石头步大桥17 m深基坑支护设计与施工

王 哲

(中铁建港航局集团路桥工程有限公司,广东 广州 511446)



石头步大桥17 m深基坑支护设计与施工

王 哲

(中铁建港航局集团路桥工程有限公司,广东 广州 511446)

摘要：针对石头步大桥17 m的深基坑，通过方案比选，采用了钻孔防护桩结合旋喷桩形成止水帷幕施工方案。通过合理布置腰梁和支撑体系，并采用理正深基坑和midas软件进行建模计算，结果表明支护结构的强度、刚度和稳定性均达到要求。经过施工实测，支护结构的实际变形与计算结果相符。为了提高施工速度，采用了排水和不排水开挖相结合的方式，提高了开挖作业的速度，降低了施工难度，取得了很好的经济效益。可为类似深基坑的设计和施工提供参考。

关键词：深基坑；支护设计;止水帷幕；施工

1 工程概况

石头步大桥位于广东省郁南县平台镇的新屋村，大桥隶属于新建南宁至广州铁路站前工程标段。石头步大桥的中心里程为DK266+712.20，大桥跨越宽10 m的河流，河中水流较缓，水深1.2 m，线路与河道成56°夹角。

石头步大桥全长473.12 m，桥梁的孔跨布置为14×32 m简支箱梁。基础采用∅1.25 m的钻孔灌注桩，桥台桩基础为18根钻孔灌注桩，桥墩桩基础为98根钻孔灌注桩，平均桩长度约19.5 m，最大桩长32 m。桥台采用双线矩形空心桥台，桥墩采用双线实心墩，平均墩高9.5 m,最大墩高11.5 m。上部结构为32 m后张法预应力混凝土双线简支箱形梁。箱梁采用满堂支架现浇法施工。桥址处地貌类型主要为山前冲积平原，地形平坦，多为农田和桔树园。桥址区的边坡土质为花岗岩残坡积层和全、强风化层，风化不均匀，局部全、强风化层厚度较大，抗剪强度低，边坡不稳定，地表存在砂土流失现象。有特殊岩土，淤泥，软塑状粉质黏土，这些土层承载力低，压缩性高。

由于8#和9#桥墩中间预留一座地道桥的空间，所以桥墩承台的埋深很大，其底面位于地面以下17 m，承台共有两个台阶，底阶承台的尺寸为14.6 m×14.6 m×3 m，上阶承台尺寸为11.0 m×8.0 m×2 m。水位位于地面以下2 m。

2 深基坑支护方案选择

2.1 方案选择[1-2]

根据工程和地质条件，经过初步分析，深基坑支护方案采用钢板桩围堰或钢管桩围堰与钻孔防护桩配合止水帷幕两种方案进行比较和筛选。

钢板桩或钢管桩围堰方案：具有施工过程简单，止水效果好、受力比较明确并且材料能够回收等显著优点；此外，钢板桩或钢管桩的插打施工技术已经很成熟。采用这两种形式的基坑支护具有一定的可行性，但是针对该基坑钢板桩的插打深度比较大，而且在地下土层有一定厚度的砾砂层，钢板桩的插打存在一定技术难度，需要进行试打，经过Ⅳ型拉森钢板桩和∅500 mm钢管桩的试打作业，当钢板桩或钢管桩打入到深度6 m左右时很难继续打入，尽管采取了一些措施如加大坠锤重量和辅助振动的方式，仍然无法继续打入，因此不能采用该方案进行基坑支护。

钻孔灌注桩结合旋喷桩形成帷幕进行基坑支护的方案：施工工艺非常成熟，技术上不存在问题，且能够适合各种土层要求；由于形成了止水帷幕，使得防护结构的止水效果也比较好。但是钻孔灌注桩结合止水帷幕支护的施工方案费用偏高，并且钻孔灌注桩和旋喷桩均无法回收再利用，从而会造成浪费，并对环境有一定的污染。

经过综合的研究和利弊分析，并且与监理和业主单位协调，最后采用钻孔灌注桩结合旋喷桩形成帷幕的施工方案进行基坑支挡作业。

2.2 方案设计

17 m深度的基坑支护采用∅1.25 m、间距为1.5 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，并在外侧钻孔桩的间隙处布置∅60 cm的旋喷桩形成止水帷幕，达到防水的目的，如图1所示。旋喷桩施工完成后，在钢筋混凝土桩顶浇筑宽度1 m、厚度0.5 m的冠梁(按照构造配筋即可)，以增加防护桩的整体性；然后再进行基坑开挖作业。

图1 基坑防护桩布置结构图(单位：cm)

