64 m连续箱梁作为通航孔跨，该深水基础桩基承台平面尺寸18.5 m×13.5 m,底标高19.281，施工水位30.5 m，水深4 m。基坑支护深度达11.5 m。31号主墩处河床地质从上至下依次为淤泥(0.7 m)，粉质粘土(7.3 m)，细砂(6.9 m),粉质粘土(7.5 m),最高水位水深4 m，原设计采用双壁钢围堰进行围护施工。

2 方案比选

根据现场实际调查情况，双壁钢围堰虽具有整体刚度大、结构稳定等特点，但在施工中仍存在较大的不便，且造价较高。针对此情况，我部将双壁钢围堰和钢板桩围堰两种围护方式进行了多方面的对比，具体如表1所示。

表1 围护结构比选

结合两方案的优劣对比及实际工程地质，在结构设计验算合格的前提下，该桥主墩基础采用钢板桩围堰结构较为合理，可大大的提高施工效率和节约资金，有利于工程施工。

3 钢板桩围堰优化设计

31号墩为主墩，承台底标高19.281，施工水位30.5 m，水深4 m。承台上下两层，下层平面尺寸18.5 m×13.5 m，高3.5 m，上层高2.7 m，考虑基底超挖30 cm，基坑支护深度按11.5 m计。

支护钢板桩内部尺寸按比承台平面尺寸每边各宽出1 m考虑，即内部尺寸20.5 m×15.5 m。角撑及围囹分上下3层，角撑均为φ630×10 mm的钢管，围囹均为3Ⅰ50a工字钢倒放。钢板桩采用拉森-Ⅳ型，长度不小于20 m，截面每延米抗弯模量不小于2 200 cm3，基底以下嵌固深度8 m。支护结构详见图1。

4 钢板桩围堰内力验算

4.1 计算方法

计算采用《理正深基坑7.0》软件整体建模计算。整体计算可以较为准确的模拟结构的力学行为，如内力和变形等。而抗隆起、抗管涌、抗突涌等的计算则利用该软件的单桩计算功能实现。计算时土压力按弹性法、结构计算按极限状态法、基坑外侧不排水。

4.2 设计参数

支护设计参数按基坑四周相同考虑。土层参数如表2所示。

表2 支护立面土层参数表

4.3 结构变形

通过软件给出的计算工况共有4个，即抽水到2 m、开挖到5.3 m，8 m及基坑底时，每种工况的计算模型均不相同。通过软件计算可以看出，开挖到基底时钢板桩的横向变形最大，最大变形值95.35 mm，其位于长边中间钢板桩。

图2为开挖至基底整体变形俯视图，图3为开挖至基底时的单桩最大变形图。整个基坑支护桩的最大变形即发生于此。

4.4 结构内力

钢板桩法向(即垂直于侧边)弯矩、腰梁以及角撑的水平弯矩、轴力是分别控制这三种结构设计的主要因素，这里给出这三种内力供后面的设计检算之用。由于开挖至基底为控制工况，结构受力最大，这里只讨论此工况下的结构受力问题。

图4为此工况腰梁的弯矩图。从该图看到，各层腰梁最大弯矩599.7 kN·m，对应的轴向力1 041 kN。

如图5所示为此工况角撑的弯矩图。各层角撑最大轴向力为1 463 kN，对应的弯矩138.2 kN·m。

图6为开挖至基底时的钢板桩弯矩情况。从该图看到，钢板桩单桩最大弯矩为317.33 kN·m。

5 支护结构检算

1)钢板桩检算。

钢板桩单宽受到的最大弯矩为317.33 kN·m，其单延米抗弯模量为2 200 cm3。最大应力：317.33×1 000/2 200=144.2 MPa<215 MPa(满足要求)。

2)腰梁检算。

腰梁均采用3Ⅰ50a倒放，抗弯模量为：3×1 860=5 580 cm3；截面面积为：3×119=357 cm2；各层腰梁的最大正应力如表3

所示。

表3 各层腰梁最大正应力表

3)角撑检算。

角撑均为φ630×10 mm螺旋钢管，由于第三层受力最大，这里只计算该层的受力情况。最大正应力为：

N/A+M/W=1 463×10-3/(3.14×0.62×0.01)+138.2×10-3/(3.14×0.623×0.01)×0.63/2=86.8 MPa<215 MPa (满足要求)。

由于强度水平较低，角撑较短，不再进行受压稳定计算。

4)抗隆起验算。

支护底部，验算抗隆起：

Ks=1.719<1.800，但相差在5%以内，可以认为安全。

5)抗管涌验算。

计算参数：截水帷幕高19.5 m。

K=2.691≥1.6,满足规范要求。

6)抗突涌验算。

Ky=321.90/262.90=1.22≥1.10。

基坑底部土抗承压水头稳定。

6 结语

经检算，长湖特大桥主墩采用单层钢板桩围堰支护体系的强度、刚度(变形)及抗隆起、管涌、突涌稳定方面均符合要求，能够保证基坑施工期间的安全，方案可行。

目前长湖特大桥31号主墩基础钢板桩围堰已开挖完成，经实践证明，通过采用钢板桩围堰结构在深水软泥基础中替代双壁钢围堰的方案经济节约、工期可控，施工效果明显。

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[2] 刘 明,任家富.南宁仙葫大桥桥墩钢围堰分析和优化[J].交通标准化，2006(4)：70-71.

[3] JGJ 120—2012,建筑基坑支护技术规程[S].

Abstract: Combining with Changhu extra-large bridge engineering example, through integral modeling computation of drastic deep foundation software, the paper applies single-layer steel sheet pile for replacing original double-wall steel cofferdam scheme, which improves construction efficiency, effectively saves cost, and achieves great construction effect as well.

Key words: steel sheet pile, double-wall steel cofferdam, steel sheet pile cofferdam, bearing structure

Design optimization of deep-water bottom-pile cap cofferdam scheme of Meng-Hua railway

Su Fengtao

(ChinaRailway14thBureauGroupCo.,Ltd,Jinan250000,China)

2016-03-19

苏凤涛(1983- )，男，工程师

1009-6825(2016)15-0173-02

U443.25

A