富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术_李良.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202212066开放科学（资源服务）标识码（OSID）富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术李 良（中铁二局集团有限公司，成都610031）摘要：依托某高速铁路跨河连续梁深基坑工程，采用双层钢板桩围堰作为基坑支护措施；介绍在特殊地层条件下钢板桩引孔施工技术。通过监测数据分析表明：内支撑的强度和刚度，以及基坑的隆起稳定性、倾覆稳定性和整体稳定性均满足要求。关键词：高速铁路；深基坑；双层钢板桩；围堰；引孔；监测中图分类号：TU473.5文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0147 06 0 引言近年来，随着高速铁路大规模的发展，为了适应不同的地形地貌及地质情况，建设了大量跨越江河和深山峡谷的桥梁1，在桥梁建设过程中，大型承台基础基坑支护就是其中的难题2。深基坑支护形式选择的关键在于，需要同时满足经济性和安全性两个条件3-4。拉森钢板桩是桥梁施工中的新型建材，具有绿色环保、施工费用低、施工速度快以及防水功能良好等优点，在建桥围堰、临时沟渠、管道铺设等施工中得到了广泛应用5-7。在无通航要求下，采用筑岛围堰+双层钢板桩支护的这一围堰形式进行桥梁承台施工，经济性很高8-10。本文以某高速铁路一特大桥工程为依托，在分析桥址工程地质条件情况下，从经济性和安全性两方面考虑，提出 18 m+24 m 超长双层钢板桩围堰支护方案；对支护体系在各工况下的受力和变形进行计算，通过各阶段监测数据分析，采用该方案具备可行性和安全性；同时，介绍在特殊地层条件下的钢板桩引孔施工技术。1 工程概况某高速铁路一特大桥全长 10 380.77 m，其中#161#164 墩为跨河（60 m+100 m+60 m）连续梁，河宽约 100 m，水深约 7 m。针对#163 主墩进行基坑围护结构设计，其上承台为 1 650 cm1 180 cm300 cm，下承台为 2 480 cm1950 cm400 cm。承台底高程3.398 m，地面高程 11.020 m，设计基坑深度 15.420 m，施工水位高程 10.430 m。此桥墩一半位于水中，一半位于岸边，需进行填土筑岛，然后打入双层钢板桩，其外层钢板桩 18 m，内层钢板桩 24 m。基坑底采用 1.0 m 厚混凝土进行封底。该承台基坑所在土层共分为 6 层，其地层材料参数，见表 1。表1地层材料参数名称层厚/m 重度（kNm3）黏聚力/kPa 内摩擦角/（）粉砂2.820.0034.00粉砂5.620.0034.00中砂6.020.0034.00粉土2.119.515.0024.00中砂6.020.0034.00粉质黏土2.119.516.8832.25 2 支护方案设计在分析桥址工程地质条件的基础上，同时从经济性和安全性两方面考虑：采用筑岛围堰+双层钢板桩支护进行承台施工，外层钢板桩主要是保护筑岛土体稳定性，加强止水效果；内层钢板桩为基坑支护主要受力结构，两层钢板桩层间距 4.5 m。设计外层钢板桩长为 18 m，内层钢板桩长为 24 m，桩顶露出地面 0.5 m，嵌固深度为 8.932 m，地面高程为 11.800 m，地下水位高程为 10.430 m，位于地面以下约 1.4 m。支护钢板桩内部尺寸比承台平面尺寸每边各宽出 1.0 m，即内部尺寸 26.8 m21.5 m。横撑、角撑及围檩共设 4 层，第一层横 收稿日期：2023 04 12作者简介：李良（1984），男，四川成都人。高级工程师，主要从事铁路施工技术管理工作。E-mail：。李 良：富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术 147 撑、角撑及围檩距钢板桩顶 0.5 m，第二层横撑、角撑及围檩距第一层为 2.8 m，第三层横撑、角撑及围檩距第二层为 2.8 m，第四层横撑、角撑及围檩距第三层为 3.2 m。第一层围檩为 2I50a 工字钢，第二层围檩为 3I50a 工字钢，第三层围檩为4I50a 工字钢，第四层围檩为 4I56a 工字钢，围檩工字钢倒放。