复杂地形钢管与拉森桩组合式基坑围堰施工技术

张爱军

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

沪通铁路是国家铁路“十二五”规划建设的重点项目之一,是国家沿海通道的重要组成部分,沪通铁路建成后,沿海铁路大通道将全面贯通。本文取沪通长江大桥陆域南引桥单建铁路S42号墩为例,部分承台位于三干河中,部分毗邻G204国道车道位置,与之斜向交叉,在承台基坑开挖时应该最大限度地确保G204国道行车安全,道路结构安全和深基坑施工安全。承台、三干河和G204国道相对地理位置见图1。

图1 基坑、三干河和G204国道地理位置

1 工程概况

1.1 工程现场情况

沪通长江大桥陆域南引桥单建铁路S42号墩,承台结构尺寸为21.8 m×17.9 m×5.0 m,部分承台位于三干河中,部分位于G204国道车道位置,三干河施工时水位标高+1.5 m,国道标高为+4.238 m,承台标底标高为-5.842 m,基坑平面24 m×20 m,基底标高-7.3 m,基坑开挖深度11.5 m。

S42承台位置环境复杂,三干河长江南侧主河槽段长江下切,河床达下部砂层中,水位动态随季节及潮汐变化,水量丰富,G204国道车辆量大而密集,采取加宽、限速等措施[1-2]。同时考虑深基坑水系变化和既有国道结构安全,深基坑支护形式选择至关重要。

1.2 水文地质情况

沪通长江大桥南引桥单建铁路段位于张家港市,属于亚热带大陆季风性气候地区,具有四季分明,无霜区长,雨水充沛,气候温和,是典型的海洋性气候。

根据地质勘察报告,承台施工基坑开挖主要涉及①1层填筑土,②1层淤泥质黏土,③1层淤泥质粉质黏土,基底主要位于粉砂层上。黏土层天然含水量大,渗透性弱,抗剪强度低,土层开挖后稳定性差。墩位地质情况见表1。

表1 墩位地质情况表

2 深基坑支护形式的选择

深基坑就是竖向延伸空间,能为桥梁下部施工提供安全可靠、干燥的施工环境,深基坑支护一般有钢板桩支护、钢管桩支护、套箱、沉井及井点降水等形式,结合现场S42墩位河道、既有道路的平面和空间相互影响,为了进一步发挥基坑支护材料的潜在能力,使支护形式更加合理,综合利用“空间效应”,确保安全、快捷、经济和实体质量,采用钢管桩局部加强支撑G204国道+拉森钢板桩围护止水+局部降水确保G204国道基层沙不流失的组合基坑支护形式。

3 深基坑钢管与拉森钢板桩组合支护桩设计

S42墩基坑平面尺寸为24 m×20 m,顶面标高设计为4.22 m,加强钢管桩型号采用φ820×10 mm,单根长度21 m,间距1.5 m,数量13根；基坑止水支护[1-6]采用SKSP-Ⅳ型拉森钢板桩21 m,每米钢板桩截面特性：W=2 270 cm3,数量220根；为保证施工过程G204国道基层掏空,采用井点降水水密沙法灌注密实与支护桩体形成整体,避免路基沉降变形。根据承台结构和外界受力特性,承台分为2次浇筑成型,第一次浇筑2 m,第二次浇筑3 m,为此基坑支护内部共设3道型钢内支撑,第一道标高为3.14 m,围囹采用2HW300×300型钢,加设四角2道钢管斜撑,第二道标高为-0.17 m,围囹采用2HW588×300型钢,加设四角2道钢管斜撑和1道钢管对撑,第三道标高为-3.17 m,围囹采用2HW700×300型钢,加设四角3道钢管斜撑和1道钢管对撑；斜撑和对撑均为φ630×10 mm型号钢管,围囹四角处加设20 mm三角钢板固结形成超静定结构,围囹与钢板桩采用三角托架调平支撑[3],基坑封底混凝土厚1.5 m,基坑支护的立面和平面构造布置见图2、图3。