根据底阶承台的尺寸，并且考虑支立模板和作业空间，承台侧面预留1 m的空间，实际基坑开挖尺寸为16.6 m×16.6 m，封底混凝土厚度3 m(这样基坑的开挖深度达到了20 m)。支护结构采用双排H型钢做腰梁(HN 692×300×13/20)，粗钢管(∅60 cm、壁厚10 mm)作为内支撑，共设计了4层支撑如图2所示。考虑施工的空间，最底层的内撑体系距离底阶承台的顶面0.3 m，以保证承台施工作业的空间。

图2 腰梁和内撑布置图(单位：cm)

3 支护方案计算

3.1 入土深度计算

由于防护桩周围的土层主要是砂土，根据施工环境及河床地质资料，考虑在钢筋混凝土桩施工完成后进行基坑封底时极易出现涌砂，为了防止涌砂，就必须保证桩的打入深度，从而使基坑稳定。若垂直向上的渗透力不超过砂的浮密度，则是安全的，即不涌砂。最不利的情况是不排水开挖到20 m尚未封底时，此时坑内水面距离地下水位8 m，封底平面距离坑外地下水位18 m。

故安全条件公式为：

(1)

式中：ks为安全系数，取2.0；h1为涌砂条件下基坑内外的水头差(m)，取8 m；h2为涌砂条件下封底平面到坑内水位的距离(m)，取10 m；t为封底处以下桩长(m)；γw为水重度，取10 kN/m3；γb为浮土重度，取8 kN/m3。

经过计算，t=5 m，偏安全，这里取为7 m。钻孔灌注桩长总计为27 m。

3.2 防护桩内力和变形计算

防护桩排水开挖阶段的计算采用理正深基坑软件分工况进行计算，边开挖边加腰梁和内撑，设置支撑体系需要超挖50 cm，以保证施工空间和安装牛腿。排水开挖并安装第3道支撑后，进行不排水开挖到坑底；随后进行水下混凝土封底作业，封底砼达到强度后抽干水；然后加设最后一道腰梁和内撑。其中前3道内撑采用排水开挖并用理正深基坑软件进行设计计算。计算结果如图3所示。

当开挖到11.5 m深度、安装第3层支撑后，往坑内注水到距离地面10 m的位置，采用不排水开挖的方式开挖到20 m深度，然后水下混凝土封底(厚度3 m)，封底混凝土达到设计强度后，抽干水。此时的防护桩和封底混凝土已经粘结，防护桩可以按照4跨连续梁(带有一段3 m悬臂)进行验算。采用midas对防护桩进行建模计算，所受荷载为坑外土(水)的压力，此时防护桩的弯矩和反力如图4所示。

从图4可以看出，此时的弯矩为308 kN·m、反力为999.2 kN。

综合图3和图4的计算结果，施工过程中防护桩的最大弯矩标准值为1 529.59 kN·m，考虑荷载安全分项系数等参数，采用1 869.6 kN·m进行配筋设计。经过计算防护桩最终采用22根∅25 mm的HRB335的纵向钢筋均匀布置，其承载能力Mu=1 890.3 kN·m > 1 869.6 kN·m(设计弯矩)，满足要求;箍筋采用HPB235的∅12 mm的钢筋间距150 mm布置，加强箍筋采用HRB335的∅16 mm钢筋、间距1 000 mm布置。

图3 排水开挖到第3道内撑的计算结果

图4 封底硬化抽水后计算结果

3.3 腰梁和内撑计算

采用midas对腰梁和内撑体系进行建模计算，采用梁单元进行模拟计算。结合图3和图4(b)可知，支护桩的最大支反力为2 007 kN，根据水平间距5.5 m，则腰梁所受均布荷载为365 kN/m。经过试算，最终采用双排H型钢(HN 692×300×13/20)作为腰梁，采用∅600 mm、壁厚10 mm的钢管作为内支撑体系。根据对称结构对称荷载的受力特点，建模时在4个腰梁中点施加约束，即约束腰梁中点两个水平面方向线位移。

采用有限元midas建模进行设计和计算，计算结果如图5所示。

图5 腰梁和内撑结果

从图5看出，腰梁最大正应力：σ=159 MPa<

[σ]=181 MPa；内撑最大正应力：σ=145 MPa<[σ]=181 MPa；腰梁最大位移：f=6.8 mm<[L/400]= 5 500 mm/400=13.75 mm。考虑稳定问题后，内撑最大正应力160 MPa，仍然满足要求。

4 施工技术

施工前的准备工作：基坑位置平整场地，场地标高为在基坑底部标高以上17 m位置。测量放线定出钢筋混凝土桩和旋喷桩的位置。

4.1 钻孔灌注桩施工

防护桩施工与桩基础的钻孔灌注桩施工相同。由于桩之间的净距只有25 cm，所以在施工过程中，需要隔桩施工，不能顺序施工，以防止钻孔施工对刚刚浇筑好的桩产生扰动，或者破坏。钻孔灌注桩施工标高距离地面50 cm即可，但钢筋笼需要延长到地面，冠梁的钢筋要和防护桩的钢筋连接起来。

