北辰特大桥主墩水中基坑围堰方案设计与计算

刘应雷

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津滨海高新区塘沽海洋科技园新北路3199号 300459)

1 工程概况

京滨铁路三标段的北辰特大桥位于天津市北辰区，起于726号墩(不含)至905号桥台，主桥跨越的主要障碍包括永定新河左堤(跨度60+100+60m连续梁)、永定新河主槽(跨度80+128+80m连续梁和跨度56m简支梁)、永定新河右堤(跨度80m简支拱桥)三部分。其中跨越永定新河主槽的80+128+80m连续梁的墩位号为887～890，由于桥梁跨越永定新河主槽，根据施工季节的水位和河床的纵剖图，888号桥墩位置的水深最大，施工最高水位的高程为+1.5m，承台底面标高-9.4m，高差达10.9m，该墩位的深水承台围堰方案是一个工程难点。

2 基坑围堰方案设计

2.1 围堰形式的选择

888号桥墩承台底距离水面10.9m，再叠加上封底混凝土的厚度(不少于1m)，基坑深度会更大，需要根据深基坑周边环境、基坑位置的地质条件、现有材料等因素来确定基坑支护方式。结合基坑位置土层情况、水深、流速等实际情况，根据施工经验，这样的基坑支护形式经常选择双壁钢围堰的结构。结合该基坑工程实际，针对双壁钢围堰，基于以下3个方面进行分析[1]～[2]：

(1)地质条件问题。由于888号桥墩基坑范围内，土质主要是砂土和粘土，双壁钢围堰借助刃脚切土下沉没有难度，但是土层的参数差别比较大，特别是基坑上下游侧的土质的厚度差异比较大，如果采用双壁钢围堰，则围堰下沉可能会存在不均衡现象，容易在下沉中产生偏斜，施工存在一定的难度。

(2)工期问题。北辰特大桥是京滨铁路的关键性工程，其中跨越永定新河的大跨连续梁更是关键工程的关键所在，工期本来就紧张，由于2020年新冠肺炎的影响，又延误了工期，如果采用双壁钢围堰，需要工厂焊接加工、并运到现场进行分块焊接，接高下沉，委托工厂加工围堰节段时间长，延误工期。

(3)造价和环保问题。如果采用双壁钢围堰结构，围堰内封底混凝土以及深入河床的围堰结构无法回收再利用，一方面增加了造价，另一方面永久埋入土层的围堰体也是对深层土质的污染，于环保不利。

基于以上分析，采用双壁钢围堰结构存在困难。如果采用可回收的拉森钢板桩围堰，由于拉森钢板桩的抗弯刚度太小[1]，而基坑的深度又太大，则需要设置密集复杂的支撑体系，用钢量大且施工麻烦，且密集的内撑体系会导致施工空间狭小，而不宜采用拉森钢板桩做围堰[4]。如果采用大直径的锁口钢管桩结构，由于大直径钢管桩的抗弯刚度更大，施工速度快且能回收再利用，同时还能克服土质条件不均匀(上、下游侧)的影响。但是，锁口钢管桩的锁口位置会存在细小缝隙，止水效果比较差，特别是对于深水结构，由于水头压力大，锁口位置的堵漏也比较困难，锁口位置肯定会出现渗水比较严重的情况。如果采用合理的锁口形式，并解决了锁口位置的渗水问题，则大直径锁口钢管围堰对该基坑非常适用，根据以上分析和比较，最终决定采用大直径的锁口钢管围堰的施工方案，同时对锁扣位置进行特殊处理。

2.2 钢管桩围堰详细方案

经过力学估算，该基坑最终采用了φ630×10mm钢管桩作为支护结构主体，钢材采用Q235，为了提高钢管桩的封水效果，也便于插打作业，对钢管桩的锁口进行了优化设计，锁口形式采用了25a工字钢和方管(200×150×10mm)的结构形式，在方管短边开一细槽，卡入25号工字钢，工字钢、方管与φ630×10mm钢管的连接在施工现场焊接完成，锁口结构如下图所示：

(a)直边锁口(a)Straight side lock

由于在实际排水开挖的基坑的过程中，随着不断的抽水、开挖作业，围堰内外水位高差越来越大，钢管桩锁口的渗水量必然会逐渐增加，虽然可以在锁口位置不断进行堵漏作业，但是随着基坑内抽水作业的进行，当抽水到6m及更深的位置时，锁口位置的渗水现象越来越严重，许多堵漏的材料都被水冲了出来。由于该基坑在排水开挖到坑底位置(封底混凝土的底部)时，基坑内外的水位高差为11.05m，如果不采取应对措施，当开挖到坑底时，水头压力会更大，锁口位置渗水量和渗水的速度都会更大，及时排水非常困难，严重影响封底混凝土的施工和承台的施工。