图2 基坑支护桩立面图

图3 基坑支护第三道围囹平面图

3.1 基坑支护施工工况

1)场地平整标高降至4.22 m,插打钢板桩；

2)基坑开挖2.2 m,在+3.14 m处安装第一道内支撑；

3)基坑开挖3 m,在-0.17 m处安装第二道内支撑；

4)基坑开挖3 m,在-3.174 m处安装第三道内支撑；

5)基坑开挖4.4 m；

6)施工浇筑1.5 m封底混凝土；

7)承台施工浇筑第一次2 m混凝土,待承台达到强度后,在顶部设置临时支撑及基坑回填夯实,拆除第三道支撑,承台施工浇筑第二次3 m混凝土；

8)临时支撑转移至承台顶,拆除第二道支撑,开始墩身施工。

3.2 基坑支护桩模型计算

3.2.1 拉森钢板桩强度计算

根据现场实际工况受力分析,对最不利的工况五、六、七采用迈达斯Civil模拟进行验算。

1)桩长选择：基坑开挖至-7.35 m,清理基底,γ、φ、c按21 m范围内的加权平均值计算(表2)。

表2 土压力参数表

根据等值梁法,计算围堰压力强度等于零点离基底面的距离y,建立方程式：

p0=153 kN

t=1.1×(x+y)=1.1×(5.4+2.0)=8.1 m

板桩总长L=t+h=8.1+11.5=19.6 m,选取长21 m板桩满足要求。

2)钢板桩强度

按简支梁计算反力、弯矩,单位为kN、kN·m,迈达斯Civil模型见图4～6,强度验算见表3。

图4 工况五弯矩图

图5 工况六弯矩图

图6 工况七弯矩图

工况M/kN·mW/cm3σ/MPaσmax/MPa结论五255.82 70094.7215满足六131.42 70048.6215满足七97.32 70036.1215满足

3.2.2 围囹内支撑体系计算

根据工况中最不利条件下,选取受力最大内支撑体系进行计算,见表4。

表4 工况钢板桩内支撑计算表

以工况五验算第三道内支撑强度和刚度为例,受力应力和变形图见图7、图8。

图7 第三道内支撑应力图

图8 第三道内支撑变形图

斜撑和对撑φ630×10 mm钢管最大应力98.8 MPa,满足要求。围囹型钢最大应力153.7 MPa,满足要求。最大位移6.0 mm,满足要求。

3.2.3 钢板桩稳定性验算(封底前)

管涌主要是水头差的作用引起,根据现场情况，计算时考虑有水一侧,基坑水头差为h1=4.7 m。 基坑管涌计算简图见图9。

图9 基坑管涌计算简图

不发生管涌的条件为：

式中：K为抗管涌安全系数，一般取K=1.5～2.0；

γ′为土的浮重度,γ′=γ-γw；

γ为土的重度；

γw为地下水的重度；

h′为地下水位至坑底的距离(即地下水形成的水头差)；

t为钢板桩的入土深度。

计算结果如下：

安全系数大于1.5,满足稳定性要求,基础开挖到设计标高后根据设计要求做封底混凝土浇筑。

3.2.4 国道侧不平衡荷载防护

由于基坑处于国道和河流之间,施工期间存在偏压,在国道侧设置钢管防护桩抵销部分不平衡荷载。

防护桩验算：防护桩间距为1.5 m,采用1200 m×13 mm的管桩,长度21 m,计算与钢板桩计算相同。则单根防护桩线基底处承受的土压力荷载为：

考虑防护桩在基底处固结,则防护桩最大应力见图10。由图10可知，防护桩最大应力为150 MPa,满足要求。

图10 钢管桩应力图

钢管桩稳定性验算：

钢管桩属于薄臂环形截面,采用A3碳素钢,其相关验算如下：

抗弯刚度EI=2.01×105×66.15×108=132.96×1013N·mm2

4 组合支护桩施工控制要点

4.1 组合支护桩施工工艺流程

组合支护桩施工工艺流程见图11。

图11 钢板桩工艺流程

4.2 加强钢管桩施工

钢管进场后,全面检查其直径、壁厚及磨损程度是否与设计一致,合格后按照测量放样位置进行施打。为保证桩体受力均匀和预防桩顶变形损坏,加设特制桩帽承受振动锤应力荷载,采用2台全站仪垂直控制桩体垂直度,桩体外露800 mm左右停止下沉,进行接桩。接桩先修正接口,再垂直2点焊接400 mm×200 mm×10 mm桩体同体瓦板,确保瓦板与桩体密贴,满足要求进行临时定位焊接, 加设2瓦板全面焊接成整体,桩体间坡口环焊,继续进行沉桩。

