杜 強(qiáng) 汪春桃 徐春明 陳小浩 王 亮

(中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 南京 210014)

緯七路橋梁橫跨南京市外秦淮河，鋼板樁圍堰針對連續(xù)梁橋9號墩，位于秦淮河中，圍堰選用單壁鋼板樁+內(nèi)支撐施工，平面尺寸為83.3 m×16.9 m，長邊與水流方向一致。9號墩由C，A，J，B，D線共5個(gè)橋墩基礎(chǔ)組成，共計(jì)5個(gè)承臺(tái)，承臺(tái)下設(shè)有50 cm素混凝土墊層?？傮w地形呈東高西低，所處位置河流總體呈南北走向，東側(cè)河床底標(biāo)高6.74 m，西側(cè)河床底標(biāo)高3.63 m，水深1～3 m。

本文以緯七路橋梁9號橋墩鋼板樁圍堰為工程背景，著重介紹涉水鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)情況，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行不同工況下對比分析，為類似工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

1.1 水文條件

擬建橋區(qū)范圍內(nèi)地表水系主要為外秦淮河，勘察期間秦淮河水位6.95～7.20 m，水深1～3 m，外秦淮河水位受上游及下游河流水位、人工港灌排調(diào)節(jié)影響，常年水位變化一般不大。本工程圍堰基坑及墩柱施工在3-5月份施工，一般水位為7.2 m，設(shè)計(jì)水位為8.5 m。

1.2 場地地質(zhì)條件

9號橋墩處工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

①a淤泥 ③-1粉質(zhì)黏土

②-1粉質(zhì)黏土夾粉土 ③-2a粉質(zhì)黏土夾黏土

②-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土 ③-2粉質(zhì)黏土夾粉土

③-4a粉質(zhì)黏土 ⑤-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖

④粉質(zhì)黏土泥 ⑤-2a中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖

卵礫石、中粗砂 ⑤-3微風(fēng)化泥粉砂巖

圖1 9號橋墩工程地質(zhì)剖面圖(單位：m)

擬建場區(qū)屬秦淮河漫灘地貌單元，工程范圍內(nèi)表層分布①填土；②-1層、②-2a層性質(zhì)一般；②-2層屬軟土層，性質(zhì)差；③～④層土性質(zhì)較好。⑤層為基巖，強(qiáng)度一般～較高。

1.3 本工程鋼板樁圍堰特點(diǎn)

目前鋼板樁圍堰施工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于涉水橋梁墩柱施工中，且技術(shù)已經(jīng)十分成熟[1，2]。工程設(shè)計(jì)中，主要關(guān)注鋼板樁的插入深度、內(nèi)力、變形控制[3-5]，本工程區(qū)別一般工程的主要特點(diǎn)是：

1) 鋼板樁圍堰平面呈長方形，順流方向長，長邊中部容易產(chǎn)生較大變形。

2) 沿圍堰橫向河床頂面起伏較大，具有約3 m的高差，對側(cè)鋼板樁所受水土壓力不對稱。

針對以上特點(diǎn)，對于圍堰尺寸引起的變形問題可以通過優(yōu)化土方開挖順序、及時(shí)布設(shè)剛支撐增加局部穩(wěn)定等措施進(jìn)行控制；對于河床起伏較大問題，選擇水中筑島方式解決。

2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合場地地質(zhì)條件、水位、承臺(tái)位置、標(biāo)高及尺寸、施工作業(yè)面等因素，圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2、圖3。

圖2 鋼板樁圍堰平面布置圖(單位：m)

圖3 鋼板樁圍堰布置圖(單位：高程，m；尺寸，mm)

鋼板樁圍堰平面尺寸83.3 m×16.9 m，鋼板樁樁長18 m，樁端位于③-1粉質(zhì)粘土層，頂標(biāo)高+9.0 m；設(shè)3道內(nèi)支撐，采用直徑630 mm×壁厚12 mm鋼管支撐，其中第3道支撐為臨時(shí)支撐；圍檁主梁第1道采用2H588×300型鋼梁、第2道及第3道采用3H588×300型鋼梁；坑底插入木樁、干封澆筑50 cm混凝土墊層。