为了解决这个难题，施工人员采取了特殊的锁口灌浆方式，其施工过程如下：

(1)清孔。当钢管桩围堰施工完成后，即对方管锁口进行清理作业，采用直径3cm的硬塑料导管插入到锁口深处；注入高压水进行清孔作业，将锁口内的泥沙杂物清理干净，清孔的深度必须低于基坑底部至少1m。

(2)插入压浆管和纤维袋。清孔完成后，立即在方管锁口内穿入细长的纤维袋，纤维袋中裹着直径3cm的塑料管，将纤维袋和塑料注浆管插入到锁口内，直至封底位置以下0.9m深度位置。

(3)注浆。纤维袋和塑料管插到位后，即可通过直径3cm的塑料管向纤维袋内注浆，由于纤维袋材料致密，可防止水泥浆漏出，防止水泥浆将锁口粘结在一起，从而导致最后拆除钢管桩困难。由于在施工中采用了这种特殊的锁口注浆处理方式，既实现了有效止水，又避免了锁口被水泥浆粘住而妨碍钢管桩的拔除。

经过综合分析，最终确定围堰的详细方案如下：

(1)围堰的平面尺寸。围堰的作用是创造一个无水空间，来进行承台的施工，围堰的平面尺寸需要根据承台尺寸来确定，北辰特大桥888号桥墩的承台分为两节，下节承台平面尺寸为24.4×19.1m，高度4m，上节平面尺寸16.7×13.1m，高度3m，根据承台的平面尺寸、钢管桩以及锁口尺寸，同时考虑承台的立模空间，最终确定钢管桩围堰的内部净尺寸为26.97×21.45m。

(2)钢管桩长的确定。经过试算，单根钢管桩的总长采用21m，桩顶高出施工最高水位0.5m，桩底嵌入河床10.9m。

(3)围檩体系的布置。围檩体系(腰梁和支撑)共设三层，均采用Q235钢。第一层距桩顶1.0m，往下每隔3m设置一层围檩体系，围檩体系采用双榀“I40b”腰梁、φ600×10mm支撑钢管构成，支撑钢管共8道角撑、2道对撑。

(4)坑底混凝土垫层厚度。在开挖基坑至承台底面以下0.15m位置时，浇筑0.15m厚度的混凝土垫层。锁口钢管桩围堰的结构如图2所示。

(a)平面(a)Plane

3 支护结构计算与分析

3.1 计算工况分析

支护计算必须根据施工过程进行，首先需要明确施工工艺。

(1)插打钢管桩。采用QUY75履带吊配合振动打桩锤辅助下沉，直到一圈的钢管桩全部插打完成。

(2)对锁口进行灌浆处理，防止水渗漏。

(3)第一层围檩安装。第一层围檩位于河床面以上，直接在围堰内抽水到第一层围檩中心线以下0.5m处，施工第一层围檩体系。

(4)第二、三层围檩安装。第一层围檩施工完成后，然后继续抽水，抽水到河床位置后，边开挖河床边排水，直到相应的二、三层围檩下0.5m位置，施工相应的围檩体系。

(5)混凝土垫层施工。三层围檩体系施工完成后，继续开挖、排水直到坑底(标高为-9.550m)位置，然后就可以浇筑15cm的素混凝土垫层了。

根据以上施工流程，显然各个围檩位置对应的工况有如下4个：

(1)抽水至桩顶1.5m位置，设置第一层围檩体系。

(2)抽水、开挖河床至距离钢管桩顶4.5m处，设置第二层围檩体系。

(3)继续开挖、排水至距离钢管桩顶顶7.5m处，设置第三层围檩体系。

(4)继续开挖、排水至坑底(距离钢管桩顶11.55m)位置。

3.2 围堰强度和变形计算

围堰采用同济大学开发的启明星软件进行。按照单元法计算，计算单根钢管桩的受力，采用梁单元计算，承受的荷载为钢管桩坑外一侧的水、土压力，根据输入各个土层的容重、粘聚力和内摩擦角等参数，启明星软件可自动计算。