围檩横撑均采用 63010 mm 钢管，角撑采用 63010 mm、82010 mm 钢管。钢板桩采用拉森-w 型，截面每延米抗弯模量不小于2 700 cm3。基坑支护布置，见图 1。=20.0c=0.0=34.0=20.0c=0.0=34.0=20.0c=0.0=34.0粉砂粉砂中砂粉土中砂粉质黏土钢板桩桥梁承台工况1950280280320577893280560600600210210地面（11.800 m）10.43 m地下水位65（a）立面布置25802580/32580/32580/321502150/22150/2横撑监测点角撑（b）第一道支撑平面布置图1基坑支护布置（单位：cm）3 支护设计验算 3.1 计算模型及参数0=1.1A=226 cm2I=56 700 cm4W=2 700 cm3采用理正深基坑软件建模计算，土压力按弹性法、结构计算按极限状态法、基坑外侧不排水。内力计算采用增量法，基坑设计等级为一级，基坑侧壁结构重要性系数为，钢板桩每延米截面面积，惯性矩，抗弯模量，基坑顶部距坑边 1.0 m 分布有宽度14.8 kN/m为 1.8 m、大小为的条形活荷载。土层水下部分的参数和计算方法，见表 2。共设置 4 道支撑，水平间距为 1.0 m，竖向间距依次为 2.8、2.8、3.2 m。支护结构参数，见表 3。共分 9 个工况进行模拟，分别为开挖至 0.5 m深度、安装第一道支撑、开挖至 3.3 m 深度、安装第二道支撑、开挖至 6.1 m 深度、安装第三道支撑、开挖至 9.3 m 深度、安装第四道支撑、开挖至基坑底部。表2土层参数和计算方法层号与锚固体摩擦阻力/kPa黏聚力水下/kPa内摩擦角水下/（）水土计算方法m，c，K值1120.00.0027.20分算m法12.082120.00.0027.20分算m法12.083120.00.0027.20分算m法12.084120.012.0019.20合算m法6.655120.00.0027.20分算m法12.086120.013.5025.80合算m法12.08 表3支护结构参数支锚道号预加力/kN支锚刚度/（MNm1）工况号材料抗力/kN材料抗力调整系数10.00679.9552500.001.0020.00679.9562500.001.0030.00679.9572500.001.0040.00679.9582500.001.00 路基工程 148 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）3.2 内力和位移采用以上的计算模型可以计算得到土压力分布、钢板桩位移、弯矩和剪力等结果，其中第9 个工况的计算结果，见图 2，四道内支撑的反力从上到下依次为：45.33、210.78、404.52、951.92 kN/m。55 28055283700 1850 03700185090045009004500510152023.50510152023.50510152023.5支反力/kN45.33 kN42.16 kN210.76 kN168.79 kN404.52 kN346.15 kN951.92 kN768.41 kN（50.13）（0.00）（0.0）（0.0）（626.97）（625.09）（3355.61）（523.49）（367.82）（584.10）（674.03）（816.44）弯矩/（kNm）剪力/kN位移/mm图2工况 9 内力和位移 3.3 内支撑验算建立内支撑 Midas/civil 整体模型，将以上得到的各层内支撑支反力施加到模型上，对内支撑进行计算。其中第四道支撑的应力和变形，见图 3。第一层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 49.9 MPa215 MPa，最大值出现在基坑支护的长边处。