框架橋深基坑防護施工技術(shù)

鄒 輝

（福建建工基礎設施建設集團有限公司，福建 福州 350000）

1 工程概況

框架橋為2m～8m 框架小橋，橫向橋長32.16m，分3 節(jié)，每節(jié)框架長10.7m，橋?qū)?8.4m，凈高5.5m，為排洪橋?；讟烁?3.3m，地面標高3.7m，基坑最大挖深7m。設計上小橋基底和兩側(cè)路基采用預應力管樁進行軟基處理， 為防止基坑開挖過程中，預應力管樁受偏壓傾斜，影響基坑穩(wěn)定性和施工安全，計劃采用鋼板樁進行基坑防護。

2 基坑防護方案設計

2.1 方案選定

因為小橋的橫橋長度和順線路寬度都比較大，加上開挖深度比較大，如果用鋼板樁將整個基坑一次性圍護，則在內(nèi)支撐的加固上有很大難度，且成本高、不易操作。根據(jù)小橋橋身分三節(jié)的有利條件，準備對基坑采取分節(jié)防護、分節(jié)開挖、分節(jié)施工的方案，先施工右側(cè)上游節(jié)和左側(cè)下游節(jié)，最后施工中間節(jié)。

2.2 場地處理

為降低施工難度，提高防護安全，計劃將施工場地進行處理。為減少開挖深度，將防護范圍內(nèi)地面挖除1m，地面標高降至2.7m。在防護線外擴2m 處開挖0.5m×0.5m 的截水溝，避免地表水匯集到基坑內(nèi)，保障防護安全。

2.3 防護計算

2.3.1 地質(zhì)情況

橋位處的地質(zhì)情況及土力學參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)情況及土力學參數(shù)

2.3.2 參數(shù)計算

采用SP-Ⅳ型鋼板樁，截面模量W=2270 cm3/m，允許彎曲應力[σ]=200 N/mm2，鋼板樁長12 m，樁頂與處理后的地面平齊。

γ、ψ、C按12m 范圍內(nèi)的加權(quán)平均值計算[1]：

主動土壓力系數(shù)：Ka=tan2（45°-2.88°/2）=0.904

被動土壓力系數(shù)：Kp=tan2（45°+2.88°/2）=1.106

2.3.3 確定支撐層數(shù)及間距

按等彎矩布置確定各層支撐的間距，則板樁頂部懸臂端的最大允許跨度h，由下式得[1]：

式中：[σ]—板樁的允許彎曲應力；W—板樁的截面模量；γ—板樁墻后土的重度；Ka—主動土壓力系數(shù)。

2.3.4 確定圍檁材料2.3.4.1 土壓力計算

基坑6m 處土壓力：pD=γhDKa=16.46×6×0.904=89.28kN/m2。

式中：p—土壓力；γ—板樁墻后土的重度；h—所計算點離填土面的深度；Ka—主動土壓力系數(shù)，pD—基坑6m 處的土壓力，hD—計算點離填土面6m 處深度。

基坑4.3m 處土壓力：pC=γhCKa=16.46×4.3×0.904=63.98kN/m2；基坑2.1m 處土壓力：pB=γhBKa=16.46×2.1×0.904=31.25kN/m2[1]。

