桥梁大修工程深基坑支护的设计与运用

周外平 中国铁路上海局集团有限公司工务部

1 引言

基坑工程在建筑行业内属于高风险的技术领域，全国各地基坑工程事故发生率虽然逐年减少，但仍不断出现。不合理的设计与低劣的施工质量是造成这些基坑事故的主要原因。近几年来，基坑工程在临近铁路营业线施工中大量存在，减少桥梁大修基坑工程对既有线运营影响，避免安全事故发生，确保运输安全是工务部门需要面对的问题。因此，安全、合理的选择基坑支护结构，并根据基坑工程的特点进行科学设计是基坑工程要解决的首要问题。本文就桥梁大修工程深基坑支护的设计与运用进行探讨。

2 工程概况

图1 地质资料及基坑断面示意图

合九线某特大桥由46-Lp=16 m先张法预应力砼梁及8-Lp=32 m后张法预应力砼梁组成，全桥共计55个墩台，双柱式轻型墩，基础采用扩大基础或沉井基础。现该桥墩顶横向振幅超限，继续发展将影响桥梁稳定，危及行车安全。经研究决定对相关桥墩及基础进行包箍加固，施工前须对基础进行开挖。本文以#4墩为例进行设计，地面标高20.5 m，基础底标高13.5 m，二级扩大基础，基坑开挖面标高15.5 m，开挖深度5 m，开挖平面尺寸为7.5 m×5.0 m。基坑安全等级为一级。地质资料及基坑断面如图1所示。

3 深基坑支护方案比选

目前常见的基坑支护类型主要可以分为下述四大类：

（1）放坡开挖及简易支护

放坡开挖及简易支护的形式主要有：放坡开挖；放坡开挖为主，辅以坡脚采用短桩、隔板或其他简易支护；放坡开挖为主，辅以喷锚网加固。

（2）加固边坡土体形成自立式支护

对基坑边坡土体进行土质改良或加固，形成自立式支护。包括：水泥土重力式支护结构；各类加筋水泥土墙支护结构；土钉墙支护结构；复合土钉墙支护结构；冻结法支护结构。

（3）挡墙式支护结构

挡墙式支护结构又可分为悬臂式挡墙支护结构、内撑式挡墙支护结构和锚拉式挡墙支护结构。挡墙式支护结构常见形式有：排桩墙、地下连续墙、板桩墙。其中排桩墙常见的桩型有钻孔灌注桩、沉管灌注桩、预制桩等。

（4）其他形式支护结构

其他形式支护结构常用形式有：坑壁喷射混凝土、门架式支护结构、重力式门架支护结构、拱式组合型支护结构、沉井支护结构等。

综上所述，根据工程地质与工程造价情况，结合桥梁大修工程“短、平、快”的特点，决定对#4墩基坑开挖采用钢板桩挡墙式支护结构。钢板桩选用Ⅳ型400×170拉森钢板桩。钢板桩组合截面宽度800 mm，高度340 mm，截面面积193.98 cm2，组合截面惯性矩I=30 880 cm4，抵抗矩W=30 880/17=1 816 cm3，Q235钢材强度设计值f=215 MPa。

4 钢板桩设计计算

4.1 土压力与桩长计算

根据《土力学与基础工程》中朗金土压力理论，单位墙长主动土压力与被动土压力计算公式如下所示。为便于计算，忽略粘性土粘聚力C引起的负压力，令C=0，然后利用土压力理论计算公式来计算钢板桩最小入土深度。

Ka—主动土压力系数

Kp—被动土压力系数

α—土的内摩擦角，r—土的重度，H—计算土层厚度；

以下分别按设支撑土压力计算模型（见图2）和不设支撑土压力计算模型（见图3）计算钢板桩最小入土深度，方便后面桩长设计选用对比：

图2 （设支撑）桩长及土压力计算模型

图3 （不设支撑）桩长及土压力计算模型

4.1.1 设支撑及围檩最小桩长计算

按照设支撑桩长及土压力计算模型（见图2），为使钢板桩保持稳定，在A点力矩等于0，即得：

土层的容重r、内摩擦角α和粘聚力c按土层分布加权平均计算。

将以上数据代入上式中，得：

通过解一元三次方程可得最小入土深度a=3.12 m，所得钢板桩总长为5+3.12=8.12 m，按9 m桩长设计。

4.1.2 不设支撑及围檩最小桩长计算按照不设支撑桩长及土压力计算模型（见图3），为使钢板桩保持稳定，在C点力矩等于0，即得：

同4.1.1计算一样，将r平均、α平均、Ka、Kp、Ea、Ep等数据代入上式中，得：

解一元三次方程可得最小入土深度a=6.83 m，所得钢板桩总长为5+6.83=11.83 m，按12 m桩长设计。

4.1.3 支护方案确定

综合对比上述两种计算结果，设支撑及围檩时桩长只需9 m，不设支撑及围檩时桩长需12 m。考虑钢板桩过长时，容易发生沉入困难，不利于施工顺利进行。且桩长过大，打桩机具在下沉作业时易侵入铁路安全限界，不宜采用，故选择9 m拉森钢板桩支护并设置围檩及支撑是合理的，按第一种方案进行设计。围檩及支撑参考《深基坑支护技术指南》常用规格技术参数表，考虑控制支护结构桩顶变形，按两层设置，每层设四个角撑及两道对撑，选用HW200×200型钢。