鋼板樁采用拉森IV W型，參數(shù)如表1所示。

表1 鋼板樁性能參數(shù)表

2.2 鋼板樁圍堰總體施工方案

在河中先填土形成筑島平臺(tái)，在其上插打圍堰外側(cè)鋼板樁，插打順序自外側(cè)上游角樁沿順時(shí)針和逆時(shí)針同步插打至內(nèi)側(cè)下游角樁處合龍，安裝第一道圍檁和支撐，圍堰內(nèi)填土至+9 m，旋挖鉆在圍堰內(nèi)筑島平臺(tái)上施工鉆孔樁。鉆孔樁施工完，小型挖機(jī)配合長臂挖機(jī)分層開挖圍堰基坑內(nèi)土，及時(shí)抽水，挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高以下0.5 m安裝各道圍檁支撐，挖至設(shè)計(jì)基坑底標(biāo)高后，及時(shí)澆筑干封墊層混凝土，混凝土達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第3道臨時(shí)支撐，然后施工承臺(tái)、墩身，最后依次拆除各道圍檁、支撐及鋼板樁。

2.3 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

9號橋墩鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為二級，作用在鋼板樁圍堰外側(cè)的土壓力采用朗肯主動(dòng)土壓力，圍堰內(nèi)側(cè)的土壓力采用朗肯被動(dòng)土壓力[6-7]，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法采用增量法[8]，外荷載相當(dāng)于前一個(gè)施工階段完成后的荷載增量，支承由支撐彈性作用和地層彈性作用組成。求得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力相當(dāng)于前一個(gè)施工階段完成后的增量，當(dāng)墻體剛度不發(fā)生變化時(shí)，與前一個(gè)施工階段完成后的墻體已產(chǎn)生的位移和內(nèi)力疊加，可得到當(dāng)前施工階段完成后體系的實(shí)際位移和內(nèi)力。

2.3.1基本計(jì)算參數(shù)

依據(jù)工程地質(zhì)勘察資料及場地處置情況，鋼板樁圍堰深度內(nèi)主要土層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 土層特性參數(shù)表

2.3.2計(jì)算工況劃分

依據(jù)鋼板樁圍堰的總體施工工序，將主要工況劃分如下(鋼支撐均不預(yù)加軸力)。

工況1。下挖深度1.5 m，并架設(shè)首道鋼支撐。

工況2。下挖至深度5.8 m，并架設(shè)二道鋼支撐。

工況3。下挖至深度8.3 m，架設(shè)三道鋼支撐。

工況4。下挖至深度10.3 m，混凝土墊層封底。

2.3.3圍堰的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算的工序按照上節(jié)所述工況進(jìn)行劃分，按照不利原則，選取基坑中部CX02測斜孔位置作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析，見圖4。

圖4 鋼板樁圍堰各工況下計(jì)算結(jié)果

由圖4可見，隨著圍堰挖深增加，最大深層水平位移和最大彎矩的位置逐步下移，最大彎矩與最大水平位移的高程關(guān)系相對應(yīng)。從彎矩和水平位移的量值增加角度分析，當(dāng)圍堰挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)為最危險(xiǎn)工況。此時(shí)，最大水平位移為53.02 mm，高程為-0.3 m，即坑底開挖面以上1.0 m，最大彎矩值為376.38 kN·m，高程為-1.3 m，即開挖面位置。從工況4彎矩圖的形狀分布角度分析，由于受到鋼支撐軸向約束，彎矩分布曲線出現(xiàn)明顯反彎點(diǎn)，縮短鋼板樁計(jì)算跨距，從而降低了鋼板樁的應(yīng)力，類似分段受均布荷載的簡支梁彎矩分布曲線[9]。

鋼支撐軸力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各工況下支撐軸力計(jì)算結(jié)果匯總表