桩的边界条件包括两部分，一是深入河床以下部分坑内土对桩约束，按照土弹簧模拟，软件可以根据土层参数自动计算弹簧刚度；另一个是围檩位置对钢管桩的弹性约束，根据输入的内撑钢管的截面参数、水平间距，软件亦可自动计算弹性约束的刚度。由于对撑杆和角撑杆的水平间距大小并不相等，偏于安全，取最大间距值。虽然一般情况下，工况(4)是最不利工况，但是为了全面反应围堰结构体系的受力，以下给出所有工况下内力和位移的最大值，即包络图，如图3所示。

此外，为了计算钢管内撑的受力，就需要计算围堰各道支撑的反力，根据施工工序，整个施工过程中3层内撑的最大、最小反力也由同济启明星软件计算得出，各层内撑的反力计算结果如下表1所示。

表1 围堰内撑反力计算结果Tab.1 Calculation results of internal bracing reaction of cofferdam

根据图3中的最大弯矩标准值：219.5kN·m，按照极限状态法考虑1.25的设计系数为274.3kN·m，根据钢管的截面模量2972cm3，计算钢管桩边缘的最大应力为92.3MPa小于215MPa，满足要求。其最大位移12.4mm小于坑深(水面距离坑底11.05m)的2‰(22.1mm)，也满足要求。

钢管的稳定性进行计算，由于对撑钢管长度最大，因而其长细比最大，最容易失稳，故只计算对撑钢管的稳定性即可。根据表1的反力最大值255.6kN/m，结合对撑钢管的间距3.2m，得到对撑钢管的轴向力为818kN，根据极限状态法需考虑1.25的系数，并且考虑4cm的初始偏心，按照偏心受压构件计算钢管受力，并考虑稳定系数φ，计算得到钢管的最大应力158.3MPa，小于215MPa，满足要求。

3.3 围堰整体稳定计算

围堰除了满足强度和变形以外，还必须保证有足够的稳定性。对于钢围堰，其整体失稳的发生是当开挖至最深深度时，尚未浇筑封底混凝土，此时在基坑外侧土压力的作用下，坑外土体和坑内土体内可能产生一个贯通的滑移面，钢管桩和土体会沿着整个滑移面产生滑移，从而导致整个支护结构失效。同济启明星软件采用瑞典分条法计算最不利工况下的滑移面，即在浇筑垫层混凝土之前(坑底标高-9.55m)，桩体抗滑考虑方式为滑面绕桩，同时计算得到滑移面对应的半径和圆心，其计算结果如下图4所示。

图4 围堰整体稳定计算Fig.4 Calculation of overall stability of cofferdam

根据图4的计算结果，滑动滑弧的圆心(2.63m，-0.00m)，半径：21.20m，起点坐标为(-18.57m，0.00m)，终点(20.72m,11.05m)，拱高比0.758；下滑力：1776.23kN/m；土体的抗滑力：3724.86kN/m，计算得到的安全系数：2.10大于1.2，满足要求。

3.4 坑底抗隆起(圆弧滑动)计算

在混凝土垫层浇筑之前，还应该考虑防止水位落差的作用下，防止坑底隆起，即坑底的土体产生突然的涌起，类似于涌沙现象，也会产生一个滑移面，导致围堰失效，因此需要进行抗隆起计算。滑弧中心为最下道支撑，滑弧位置通过钢管桩的桩尖。启明星软件按照总应力法计算，其计算结果如下图5所示。

图5 围堰抗隆起计算Fig.5 calculation of cofferdam uplift resistance

根据图5的计算结果，下滑力：1303.4kN/m，抗滑力：3355.0kN/m，每延米抗滑力：49.6kN/m，安全系数：2.61，超过了容许的安全系数1.9，满足要求。

4 结论

结合北辰特大桥主墩深基坑的地质条件和工期等因素，通过对比双壁钢围堰，最终选择了大直径锁口钢管桩作为基坑的支护结构，并且对锁口位置进行了特殊工艺的灌浆处理，起到了锁口封水的效果，实践表明，围堰锁口渗水量极少；造价方面，经过预算比较，相比双壁钢围堰方案，节约了至少12万元的费用。此外，经过启明星基坑专业计算软件的计算，钢管桩围堰结构的强度、刚度和稳定均满足要求。

目前，承台施工已经完成，施工过程中新型锁口止水效果良好，施工中实测钢管桩位移为10.6mm，与计算值12.4mm的数值吻合度很高，这表明软件的模拟计算能够反映钢管桩围堰实际的工作状态。