4.2 基坑抗倾覆及稳定性验算

支护方案初步确定好后，还需对围护结构变形、基坑抗倾覆及稳定性进行验算，确保结构安全，防止基坑失稳。运用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件FRWS计算分析，分别按照①开挖到1.5 m②在0 m处加撑③开挖到3.5 m④在2.5 m处加撑⑤开挖到基底5.0 m共计五种工况进行内力分析及稳定性验算。工况示意图如图4所示：

图4 工况示意图

启明星建模按照基坑开挖深度5 m，一级基坑，水位埋深位于地面及各开挖面0.5 m以下。钢板桩嵌入深度3.8 m，桩顶高出地面长度0.2 m，选用Ⅳ型400×170拉森钢板桩，Q235钢材，另在基坑深度0 m、2.5 m处分别加撑。地面附加荷载按20 kPa进行设置。建模示意图如图5所示：

图5 启明星建模示意图

4.2.1变形内力

图6 变形内力包络图

查阅计算分析资料可知，五种工况变形内力包络图如图6所示。桩顶最大位移为7.3 mm，最大弯矩为33.8 kN·m，最大剪力为29.4 kN，支撑承受最大反力为53 kN/m。钢材强度计算如下：

其中r0为重要性系数，取1.1。经计算钢材强度满足要求。

4.2.2 整体稳定验算（取工况5）

在工况5基坑开挖到底部时，整体稳定安全系数K=1.96＞1.35，满足《建筑基坑支护技术规程》要求。计算简图如图7所示。

图7 整体稳定验算计算简图

4.2.3 抗倾覆验算（取工况5）

在工况5基坑开挖到底部时，基坑抗倾覆安全系数K=1.46＞1.25，满足《建筑基坑支护技术规程》要求。计算简图如图8所示。

图8 抗倾覆验算计算简图

5 实施效果及建议

经现场实践证明，本项目钢板桩支护结构安全可靠，效果良好。通过本次施工，针对深基坑支护工程，我们有以下建议：

（1）基坑工程施工前必须认真搜集工程地质情况，查阅竣工图纸有关资料，必要时进行现场地质钻探。资料搜集完成后，仔细分析项目特点及所处场地环境，从而选择出最佳基坑支护方案。

（2）施工过程中必须加强基坑及桥墩基础沉降位移监测，做好应急预案，避免突发事故的发生，确保基坑施工及铁路运营安全稳定。

（3）基坑支护钢板桩施工尽量避免雨季或其他不利于施工安全的时间进行。对于雨季等特殊季节基坑支护施工，必须做好基坑内的排水、降水工作，防止软弱土层地段遇水浸泡，降低土体抗剪能力，从而导致坍塌。同时尽量避免在基坑四周堆放开挖土方。

（4）基坑开挖发生坑底隆起或钢板桩支护发生较大变形时，应迅速停止施工，必要时回填土或碎石于坑内，并加强铁路桥墩及基础的沉降变形观测，观察状况有无进一步发展，再确定下一步措施。

（5）钢板桩入土经验深度一般为桩长1/3～1/2，为确保支护体系不发生倾覆，必要时进行桩长计算。对批量桥墩基础开挖时采用跳墩法施工，减少整体开挖过大对桥梁稳定造成影响。

6 结束语

基坑支护结构的选择必须遵循“安全、环保、经济、适用”的基本原则。钢板桩作为一种实用性强，简易方便且较为经济的基坑支护方式，在现实施工中经常运用。对于部分短平快桥梁大修项目涉及到的基坑工程，特别是位于淤泥、流砂、粉砂土等地质条件项目，可优先选择钢板桩进行支护，以便有效缩短工期和造价。同时，对于一些位于困难地质条件，如含有砾石、岩层等坚硬土层的项目，钢板桩下沉困难，则应合理变通，考虑改用其他支护方式。如合九线另一处桥梁大修项目的基坑开挖支护，因地质条件导致钢板桩不易贯入，后来选择沉井来进行基坑防护。因此，在平时工作中，我们还需不断总结学习，因地制宜，有针对性地解决好每一个基坑支护问题。