由表3可見，全部3層支撐的受力峰值較為接近，分別在各下層支撐未架設(shè)之前達(dá)到峰值，由此可見，每層剛支撐架設(shè)是下一層土方開挖的前提條件；另外，1層支撐隨著基坑開挖深度的增加，支撐軸力呈減小趨勢，總體呈受壓狀態(tài)；2層支撐與1層支撐出現(xiàn)了同樣的量值變化規(guī)律；3層支撐在全部支撐中受力最大，主要是隨著基坑開挖深度的增加，鋼板樁外側(cè)的土壓力合力作用點(diǎn)隨之下移，故3層支撐對鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定控制非常重要，因此在圍堰墊層混凝土澆筑后，未達(dá)到混凝土強(qiáng)度時(shí)，原則上不允許換撐或拆除3層支撐。

3 鋼板樁圍堰監(jiān)測

3.1 監(jiān)測內(nèi)容和方法

鋼板樁圍堰基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)[10-11]，鋼板樁自身剛度相對于其他剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)較弱，如灌注樁、地連墻等。鋼板樁在支護(hù)體系中的主要作用是擋土和防水，兩側(cè)水土壓力通過鋼板樁傳遞至鋼圍檁，再傳至內(nèi)支撐，最終由內(nèi)支撐消耗。由于力的傳遞路徑和鋼板樁自身特點(diǎn)，對于鋼板樁+內(nèi)支撐的支護(hù)體系，監(jiān)測重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)視鋼板樁自身的變形和內(nèi)支撐體系受力情況，由二者變化的累計(jì)量和變化速率分析評估圍堰基坑的整體穩(wěn)定情況。

依據(jù)上述分析，對9號橋墩鋼板樁圍堰的監(jiān)測內(nèi)容重點(diǎn)為鋼板樁變形和支撐軸力監(jiān)測。鋼板樁變形主要以設(shè)置測斜孔的方式對鋼板樁深度范圍變形進(jìn)行監(jiān)測，另外以鋼板樁頂水平位移作為輔助；由于剛支撐與圍檁采用焊接方式連接，支撐軸力監(jiān)測用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行替代。主要監(jiān)測點(diǎn)布置見圖2。

測斜孔沿圍堰長邊各布置3孔，共計(jì)6孔，間距約25 m，與樁同深，布設(shè)位置為距樁外側(cè)0.5 m位置；樁頂與測斜孔同位置布設(shè)樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)，共計(jì)6點(diǎn)，監(jiān)測元器件為萊卡小棱鏡；支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)每層5點(diǎn)，每點(diǎn)布設(shè)2個(gè)應(yīng)變計(jì)，共計(jì)30個(gè)應(yīng)變計(jì)。

3.2 監(jiān)測結(jié)果

9號橋墩鋼板樁圍堰監(jiān)測從鋼板樁打設(shè)完成開始，至承臺(tái)澆筑完成后結(jié)束，歷時(shí)3個(gè)月。

測斜孔埋設(shè)時(shí)間為鋼板樁打設(shè)結(jié)束后，圍堰開挖前，支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)與支撐架設(shè)同步完成。

3.2.1鋼板樁深層水平位移監(jiān)測

鋼板樁深層水平位移監(jiān)測孔選擇與設(shè)計(jì)斷面相對應(yīng)位置，即圖2中CX02監(jiān)測孔，監(jiān)測工況與設(shè)計(jì)工況相對應(yīng)，增加工況5為墊層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除3層支撐后的工況。CX02測斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 鋼板樁深層水平位移與曲率監(jiān)測結(jié)果