式中：pC—基坑4.3m 處的土壓力。pB—基坑2.1m 處的土壓力。hC—計算點離填土面4.3m 處深度。hB—計算點離填土面2.1m 處深度。

2.3.4.2 長圍檁按簡支梁檢算

長圍檁按簡支梁檢算，設6 個支點，間距為4.28m。長圍檁計算簡圖見圖1。

圖1 長圍檁計算簡圖（單位：cm）

2.3.4.2.1 圍檁受力按均布荷載計算

式中：q—荷載；p—土壓力；l—長度；qC—在c點處的荷載；pC—在c點處的土壓力。

B點處：qB=pBl=31.25×4.28=133.75kN/m。qB—在B點處的荷載。

pB—在B點處的土壓力。

2.3.4.2.2 圍檁所受最大彎矩

式中：Mmax—彎矩；q—荷載；l—長度；qC—在c點處的荷載。

B點處：Mmax=qBl2/8=133.75×103×4.282/8=306260.7N·m。

qB—在B點處的荷載。

2.3.4.2.3 選用工字鋼做圍檁，則圍檁所需最小截面抵抗矩

C點處：WC=Mmax/[σ]=627015.9/200×10-6=3.135×10-3m3=3135cm3

式中：W—截面抵抗矩；WC—在C點處截面抵抗矩；Mmax—彎矩；[σ]—允許應力。

取1.2 倍的安全系數(shù)，則WC=3135cm3×1.2=3762cm3。

Ⅰ56a 工字鋼的截面抵抗矩W=2340cm3，使用2 根Ⅰ56a并焊做圍檁，則W=2340×2=4680cm3＞3762cm3，可行。

B點處：WB=Mmax/[σ]=306260.7/200×10-6=1.531×10-3m3=1531cm3

取1.2 倍的安全系數(shù)，則WB=1531cm3×1.2=1837cm3。

Ⅰ40a 工字鋼的截面抵抗矩W=1090cm3，使用2 根Ⅰ40a并焊做圍檁，則W=1090×2=2180cm3＞1837cm3，可行。

2.3.4.3 短圍檁也按簡支梁檢算

短圍檁也按簡支梁檢算，設3 個支點。短圍檁計算簡圖見圖2。在圍檁四角采用與圍檁相同的材料設置角撐，用以加強圍檁的強度，并縮短圍檁支點間的受力長度。

圖2 短圍檁計算簡圖（單位：cm）

2.3.4.3.1 圍檁受力按均布荷載計算

C點處：qC=pCl=63.98×4.5=287.91kN/m

B 點處：qB=pBl=31.25×4.34=135.63kN/m

2.3.4.3.2 圍檁所受最大彎矩

C點處：Mmax=qCl2/8=287.91×103×4.52/8=728772.2N·m

B點處：Mmax=qBl2/8=135.63×103×4.342/8=319334.1N·m

2.3.4.3.3 選用工字鋼做圍檁，則圍檁所需最小截面抵抗矩

C點處：WC=Mmax/[σ]=728772.2/200×10-6=3.644×10-3m3=3644cm3

取1.2 倍的安全系數(shù)，則WC=3644cm3×1.2=4373cm3。

Ⅰ56a 工字鋼的截面抵抗矩W=2340cm3，使用2 根Ⅰ56a并焊做圍檁，則W=2340×2=4680cm3＞4373cm3，可行。

B點處：WB=Mmax/[σ]=319334.1/200×10-6=1.597×10-3m3=1597cm3

取1.2 倍的安全系數(shù)，則WB=1597cm3×1.2=1916cm3。

Ⅰ40a 工字鋼的截面抵抗矩W=1090cm3，使用2 根Ⅰ40a并焊做圍檁，則W=1090×2=2180cm3＞1916cm3，可行。

圍檁布置圖見圖3，圖中B 層、C 層對應圖1 中的B、C位置。

3 內(nèi)撐計算

在圍檁的支點處設內(nèi)撐，內(nèi)撐布置見圖3，內(nèi)撐按受壓桿件計算，計算簡圖見圖4，取縱向內(nèi)撐進行受力計算。

