大深基坑鋼板樁圍堰施工設計驗算

王少鵬，屈永強

(1.江西省公路工程有限公司；2.江西交通職業(yè)技術學院)

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大深基坑鋼板樁圍堰施工設計驗算

王少鵬1，屈永強2

(1.江西省公路工程有限公司；2.江西交通職業(yè)技術學院)

大深基坑鋼板樁圍堰施工中，鋼板樁圍堰的設計不僅關系橋梁的質量，同時直接影響施工人員的生命安全。工程實踐中有大量的案例均由于鋼板樁圍堰的設計缺陷導致施工過程中出現重大安全事故，給社會造成重大的財產和人員損失。 依托杭州蕭山機場公路改建工程實例，介紹了運用Midas Civil 空間有限元軟件對大深基坑鋼板樁圍堰施工的設計驗算。

大深基坑；圍堰；模型分析；設計；Midas Civil

1.1 工程概況

杭州蕭山機場公路改建工程起點樁號K0+886.521為原錢塘江三橋收費站向西北延伸887 m，路線走向與原機場公路一致，終點為杭州蕭山國際機場大門，全長約19.55 km，其中高速公路高架橋長約14.6 km，全線設互通立交7處。

1.2 工程所在區(qū)域地質、水文

互通區(qū)淺部地層為灰色、灰黃色粉土、粉砂，稍密-中密，一般厚約9.2～18.3 m，中部為海積流塑淤泥質土，厚度約4.6～14.9 m，具層理，見貝殼，夾薄層粉土、粉砂；其下為可塑-硬塑狀灰綠色-灰黃色粉質粘土；中下部為灰色、灰黃色礫石，中密～密實，埋深32.1～59.4 m，厚度大，一般在1.9～27.8 m。

深基坑開挖位于淺表部地層，為灰色、稍密粉土，圖紙較均一、切面粗糙，搖震反應迅速，干強度、韌性低，局部含少量粉砂及粘性土，見云母碎屑。頂板埋深0.3～15 m，厚度0.7～17 m；地基承載力基本容許值100～120 kPa。工程地質性質一般，易液化。

2 大深基坑概況

2.1 大深基坑概況

本工程深基坑施工分為承臺基坑及管線深基坑，基中陸上承臺深基坑7個，水中承臺一個，最大開挖深度6.5 m；管線長度約0.879 km，擬分段施工，每段50 m，管線基坑設計寬度2.7～3.5 m，設計開挖深度最大7.4 m。安全等級一級。

(1)陸上開挖深度>5 m承臺深基坑

表1 開挖深度>5 m承臺深基坑表

(2)水中承臺深基坑

表2 水中承臺深基坑表

2.2 基坑支護及開施工方法

(1)井點降水

本項目地下水位較高，承臺處土質為粉土。根據附近基礎施工的經驗，本區(qū)域基礎施工基坑開挖采用井點降水位施工效果較好。

(2)鋼板樁

施工工序：放線定位→鋼板樁定位→打鋼板樁→安裝井點降水→安裝內支撐→挖土→雨水管基礎墊層砼施工→雨水管施工→基坑回填土→拆除內支撐→拔除鋼板樁

(3)基坑開挖

待地下水水位下降至距基底0.5～1.0 m后進行基坑開挖，在開挖前根據圖紙設計計算出承臺中心點及角點坐標并進行現場施工放樣，并測量承臺位地面高程，計算出基坑實際開挖深度。

在基坑開挖線以外5 m處設置縱橫向相通的截水溝將地表水排入天然水溝，并由專人負責排除基坑頂面積水，嚴禁積水浸泡基坑。

(1)基坑開挖配備二臺挖掘機，采取分層分段對稱進行，在開挖過程中掌握好“分層、分步、對稱、平衡、限時”五個要點，遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的施工原則。

(2)在基坑開挖過程中先掏槽50 cm，安裝第一道鋼圍檁、架設鋼支撐，以盡早對圍護結構進行支撐。當開挖至3 m深時，安裝第二層支撐，開挖到5.5 m時，安裝第三層鋼支撐。

基底以上30 cm采用人工突擊開挖(人工開挖前，應在每道鋼支撐位置設置人員上下通道。遇緊急情況時，可作為逃生通道，確保人員安全。)，嚴格控制最后一次開挖，嚴禁超挖。

(3)分段開挖兩端設截流溝和排水溝，滲水及雨水及時泵抽排走。雨季備足排水設備，做好預警工作，確?；影踩?/p>

(4)開挖過程中，按既定的監(jiān)測方案對基坑及周圍環(huán)境進行監(jiān)測，以反饋信息指導施工。

3 鋼板樁圍堰施工設計驗算

本項目鋼板樁圍堰有三種，分別的陸上主墩深基坑、以及七甲河內的主線55#深基坑。鋼板樁采用拉森SP-IV型。由于陸上鋼板樁圍堰類型一致，支撐型式也類似，所以僅計算七甲河內主線橋55#墩鋼板樁圍堰。