最大变形为 1.7 mm，出现在基坑支护的长边处；第二层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 106.6 MPa215 MPa，出现在基坑支护的长边处，最大变形为10.8 mm，出现在基坑支护的短边处；第三层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 137.3 MPa215 MPa，出现在基坑支护的角撑处，最大变形为 14.5 mm，出现在基坑支护的短边处；第四层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 181.7 MPa215 MPa，出现在基坑支护的长边处，第四层腰梁及角撑的最大变形为13.9 mm，出现在基坑支护的短边处。钢板桩附近无建筑物，变形满足施工要求。内支撑屈曲第一阶屈曲稳定系数为 6.3，屈曲模态为第四道横撑横向失稳，内支撑屈曲稳定满足要求。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS组合（最大值）1.82889e+0021.49744e+0021.16598e+0028.34531e+0015.03078e+0011.71625e+0010.00000e+0004.91281e+0018.22734e+0011.15419e+0021.48564e+0021.81709e+002系数=9.496E+001yxzyxzMIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESSXY-方向X-DIR=9.247E+000NODE=2026Y-DIR=1.385E+001NODE=2028Z-DIR=0.000E+000NODE=1COMB.=1.385E+001NODE=2028（a）应力（b）变形图3第四道支撑的应力和变形 3.4 基坑稳定性验算（1）抗隆起稳定性从支护结构底部开始，逐层验算基坑的抗隆起稳定，其安全系数为Ks1=m2ldNq+cNcm1(h+ld)+q0Khe（1）Nq=etantan2(450+/2)Nc=(Nq1)/tanKhe=1.800式中：，允许隆起稳定安全系数为。Ks1=5.069Ks1=6.7961.800根据验算结果，在支护结构底部，隆起安全系数为，在深度为 29.6 m 处，隆起安全系数为，两者均大于隆起稳定所需的最小安全系数，说明该设计的基坑抗隆起稳定满足要求。（2）抗倾覆稳定性基坑抗倾覆计算安全系数为Ks2=Mp/Ma（2）MpMa式中：为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支力点由内支撑的抗压强度决定；对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值；为主动土压力对桩底的倾覆弯矩；其中锚杆力的计算依据锚杆的实际锚固长度。各工况内撑抗力和对应的基坑的抗倾覆安全系数，见图 4，其中，最小抗倾覆安全系数为 2.821，最大抗倾覆安全系数为 7.303，均大于规范要求的允许值 1.250，满足抗倾覆验算的要求。（3）整体稳定性R=17.177 mKs3=1.534采用瑞典条分法和总应力法对基坑整体稳定性进行验算，条分法所取土条宽度为 1.0 m，计算圆弧半径，滑动安全系数，李 良：富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术 149 大于规范要求的最小值 1.35，说明基坑整体稳定性满足要求。010002000300040001 2 3 4 5 6 7 8 9 10内撑抗力/（kNm1）工况内撑1内撑2内撑3内撑402468安全系数1 2 3 4 5 6 7 8 9 10工况（a）内撑抗力（b）安全系数图4内撑抗力及安全系数 4 围堰及双层钢板桩施工 4.1 围堰土方填筑围堰施工分两阶段实施：第一阶段施工迎水坡围堰；第二阶段施工河道侧及背水坡围堰与第一阶段围堰衔接。围堰土方填筑主要采用进占法施工，挖掘机挖土装车运送至围堰填筑区，推土机平整碾压，逐步向前推进。围堰填筑工序为：卸土、平整、碾压、压实度检测。4.2 双层钢板桩施工土方围堰施工完毕后，采用 Z550 型液压振动沉拔桩机先进行外层 18 m 钢板桩施工，再进行内层 24 m 钢板桩施工。在钢板桩施打过程中发现，进入地面以下 18 m 左右范围时施打困难，钢板桩桩身有变形现象。经分析，由于本桥地质砂层较厚、打入深度较深，打桩过程中，桩身与土体间的摩擦力不断增大，使得钢板桩打设困难。结合桥址地质情况，采用旋挖钻进行引孔施工。