4.2 旋喷桩施工

旋喷桩施工是为了形成止水帷幕，施工也是需要隔桩施工，不能顺序施工。

4.3 冠梁施工

在旋喷桩施工完成后，在钢筋混凝土桩顶浇筑厚度0.5 m、宽度1 m的冠梁(按照构造配筋即可)，以增加防护桩的整体性;然后再进行基坑开挖作业。

4.4 基坑开挖

待施工的围护结构达到设计强度后，方可进行基坑开挖作业，针对不同的土质采用不同的开挖方式。基坑开挖时要求先挖中间土方，严禁超挖，然后再将基坑内周边土对称均匀下挖，开挖时避免扰动基坑外土层;在开挖和整个施工过程中注意对桩的位移、沉降进行观测，遇异常情况立即停止开挖以及其它作业，通知坑内人员迅速撤离，并采取回灌、加撑等措施处理，加固后方可继续施工，以确保安全。

基坑开挖过程中在需要设置内撑的位置，超挖50 cm后设置腰梁和内撑，采用双排H型钢上下两层并排布设。内撑和H型钢之间采用焊接方式连接，焊缝要求满足规范规定。在腰梁和钢管连接处需要在H型钢上和钢管外壁均设置加劲肋，防止局部压力过大而失稳破坏。

安装第3层支撑后，由于主动土压力太大，支撑体系受力严重超限，故不能继续排水开挖，需要往坑内注水到距离地面10 m左右的位置，用冲抓结合抽砂等不排水开挖的方式开挖到20 m深度。

4.5 封底混凝土作业

基坑不排水开挖到底后，进行水下封底混凝土的浇筑，封底混凝土的厚度为3 m。为了提高混凝土早期强度和加快混凝土的凝结硬化，在封底混凝土中掺入早强剂，以尽早抵抗坑外水压力。

4.6 承台施工和回填作业

封底混凝土达到设计强度后就可以抽水，先安装第4道支撑，然后进行承台的施工，第1台阶承台施工完成后，回填夯实，然后进行第2台阶承台施工，然后回填夯实，并拆除第4道围囹和内撑。进行桥墩的分段施工，一定要边施工边回填夯实，到相应内撑体系位置后，拆除相应围囹和内撑，如此循环作业，直到墩身露出地面。

5 结论

针对石头步大桥17 m深基坑支护问题，经过比较，采用钻孔灌注桩结合旋喷桩形成止水帷幕的支护方案，并且结合施工要求，设计腰梁、内撑和布置。采用理正深基坑结合midas软件进行了设计和计算，计算结果表明支护结构的受力和变形均满足要求。经过施工中监控实测，结构的最大变形为5.5 mm，与计算结果6.8 mm基本吻合，这表明支护结构的设计和计算与结构的实际受力基本一致。

由于对基坑支护结构进行了科学的设计和计算，并且针对工程实际，采取了排水开挖和不排水开挖相结合的方式进行施工，节省了开挖时间，降低了开挖难度，取得了很好的经济效益。可为以后同类型的基坑支护结构设计和施工提供参考。

参考文献

[1]江正荣．建筑施工计算手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007

[2]张俊义.桥梁施工常用数据手册[M]．北京：人民交通出版社，2005

收稿日期：2016-03-25

作者简介：王哲(1979—)，男，工程师，主要从事土木工程施工技术管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.017

中图分类号：U443.131

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)04-0066-04

On the Design and Construction of the Supporting for the 17 m-Deep Foundation Pit for the Shitoubu Bridge

Wang Zhe

(Road & Bridge Engineering Co. Ltd. of the Harbor Construction & Navigation Administration Bureau Group of China Railway,Guangzhou 511446,China)

Abstract:In view of the 17 m-deep foundation pit for the Shitoubu Bridge and upon the basis of the comparison of different construction schemes,the bored protective pile in combination with the rotary churning pile to form a water-stopping curtain is adopted for the project.Through providing reasonable waist beams and supporting systems,the construction is smoothly carried out,in the course of which the Lizheng Deep-foundation Pit and the Midas Software is used for establishing the simulation model, with the help of which the strength,rigidity and stability of the supporting system are found all up to the requirements.Through the actual survey during the construction, the actual deformation of the supporting system is found to be in agreement with the calculated results.To speed up the construction,the construction method of combining the draining excavation with the non-draining excavation is adopted for the project,with the construction speed improved,the construction difficulty lowered and fine economic effect achieved.The project may provide a useful reference for the design and construction of other deep foundation pit projects.

Key words:deep foundation pit；supporting design；water-stopping curtain；construction