3.1 七甲河內主線橋55#墩鋼板樁圍堰

主線橋55#墩，位于七甲河道內，七甲河現狀水位標高為3.8 m，根據調查七甲河河面寬約20 m，最高水位標高為4.4 m，最低河床標高為+1 m，水深為3.4 m(最高水位時),水流速度緩慢，基本無沖刷。根據設計，深基坑底標高為-2 m，則高水位至深基坑底高為6.4 m。深基坑一半位于岸上，一邊位于河內，因此需采用鋼板樁支護和井點降水。鋼板樁采用德國Larssen型鋼板樁(IV)，選用鋼板樁長度12 m。施工時先將深基坑位置的水域用土袋堆筑圍堰，并用挖機在堰內清淤后，及時在圍堰內填入粘性砂土并夯實，然后在填筑的土島內施打鋼板樁。

3.2 已知設計資料

(1)樁頂高程H1：5.0 m。

(2)地面標高H0：4.5 m；基坑底標高H3：-2 m；開挖深度H：6.5 m。

(3)坑內、外土的天然容重、r1為：19.1 kN/m3；內摩擦角Φ=；粘聚力C：10 kPa。

(4)地面荷載q=20 kN/m2。

(5)鋼板樁參數A=245.5 cm2，W=2 270 cm3，[δ]=200 MPa，擬選用鋼板樁長度12 m(復核計算后更換成15 m)。

3.3 鋼板樁圍堰計算復核

(1)本鋼板樁長初步驗算

本鋼板樁長初步擬定為12 m，鋼板樁入土深度5 m，基坑挖深6.5 m，其中設二層鋼管支撐。經計算主動土地壓力作用力矩m1=439.3×(6.5+0.28)=2 978.45發(fā)kN·m被動土壓力作用力矩m2=867.225×(5-1.67-0.28)=2 645 kN·m2

(2)改換成15 m鋼板樁入土深度計算復核

鋼板樁入土深度8 m，基坑挖深6.5 m，其中設二層鋼管支撐。經計算主動土地壓力作用力矩m1=681.6×(4.8+0.021)=3 285.99 N·m被動土壓力作用力矩m2=2 133.53×(8-2.67-0.021)=11 326.9 kN·m。

m2>m1,入土深度夠。

結論：換成15m鋼板樁后入土深度滿足要

3.4 鋼板樁支撐計算

本鋼板樁長初步擬定為15 m，鋼板樁入土深度8 m，基坑挖深6.5 m，其中設二層鋼管支撐。取1 m為計算單元進行驗算。

(1)鋼板樁計算模型

鋼板樁檢算時一個完整鋼板樁及其兩側半個鋼板樁為一單元，寬度1.2 m，采用水土合算。使用Midas Civil軟件進行計算分析。

(2)模型分析

鋼板樁插打完畢，埋深點以下基本不受力，故在埋深點位置設全約束，鋼管圍囹處設置一約束。土壓力為0點處往下按節(jié)點彈性支撐。

則最大應力σ=159/2 270×1 000=70 MPa<[σ]=195 MPa，符合要求。

經過Midas Civil軟件計算，得到鋼板樁應力及變形的最大位移f=1.7 mm<[f]=3 500/150=23 mm，滿足要求。經過Midas Civil軟件計算，得到鋼板樁反力。圍囹處的支反力為：81.8 kN,位于第二道支撐內。

3.5 圍囹結構模型分析

圍囹采用兩根I32B工字鋼并排使用，對口撐鋼管采用Φ299×5。

根據鋼板樁圍堰分板計算，每米圍囹的支反力為81.8 kN，則圍囹的荷載為81.8 kN/m。

型鋼圍囹模型分析。根據計算分析：圍囹最大彎矩為187 kN·m根據計算分析：圍囹桿件最大應力為49 MPa<[σ]=195 MPa，符合要求。最大位移f=4.8 mm<[f]=2 600/150=17 mm，滿足要求。

4 結束語

介紹了大深基坑鋼板樁圍堰施工的施工工藝和施工方法，并運用Midas Civil 空間有限元軟件對大深基坑鋼板樁圍堰中鋼板樁支撐、圍囹結構進行了數值模擬，最終確保了施工階段鋼板樁圍堰結構的安全性和可靠性，為大深基坑鋼板樁圍堰工程施工設計提供了一種新的思路。

目前杭州蕭山機場公路改建工程已順利施工完成。實踐證明Midas Civil 空間有限元軟件對大深基坑鋼板樁圍堰工程施工設計的成功，為以后同類工程的施工積累了保貴的經驗。

[1] 路橋涵施工技術規(guī)范(TG/T F50-2011)[S].

[2] 周水興.路橋施工計算手冊[M].

[3] 黃紹金，劉陌生.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].

[4] 葛俊穎，等.橋梁工程軟件midas CIVIL使用指南[M].

2015-07-11

王少鵬(1980-)，男，從事橋梁隧道工程施工工作。

1 工程概況

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1008-3383(2015)11-0121-02