4.2.1 钢板桩施工工艺流程钢板桩施工工艺流程，见图 5。测量定位导向架安装材料检验钢板桩插打基坑开挖安装围檩基坑开挖承台施工回填基坑、拆除围檩拔除钢板桩旋挖钻引孔图5钢板桩施工流程 4.2.2 钢板桩定位在钢板桩施工中，为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直度，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形、提高桩的贯入能力，需要设置一定刚度的导向架。导向架长 6 m，宽 20 cm，厚 20 cm，2 根导向架主梁采用厚 10 mm 钢板焊接而成，间距31 cm，主梁两端设定位卡板与导向架主梁焊接为一体，主梁上部每隔 50 cm 设定位角铁，定位角铁与主梁焊接为一体。采用全站仪控制和调整导梁的位置，导梁的高度要适宜，要有利于控制钢板桩的施工高度、提高施工工效，导梁不能随着钢板桩的打设而产生下沉和变形，导梁的位置应尽量垂直，且不能与钢板桩碰撞。4.2.3 钢板桩插打（1）旋挖钻引孔采用直径 100 cm 和 125 cm 的旋挖钻机交替引孔，所引孔的中心线与钢板桩围堰轮廓的中心线保持一致，相联两孔的中心间距 70 cm，引孔深度比钢板桩底部高 2040 cm，未引孔部分，利用振动锤强行插打，确保钢板桩底部与岩层的紧密结合，提高整体的稳定性和止水效果。旋挖钻引完的孔位用黏土回填密实，以便钢板桩的插打。回填完毕即可开始钢板桩的插打作业。（2）钢板桩插打首先施打角桩，施打完成后测量检测平面位置和垂直度，满足要求后利用锁口导向和定位导向依次施打其余钢板桩。插打钢板桩时，第一根钢板桩必须插正、打正，以免影响后面的钢板桩。整个钢板桩围堰施打过程中，开始时可插一根打一根，即将每一片钢板桩打到设计位置；到剩下最后 20 片时，要先插后打；若合拢有误，用导链对拉，使之合拢；合拢后，再逐根打到设计深度。4.2.4 围檩安装及土方开挖围檩型钢安装时，首先要在安装位置下方焊接承受围檩自重的支撑架，长、短边均按 5 m 一处设置，然后吊装围檩型钢就位，安装完成围檩；采用小型挖掘机开挖土方施工。对围檩型钢和内撑接头位置用三角加劲板焊接，同时加强焊缝质量检查。钢板桩尽量保证在同一平面上，保证围檩与钢板桩密贴。如不密贴，采用钢板垫板或工字钢焊接牢实。承台围檩采用 I40b、I50a 双拼工字钢。内撑及斜撑采用 630 mm 螺旋钢管，壁厚 10 mm。钢板桩横撑、角撑及围檩施工，见图 6。路基工程 150 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）图6钢板桩横撑、角撑及围檩施工 4.2.5 围檩及钢板桩拆除围檩拆除时，需配合基坑回填，承台施工完成后，将围檩底部回填后拆除围檩，最后将基坑回填至设计要求的标高。钢板桩拆除顺序：先用振动锤向下击打 2 cm，使钢板桩与封底混凝土脱离。再选择一组或一块较易拔除的钢板桩，先略锤击振动拔高 12 m，然后依次将所有钢板桩均拔高 12 m，使其松动后，再依次拔除，对桩尖打卷及锁口变形的桩，可加大拔桩设备的能力，将相邻的桩一齐拔出，必要时进行切割。5 基坑变形监测基坑土方和结构施工期间，对基坑边坡和支护系统进行动态监测。发现异常或超出设计预警值，及时采取安全防护措施，确保施工过程中的人身安全及周边结构物的安全稳定。5.1 布点原则监测点的布置将根据基坑大小、深度等因素综合确定。在基坑四周或防护桩上埋设钢筋作为变形观测点，采用预埋观测桩进行布置。监测点采用CP 点控制测量。基坑支护施工完成后即测量其坐标，记录 X、Y 值，作为初始值，然后按照频次测量后将数据与之对比，算出位移大小。本方案在钢板桩顶布置 10 个监测点，监测点的布置，参见图 1（b）。5.2 监测频率承台防护桩及钢板桩施工前，采集一次数据，防护桩及钢板桩施工期间每天观测数据一次。基坑开挖前采集数据。基坑开挖过程中，每下挖 3 m 观测一次，直至开挖停止后连续三天的监测数值稳定。基坑回填前，每天观测一次固定桩位移数据和沉降数据，遇较强降雨在雨后增加 1 次观测。基坑回填完成后，持续观测，直至边坡稳定，数据收敛。当位移速率大于前次监测的位移速率时，应进行连续监测。5.3 监测数据记录、分析从钢板桩施工前开始监测第一次初始值到基坑回填结束，共监测 77 次。