PC工法樁在水上深基坑工程中的應(yīng)用

趙豫鄂，曹 杰，彭韜宇，成怡沖，龔迪快

(浙江華展工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 寧波 315012)

0 引言

PC工法樁是一種可回收式鋼質(zhì)連續(xù)墻，具有較好的抗側(cè)剛度和止水效果。目前，PC工法樁施工技術(shù)趨于成熟，在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用也日漸廣泛[1-2]。金小榮等[3]介紹了PC工法樁的理論計(jì)算和施工工藝。許海明等[4]介紹了PC工法樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。鄧帥等[5]采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法研究PC工法組合鋼管樁的支護(hù)體系剛度，為設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。但現(xiàn)有工程實(shí)例中尚無PC工法樁在水上深基坑工程中的應(yīng)用研究，缺乏PC工法樁水上施工經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

寧波西洪大橋項(xiàng)目基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采用PC工法樁，并結(jié)合PC工法樁做施工平臺(tái)，解決了余姚江水上深基坑施工中的諸多難點(diǎn)。該工程是全國首個(gè)采用PC工法樁的水上深基坑工程，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

西洪大橋及接線工程是寧波市中心城區(qū)“四橫五縱”快速路網(wǎng)的重要組成部分。西洪大橋南起環(huán)鎮(zhèn)北路，北至北環(huán)快速路互通立交，連接江北區(qū)和海曙區(qū)，橫跨余姚江。工程效果如圖1所示。

圖1 西洪大橋及接線工程效果

余姚江屬平原型河流，河床平坦，水面比降<0.1%，橋址處水面寬約300m，水流穩(wěn)定，航道順直，橋軸線法線與水流方向夾角約10°。余姚江寧波段水位由余姚江大閘控制，閘上游控制水位臺(tái)汛期為1.22～1.32m，梅汛期為0.92～1.02m，正常水位0.92m，警戒水位1.32m。水深3.0～6.0m，平均水深約5.0m。

西洪大橋有3座水中橋墩位于余姚江內(nèi)。主橋墩長43.5m，寬12.0m，高4.5m；2個(gè)輔橋墩長43.75m，寬6.25m，高3.50m?；娱_挖深度為9.02～12.02m。

工程沿線場(chǎng)區(qū)主要地貌為第四紀(jì)沖湖積平原。該區(qū)域土層由上至下依次為①3a淤泥、①3b淤泥質(zhì)黏土、②2b淤泥質(zhì)黏土、②2c淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②2d粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1b淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④2a黏土、⑤1a黏土、⑤2粉質(zhì)黏土。開挖范圍內(nèi)淤泥質(zhì)軟弱土層厚15.0～18.0m，土性相對(duì)較差，易產(chǎn)生蠕變及剪切破壞等現(xiàn)象，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制不利，基坑坑底位于該層土中。③2粉質(zhì)黏土、④2a黏土、⑤1a黏土、⑤2粉質(zhì)黏土土性相對(duì)較好，樁底能進(jìn)入該土層一定深度。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

主橋墩基坑開挖深度為12.02m，采用PC工法樁+3道鋼支撐形式，平面支撐布置須避開工程樁(見圖2)。PC工法樁采用φ630×14鋼管樁和小企口IV型拉森鋼板樁組合而成，鋼管樁長29m，IV型拉森鋼板樁長18m。第1道支撐中心標(biāo)高為1.670m，第2道支撐中心標(biāo)高為-2.980m，第3道支撐中心標(biāo)高為-7.130m。輔橋墩基坑開挖深度為9.02m，采用PC工法樁+2道鋼支撐形式，平面支撐布置須避開工程樁(見圖3)。鋼管樁長23m，拉森鋼板樁長16m。第1道支撐中心標(biāo)高為0.870m，第2道支撐中心標(biāo)高為-3.130m。

圖2 主橋墩支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖3 輔橋墩支護(hù)結(jié)構(gòu)

采用理正軟件進(jìn)行計(jì)算，每根鋼管樁的內(nèi)力和位移包絡(luò)圖如圖4所示。由圖4可知，支護(hù)樁最大水平位移值為44.1mm，樁身彎矩和剪力均滿足鋼管樁承載力計(jì)算要求。

圖4 計(jì)算包絡(luò)圖

PC工法樁采用鋼管樁與IV型拉森鋼板樁組合連接，形成一個(gè)整體鋼質(zhì)連續(xù)墻體組合結(jié)構(gòu)，樁與樁之間采用止水鎖口連接，同時(shí)具備擋土和止水功能。兩根鋼管樁間用鋼板樁或調(diào)節(jié)鋼板相連，可改善傳統(tǒng)圍護(hù)樁的樁間距局限性，經(jīng)濟(jì)性好，具體組合形式如圖5所示。該組合樁采用專用設(shè)備施工，施工效率高，無泥漿污染，是一種綠色施工的可回收式鋼質(zhì)連續(xù)墻。鋼管樁對(duì)接焊縫按II級(jí)焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢查驗(yàn)收，其余均按III級(jí)焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀檢查，要求飽滿、無裂紋、不漏水。因橋墩基坑位于余姚江中心，基坑止水效果關(guān)系到基坑安全和施工便利。在PC工法樁基礎(chǔ)上增加止水施工措施，采用木屑填充鋼管樁與拉森鋼板樁鎖扣縫隙，并涂抹黃油。