圖3 圍檁及內(nèi)撐布置圖

圖4 內(nèi)撐受力簡圖

3.1 圍檁受力按均布荷載計算

D點處：qD=pDl=89.28×4.5=401.76kN/m

式中：q—荷載；p—土壓力；l—長度；qD—在D點處的荷載；pD—在D點處的土壓力。

C點處：qC=pCl=63.98×4.5=287.91kN/m

B點處：qB=pBl=31.25×4.34=135.63kN/m

3.2 支點反力計算

RC=（qD×1.7+qC×2.2）/2=（401.76×1.7+287.91×2.2）/2=658.2kN

式中：R—內(nèi)撐支點反力；q—荷載。

RB=（qC×2.2+qB×2.1）/2=（287.91×2.2+135.63×2.1）/2=459.1kN

取2 倍的安全系數(shù)，則RC=1316.4kN、RB=918.23kN。

3.3 選用材質(zhì)為Q235鋼的φ529、壁厚1cm 的鋼管做內(nèi)撐，以C 層內(nèi)撐進行檢算

長細比：λ=l/i

式中：λ—內(nèi)撐的長細比；l—內(nèi)撐長度；i—內(nèi)撐材料截面的回轉(zhuǎn)半徑。

式中l(wèi)=21.4-0.56×2=20.28m；i=0.35×（0.509+0.529）/2=0.182。則λ=l/i=20.28/0.182=111.43。

穩(wěn)定系數(shù)ψ根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄C 的規(guī)定：

式中：λn—換算長細比；λ—內(nèi)撐的長細比；fy—鋼材的屈服強度；E—鋼材的彈性模量。

式中：ψ—穩(wěn)定系數(shù)；λn—換算長細比；a2、a3—系數(shù)查表得a2=0.986 ；a3=0.152。則ψ=0.666。

受壓穩(wěn)定性N/（ψ·A）≤f

式中：N—軸心力；ψ—穩(wěn)定系數(shù)；A—毛截面面積；f—鋼材的抗壓強度設計值N/（ψ·A）=1316.4×103/（0.666×π×0.2652）=8.959×106N/m2=8.959MPa ＜215MPa，穩(wěn)定。

其余內(nèi)撐檢算均能滿足要求，且與上述方法相同，不再敘述。

3.4 支撐系統(tǒng)加強措施

支撐系統(tǒng)加強措施：1）為消除基坑頂部的施工荷載，增強基坑穩(wěn)定性，在鋼板樁頂部增加一道圍檁和內(nèi)撐，材料和數(shù)量與第二層一樣。2）在圍檁四角采用與圍檁相同的材料設置角撐，用以加強圍檁的整體受力穩(wěn)定性。3）在鋼管內(nèi)撐與圍檁的接觸面加設14mm 的鋼板，用以加大鋼管的端頭受力面積，避免鋼管端頭受力后變形。4）在鋼管內(nèi)撐的交叉點設置鋼箱，一是便于鋼管內(nèi)撐安裝，二是加強受力的傳遞。

4 基坑防護方案實施

4.1 鋼板樁施工

使用專業(yè)打樁設備將長12m 的鋼板樁打入土中，樁頂與地面平齊，位置在框架承臺基礎邊外擴1.5m 處。

4.2 圍檁和支撐施工

4.2.1 第一層圍檁和支撐施工

第一層支撐采用工字鋼焊成鋼梁作為圍檁：①先將頂部1.5m 厚土挖除，露出鋼板樁，進行標高抄平，將圍檁下部的牛腿焊上，用以支撐圍檁的質(zhì)量。②用鋼板將2 根Ⅰ40a 工字鋼平焊成鋼梁，作為圍檁，用吊車將圍檁吊裝到牛腿上。③在圍檁四角，用和圍檁相同的材料焊成內(nèi)角撐，以加強圍檁的整體性。④內(nèi)撐采用Φ52.9cm 鋼管，在現(xiàn)場將橫向內(nèi)撐和連接鋼箱事先焊接好。在圍檁安裝完后，用吊車將橫向內(nèi)撐按設計位置安裝好，然后安裝縱向內(nèi)撐鋼管，并將縱向內(nèi)撐鋼管與連接處鋼箱焊接好，每處內(nèi)撐與圍檁連接處設頂板。