各工况累计位移量，见图 7，本文选择各工况累计位移量最大值进行分析。00.30.60.91.21.512345678910累计位移/mm工况x方向y方向h方向图7各工况累计位移量 竖直位移变化量范围为 0.10.9 mm，竖直位移变化速率绝对值小于 1 mm/d；水平位移变化量范围为 0.11.3 mm，水平位移变化速率绝对值小于 2 mm/d；整个监测期间地表未发生拱起、塌陷等异常情况。所有测点在基坑开挖期间变形较大，但在底板浇筑完成后变形速率便趋缓，所有监测点位移量在可控范围内。钢支撑拆除期间，支撑影响区域内的监测点变化量稍有增大，但随后变形速率便趋于稳定。由此可以看出，在整个压桩施工、基坑开挖和底板浇筑期间，本基坑周边环境和钢板桩围护支撑体系是安全可靠的。6 结语本文介绍某高速铁路桥梁#163 主墩基坑的支护结构设计与施工，分析支护结构的强度、变形及稳定性，同时阐述钢板桩在特殊地层下采用旋挖钻引孔施工及监测要求。（1）经过验算，支护结构底部抗隆起安全系数为 5.069，大于隆起稳定所需的最小安全系数1.800；施工过程各工况中基坑最小抗倾覆安全系数为 2.821，最大抗倾覆安全系数为 7.303，均大于规范要求的允许值 1.250；满足抗倾覆验算的要求；基坑整体滑动安全系数为 1.534，大于规范要求的最小值 1.350，说明基坑抗隆起、抗倾覆和整体稳定性均满足规范要求。（2）设计四道内支撑的软件计算最大变形依次为 1.7、10.8、14.5、13.9 mm，其中第一道支撑的最大变形出现在长边处，第二至第四道的内支撑最大变形均出现在短边处，与监测数据基本吻合，说明设计支撑体系是合理的。李 良：富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术 151（3）外层钢板桩主要目的是保护筑岛土体稳定性，加强止水效果；内层钢板桩为基坑支护主要受力结构，两层钢板桩层间距 4.5 m。然而，外层钢板桩对内层钢板桩存在一定的减载作用，在进行建模计算时，难以考虑这部分作用，具有一定的局限性。从而使得计算结果内力和位移偏大，但仍满足规范要求，说明设计偏安全。（4）当钢板桩打设施工受阻时，采用旋挖钻进行引孔，即可使钢板桩打设施工继续进行。此工艺不仅提高了施工进度，降低施工难度，且对周边构筑物及其他设施的安全无任何影响，安全环保，节约成本。参考文献(References)：1 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Railway No.2 Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China）Abstract:Based on the cross-river continuous beam deep foundation pit engineering of the high-speed railway,double-layer steel sheet pile cofferdam is used as the foundation pit support measure,and the constructiontechnology of steel sheet pile pilot hole under special stratum conditions is introduced.Through the monitoringdata analysis,it shows that the strength and stiffness of internal support,as well as the stability of uplift,overturning and overall stability of foundation pit meet the requirements.Keywords:high-speed railway；deep foundation pit；double-layer steel sheet pile；cofferdam；pilot hole；monitoring路基工程 152 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）