圖5 PC工法樁組合形式

3 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

結(jié)合基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中的PC工法樁進(jìn)行施工平臺(tái)設(shè)計(jì)，施工平臺(tái)由H400×400型鋼、貝雷梁、I56b、滿鋪I10組成。頂面滿鋪I10，可分塊制作、分塊安裝，I10與I56b分配梁不焊接，根據(jù)樁基施工要求，可將樁基孔位處I10吊移，施工完成后重新吊回。施工平臺(tái)主要功能為：①停放鉆機(jī)，施工鉆孔灌注樁；②行走混凝土罐車、80t履帶式起重機(jī)及50t履帶式起重機(jī)。

采用MIDAS Civil 2019 建立有限元模型對(duì)施工平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算模型如圖6所示。次分配梁、分配梁、貝雷梁、承重梁及鋼管柱均采用梁?jiǎn)卧M，結(jié)構(gòu)體系自重由程序自動(dòng)計(jì)算，將荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。荷載工況如表1所示。

圖6 施工平臺(tái)計(jì)算模型

表1 荷載工況

邊界條件遵循“力的來源是約束”的原則，次分配梁與分配梁間采用一般連接(場(chǎng)外整體拼裝焊接成塊吊裝)；分配梁與貝雷梁間采用一般連接(對(duì)工字鋼翼緣板開孔，通過M18螺栓栓接固定)；貝雷片與主橫梁間采用一般連接，貝雷片每3m分段銷接釋放梁端約束；支撐架與貝雷梁間采用兩種連接方式線性疊加。鋼管柱底部約束x，y，z方向自由度。

采用MIDAS移動(dòng)荷載追蹤器，查詢荷載組合作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的組合應(yīng)力。輸出結(jié)果如表2所示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

表2 構(gòu)件應(yīng)力輸出結(jié)果

PC工法樁中鋼管樁最大支撐反力為230kN。根據(jù)JTS 167—4—2012 《港口工程樁基規(guī)范》中樁基承載力計(jì)算公式如式(1)所示，鋼管樁滿足承載力要求的計(jì)算長度為28m。

(1)

式中：Qd為單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值(kN)；γR為單樁垂直承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.45；U為樁身截面周長(m)，φ630×14鋼管樁周長為1.978 2m；qfi為單樁第i層土的極限樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)li為樁身穿過第i層土的長度(m)；qR為單樁極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；A為樁端截面積，A=0.054 8m2；η為承載力折減系數(shù)，取0.70。

4 施工順序

圍堰內(nèi)支撐施工與抽水按“先支撐后降水，分層支撐分層降水”的原則進(jìn)行[6]。具體步驟如下。

1)棧橋施工完成后，采用80t履帶式起重機(jī)插打鋼管樁及IV型拉森鋼板樁形成圍堰，組裝樁基施工框架。

2)施工完成圍護(hù)樁及第1道腰梁和支撐后，安裝操作平臺(tái)，施工工程樁。

3)拆除施工平臺(tái)，降水挖土至第2層圈梁及內(nèi)支撐底以下0.5m，拼裝第2層圈梁及內(nèi)支撐；降水挖土至第3層圈梁及內(nèi)支撐底以下0.5m，拼裝第3層圈梁及內(nèi)支撐。

4)圍堰內(nèi)降水挖土至封底底標(biāo)高，澆筑封底混凝土，封底混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第3道圈梁及支撐。

5)施工承臺(tái)，承臺(tái)混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，四周填砂密實(shí)，設(shè)置素混凝土換撐板帶，拆除第2道圈梁及支撐。

6)施工橋墩。

7)拆除局部第1道支撐，橋墩繼續(xù)向上施工。

8)施工墩身出水面，基坑內(nèi)灌水，拆除剩余第1道支撐，拔除PC工法樁。

5 施工效果

典型位置深層土體位移隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。由圖7可知，因余姚江水位位于第2道支撐位置，所以第2道支撐以上土方開挖階段土體位移變化較??；第2道支撐以下為18m深厚淤泥質(zhì)土，由于軟土層較厚，土方開挖階段土體位移發(fā)展較快，最大值為39.5mm。理論計(jì)算值為44.1mm，考慮到設(shè)計(jì)計(jì)算中僅考慮鋼管樁剛度，未考慮IV型拉森鋼板樁和鋼管樁的組合剛度，計(jì)算變形值略大于監(jiān)測(cè)值，相對(duì)合理。施工平臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)累積最大值為-6.1mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定，充分說明結(jié)合PC工法樁施作施工平臺(tái)，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖7 深層土體位移隨時(shí)間變化曲線

工程樁及施工平臺(tái)施工效果如圖8,9所示。鋼管樁與IV型拉森鋼板樁連接緊密，無滲水現(xiàn)象，為基坑開挖和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境。

圖8 工程樁施工效果

圖9 施工平臺(tái)施工效果

6 結(jié)語

采用PC工法樁進(jìn)行水上深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，并結(jié)合PC工法樁施作施工平臺(tái)，可解決水上深基坑工程的諸多難題，得出以下結(jié)論。

1)PC工法樁整體剛度大，可承受3～6m的水壓力、漲潮、落潮及臺(tái)風(fēng)影響。在深厚軟土層中變形控制效果較好，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠。

2)鋼管樁和IV型拉森鋼板樁間采用小企口連接工藝，并用木屑填充鋼管樁與IV型拉森鋼板樁鎖扣縫隙，涂抹黃油，止水效果好，坑壁無滲水。

3)結(jié)合PC工法樁施作施工平臺(tái)，解決了水上樁基施工困難問題。

4)施工完成后可將PC工法樁進(jìn)行回收，施工過程中無泥漿、無污染，綠色環(huán)保，避免對(duì)余姚江水質(zhì)產(chǎn)生影響。