为保证既有G204国道基底稳定和避免基坑涌水,在施打完成加避强钢管桩后设置2点Φ400 mm,壁厚为50 mm混凝土管井点管,进行井点降水加强并填砂密实,确保既有路堤砂层稳定无沉降。

4.3 拉森Ⅳ钢板桩施工

超长21 m拉森Ⅳ钢板桩与日本长期合作定制,根据张家港地质条件和以往施工经验,钢板桩采用25 t吊车配合50 t履带吊机吊挂DZ90振动打桩锤插打。

1)钢板桩插打顺序由加强钢管桩角桩向两侧辐射顺序插打,最后在河堤一角进行合龙。

2)钢板桩插打前设置测量观测点并安装钢板桩插打导向横梁,控制钢板桩插打位置、垂直度及标高。

3)钢板桩插打前在锁口处,采用止水材料捻缝,防止在使用的过程中漏水并减小钢板桩锁口间摩擦力。钢板桩可多次插打到位,应尽量按组插打钢板桩。

4)插桩过程中,应做到“插桩正直、分散偏差、有偏即纠、调整合龙”的要点。

5)因钢板桩最后合龙时,尺寸偏差大难以调整合龙,故可制做异形钢板桩来合龙；钢板桩尺寸合适,插下后两边锁口阻力太大,插不到底,需采用倒链滑车辅助下拉。

6)钢板桩围堰开挖后漏水时在围堰内部采用棉絮挤压塞缝进行封堵；钢板桩止口咬合不好涌水,通过堵漏导管在外侧将堵漏调和物下放到需要堵漏上方,将粗砂、锯沫粉、水泥等吸进漏水的钢板桩锁口缝隙中将其填充密实达到止水效果。

4.4 基坑开挖和内支撑安拆

为平衡承台基坑不平衡土压力,钢板桩三干河侧进行加宽3 m土围堰填筑。基坑开挖采用小挖机与长臂挖机配合开挖,坑顶机械设备站位与坑缘净距保证在1.0 m以上,挖出的土方除填筑围堰平衡三干河与国道土压力外,均外弃。

钢板桩基坑支护内支撑设置三道围囹,围囹、对撑和斜撑根据开挖工况由上向下分次安装一次成型。内支撑安装逐道进行验收、报检合格后,进行下步基坑开挖。第三道安装完成,开挖至封底底标高-7.3m,人工进行清底和钢板桩凹槽,浇筑1.3 m封底混凝土。强度达到25%时浇筑承台调平垫层混凝土,周边与钢板桩预留500 mm排水沟槽。

破除桩头,承台第一次2 m混凝土浇筑,待混凝土强度满足后,在2 m位置增设钢管临时支撑并回填土夯实,进行体系转换拆除第三道围囹内支撑,再施工承台第二次3 m混凝土浇筑,移动临时支撑至承台顶部,进行体系转换拆除第二道围囹内支撑,进行墩身施工,最后拆除第一道围囹内支撑和钢板桩。

4.5 基坑组合支护体系应力及变形监控量测

根据组合支护体系计算,安装围囹内支撑体系过程安全风险最高,开挖和安装内支撑交替过程,全站仪进行基坑支护变形观测。完成后采用测量和力学仪器对基坑支护平面、空间变形及内支撑应力等进行监控量测。同时为保证既有G204国道和土围堰安全,需要进行道路沉降变形观测、基坑周边裂纹和沉降观测。定期进行循环数据采集,形成分析数据表,以观测变形速率和趋势,确保基坑支护体系整体安全稳定。

5 结 语

钢管与拉森钢板桩组合深基坑支护施工技术[6]在沪通长江大桥陆域南引桥单建铁路S42号墩上成功应用,充分利用大直径钢管抗弯、井点降水砂层自密、拉森钢板桩止水、内支撑弯拉和轴压力材料特性,形成组合式深基坑支护体系[7-8],大大提升体系的安全性能,且具有施工简便快捷、材料周转性高、场地需要小及机械配备简单等优点,该技术在毗邻重要结构物、偏压构造、深基坑及场地狭小的复杂环境下,优势突显,经济和社会效益显著。