4.2.2 第一層圍檁及內(nèi)撐安裝加固好后施工

第一層圍檁及內(nèi)撐安裝加固好后，用長臂挖機從內(nèi)撐空間中挖土，使整個基坑標高均勻下降，避免不均勻開挖造成偏壓。挖機挖不到的地方，如內(nèi)撐正下方及圍檁下方，用人工將淤泥挖出到挖機工作面，再用挖機挖出。

4.2.3 基坑開挖至設計標高施工

在基坑標高降至第二層牛腿處，即暫?；娱_挖，按設計將第二層圍檁及內(nèi)撐安裝好，安裝方法與第一層相同。在圍檁及內(nèi)撐安裝好后，才能繼續(xù)進行基坑開挖。相同作業(yè)循環(huán)，直至第三層圍檁及內(nèi)撐安裝加固好后，才能將基坑開挖至設計標高。

4.3 圍檁和支撐拆除

4.3.1 底層圍檁和支撐的拆除

在承臺混凝土施工完后，用C15混凝土將順線路方向承臺與鋼板樁之間的空間回填，作為臺背回填的一部分，在混凝土與鋼板樁之間用2cm 厚的泡沫板作為隔離板，避免混凝土將鋼板樁咬死。在承臺混凝土強度達設計的60%以上橫橋向上用Φ10cm 圓木撐在鋼板樁和承臺之間，用以傳遞受力，木撐間距1m。在回填混凝土達到60%以上強度且木撐全部安裝好后，拆除底層圍檁和支撐。

4.3.2 第一、二層圍檁和支撐的拆除

底層圍檁和支撐拆除后，進行框架底板施工。在底板混凝土施工完后，用C15 混凝土將順線路方向底板與鋼板樁之間的空間回填，作為臺背回填的一部分。在混凝土強度達設計的60%以上后，將順線路方向的鋼管內(nèi)撐拆除，保留橫橋向的鋼管內(nèi)撐。框架身施工完后，再將橫橋向的鋼管內(nèi)撐和圍檁全部拆除，并將鋼板樁拔出。

4.4 施工控制要點

施工控制要點有6 個 ：1）嚴格按方案設計中的高度安裝圍檁及內(nèi)撐，確保防護安全受控。2）嚴格遵循“先防護，后開挖”的原則，在內(nèi)支撐未安裝加固好的情況下，決不允許土方超深開挖，避免土壓力過大造成鋼板樁變形。3）同一層牛腿頂面標高必須一致，避免圍檁和內(nèi)撐不在一個平面上受力，造成支撐框架扭曲，危及施工安全。4）圍檁和內(nèi)撐安裝好后，必須將圍檁與鋼板樁、圍檁與牛腿、內(nèi)撐與圍檁之間的空隙全部用工字鋼、鋼板或木塊塞緊、焊死，以利于受力及荷載的傳遞。5）設置觀測點，觀測鋼板樁的位移和內(nèi)撐的變形，如變形過大，立即停止施工，采取加固措施。6）派專人進行安全防護巡查，對每一個鋼件焊縫進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)有脫焊、焊縫開裂的情況，立即補焊。

5 結(jié)語

該防護方案的計算結(jié)果用邁達斯軟件復核通過，安全系數(shù)儲備充足。在實施過程中，筆者現(xiàn)場跟班作業(yè)，親自指導和監(jiān)督技術(shù)人員和專業(yè)工人嚴格按防護方案要求進行作業(yè)。通過精心組織、嚴格管理和參建人員認真細致地工作，該框架橋安全地在計劃工期內(nèi)施工完畢。在這個防護方案設計計算中筆者采用簡單明了的受力模型、使用常用公式，計算步驟清晰、結(jié)果可證，所選防護材料的型號、參數(shù)與計算結(jié)果一一對應，結(jié)論嚴謹，對類似工程的支護結(jié)構(gòu)計算有很好的參考作用。