由圖5可以看出，鋼板樁最大水平位移位置隨開挖深度增加呈下移趨勢，基本在開挖面附近。在開挖初期(工況1、2)，架設(shè)1層支撐，樁頂約束明顯，鋼板樁受土壓力作用曲率變化較為均勻；隨著挖深增加、鋼支撐架設(shè)(工況3、4)，鋼板樁所受外側(cè)土壓力增加，向坑內(nèi)產(chǎn)生位移，受到2、3層支撐作用，鋼板樁柔性結(jié)構(gòu)的特性展現(xiàn)出來，在有支撐作用的位置，變形明顯受到約束，曲率產(chǎn)生較大波動(dòng)。當(dāng)墊層混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并拆除3層支撐時(shí)(工況5)，鋼板樁向坑內(nèi)有輕微的位移，最大約5 mm，位于墊層以下1 m深度范圍內(nèi)，說明墊層對鋼板樁亦起到了橫向支撐的作用。

另外，鋼板樁在不同深度的實(shí)際水平位移受支點(diǎn)約束明顯，與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果存在一定差異，即在鋼支撐作用位置水平位移明顯受限。

3.2.2支撐軸力監(jiān)測

為方便進(jìn)行支撐軸力數(shù)據(jù)對比，軸力監(jiān)測點(diǎn)選取與測斜管CX02相對應(yīng)的監(jiān)測斷面進(jìn)行分析，即鋼板樁圍堰長邊中部，支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。

表4 各工況下支撐軸力實(shí)測數(shù)據(jù)匯總表

對比表3和表4可以發(fā)現(xiàn)，鋼支撐軸力值在各工況下總體的變化趨勢上，計(jì)算值與實(shí)測值的變化規(guī)律基本一致，即當(dāng)支撐布設(shè)之后，挖至下層支撐標(biāo)高以下0.5 m位置時(shí)，出現(xiàn)了軸力的峰值。但1、2層支撐軸力峰值均較計(jì)算值略大，而3層支撐軸力峰值較計(jì)算值略小，且隨著工況變化，1層支撐軸力衰減很快，2層支撐軸力值衰減幅度較小，存在這樣的差異主要原因是計(jì)算中存在多種簡化和假定，實(shí)際情況會(huì)有所差異；另外，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度較大，計(jì)算時(shí)輸入?yún)?shù)未考慮土質(zhì)隨深度變化而存在的差異；同時(shí)，現(xiàn)場工況可能與計(jì)算工況有一定的差異。

總體而言，對于鋼支撐軸力，實(shí)測值和計(jì)算值在量級上和變化規(guī)律上均呈相互印證的關(guān)系，說明設(shè)計(jì)計(jì)算比較符合實(shí)際。

4 結(jié)論

1) 本文采用增量法對緯七路橋梁9號橋墩鋼板樁圍堰進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，依據(jù)各工況計(jì)算結(jié)果，分析鋼板樁圍堰在各工況下的內(nèi)力變化及變形規(guī)律，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，二者在變化規(guī)律及量級上均較為吻合，說明設(shè)計(jì)簡化、參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際，確保了工程順利、安全施工。

2) 鋼板樁圍堰屬于柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，自身剛度較弱，鋼板樁在不同深度的實(shí)際水平位移受支點(diǎn)約束明顯，與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，但總體變形形狀二者基本一致。

3) 鋼板樁最大深層水平位移的位置隨著圍堰土方開挖深度的增加而逐步下移，且位于開挖面附近。

4) 內(nèi)支撐體系對于鋼板樁圍堰的穩(wěn)定至關(guān)重要，隨著開挖深度增加，鋼板樁外側(cè)水土壓力合力作用點(diǎn)下移，伴隨著相應(yīng)位置鋼支撐的架設(shè)，已架設(shè)的上部支撐軸力呈逐步減小的趨勢。

5) 由于3層支撐布設(shè)位置影響承臺(tái)施工，同時(shí)不具備換撐空間條件，在施工時(shí)選擇了較厚的素混凝土對圍堰進(jìn)行封底，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除影響施工的3層支撐。在實(shí)施過程中監(jiān)測結(jié)果顯示，鋼支撐軸力和鋼板樁深層水平位移均未出現(xiàn)異常突變，說明厚墊層對鋼板樁亦起到了橫向支撐的作用，為獲得足夠的施工空間起到重要作用。

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