皖南地区特大桥承台深基坑钢板桩围堰施工技术分析

2024-03-01刘爱曦项鹏安徽建工路港建设集团有限公司安徽合肥230031

安徽建筑 2024年2期

刘爱曦，项鹏（安徽建工路港建设集团有限公司，安徽合肥 230031）

1 引言

随着城市化进程的不断推进，深基坑工程已经屡见不鲜。深大基坑工程对施工技术以及基坑支护结构设计和应用的要求也越来越高。通过合理的结构设计，结合工程实践经验，选择恰当的支护结构，既能确保基坑安全施工，又可以有效节约工期、成本。带有锁口的拉森钢板桩因其拥有良好的支护性能，被广泛应用于基坑支护工程及围堰工程中。

2 工程概况

皖南地区特大桥位于宣城市硖石山物流园码头下游约300m处，主桥墩承台基坑开挖超过5m，属于超过一定规模的危大工程，安全等级二级。为了确保基坑施工安全，拟采用15m 长拉森钢板桩搭配型钢围檩和钢管内支撑作为主桥墩基坑支护结构。14号墩（15号墩）基坑长宽高尺寸为29.8m×15.8m×8.8（9.0）m，过渡墩承台13#（16#）基坑长宽高尺寸为23.8m×10.7m×5.88（3.28）m。

皖南地区地属中亚热带北缘气候，四季分明，气候较为温和，雨量偏多，年平均气温约16℃，最高月平均气温27℃，最低月平均气温3℃，多年平均降雨量1317mm，多年平均蒸发量为1055mm。

地质情况主要为素填土、粉质黏土、淤泥质土。

3 施工工艺

3.1 施工工艺流程

鉴于开挖较深且坑壁、坑底渗水量大，下部结构施工时需加强钢板桩围堰支护，并对基坑底采用混凝土水下封底。

表1 FSP-Ⅳ型拉森钢板桩技术参数

采用长臂挖掘机开挖至第一道内支撑下50cm 处（标高8.5m），安装第一道内支撑。长臂挖掘机继续开挖至下一道内支撑以下50cm，再安装内支撑。长臂挖掘机继续开挖至水位标高，后采用吸泥设备辅助进行水下基坑开挖，吸泥开挖至封底混凝土底面（标高1.0m），浇筑水下封底混凝土，达到相应强度后，进行抽水至封底混凝土顶面，将封底混凝土上部浮浆清除干净后，施工承台部位。工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

该处大桥钢围堰工程拟投入3 套主桥墩承台的钢围堰，不考虑周转。

3.2 操作要点

3.2.1 围堰设计及钢板桩的选用

本工程钢板桩围堰平面尺寸为10.70m×23.80m，综合考虑地质条件、钢板桩的特性及施工工艺，采用单根钢板桩长为9m、单位重76.1kg/m 的拉森4 型400mm×170mm 钢板桩，围堰的内支撑使用HW350·350·8·14 型钢、Φ 426×8mm 管桩，并利用单位重114.15kg/m 的特制角桩支撑围堰四周，插打时钢板桩上顶标高为11.0m。

3.2.2 导架的安装

通过设置具有足够刚度的导架，导架与冠梁联合作用，从而精准控制钢板桩打入深度，确保沉桩过程钢板桩的轴线位置准确和桩身顺直，控制钢板桩在沉入过程不产生屈曲变形，进而提高其贯入能力。

3.2.3 板桩施打

①钢板桩施打前首先应探明施工区域周边的地下管线及毗邻的建（构）筑物的准确位置、埋设深度、目前运行情况等，并征得相应的权属及使用单位同意后，再准确放出支护桩位置中线等。拉森钢板桩采用带振动锤吊机施打。

②钢板桩施打前应逐根仔细检查钢板桩外观质量是否完好，抽检力学性能是否合格等，并清除连接锁口锈蚀、油污、杂质等，不使用变形严重或破损严重的板桩，不得使用不合格钢板桩，修整合格后才可使用。

③打桩前，在板桩的锁口内涂减摩材料，如油脂等润滑止水材料，降低摩阻力，以方便板桩的打入和拔出。

④测量人员在插打过程中实时监控测量每块钢板桩的斜度，确保每一块桩的倾斜度小于2%。当偏斜角度＞2%，且不能使用拉齐等方法校正顺直时，应拔出干板，重新施打。

⑤围堰施工使用屏风法施打钢板桩。将40 根钢板桩呈屏风状对称间隔成排插入导架内，施打应对称同时进行。屏风墙两端的板桩施打至设计深度后，采用焊接方式与围檩连接，中间位置按顺序分板桩一半的高度分别施打。屏风法施打精度高且封闭合拢容易，同时钢板桩不易弯曲变形、倾斜扭转。

施打顺序作为板桩施工工艺的关键环节之一，有正向、逆向、往复、中分、中和、复合等多种顺序。施打顺序直接影响了板桩垂直度、位移、轴线方向的伸缩、板桩墙的凹凸及打桩效率。当屏风墙两端已打设的板桩呈逆向倾斜时，应采用正向顺序施打。反之，采用逆向。当屏风墙两端板桩保持垂直状况时，可采用往复顺序施打。当板桩墙长度很长时，可用复合顺序施打。

板桩打设的公差标准如表2所示。

表2 钢板桩指标要求

⑥板桩之间密扣，且开挖后桩入土≥2.0m，需重点关注围堰的四个角，设置转角板桩确保板桩连接紧密。

⑦板桩打入至设计深度时，对围护桩应开展闭水试验，检查围堰的密封性，对检查中发现的漏水位置进行补漏，针对补漏位置需重点关注并由专人定期巡检。

3.2.4 内支撑的安装及拆除

为防土压力、水压力过大影响基坑稳定，基坑土方开挖过程中须同时安装内支撑，内支撑包括冠梁和腰梁、对撑和角撑、横梁和支柱等。

各个部位的内支撑设置不仅要考虑结构受力，还应确保板桩设置不能影响基坑内部的工序施工。内支撑的设置按照“自上而下、先撑后挖、随挖随撑”原则。无缝钢管对撑安装与H 型钢围檩正交且紧密连接，及时安装隅撑，此外在对撑与钢围檩相交处设置20mm 厚钢端板。

无缝钢管对撑拆除应对称进行，避免内支撑的预加应力瞬间释放，导致围堰局部受力过大引起变形、开裂。焊缝质量是钢管对撑、H 型钢围檩等钢构件加工的重点环节，板状施打前应逐根进行详细的焊缝检查。

3.2.5 板桩的拔出

围堰板桩的拔出过程容易引起周边土体及地表沉降和位移，不当的振动施工会影响临近建筑物、管线的安全，危害地下结构施工。此外，板桩拔出后尽可能不损坏，以实现重复利用的目的。拔桩的方法、顺序及拔出时间、土孔处理措施也应引起重视。

板桩拔出采用振动锤，通过强力振动，强行扰动板桩周边地质土层，使板桩与周边土层产生间隙，降低两者之间的粘聚力，再通过起吊力作用将板桩强力拔出。

4 结构验算分析

4.1 设计安全等级

拉森钢板桩长度9.00m，基坑深度5.63m，嵌固深度3.37m。基坑采用二级基坑的安全系数验算，结构重要性系数为1.0。

4.2 内支撑刚度及材料抗力计算

内支撑体系中，圆管内支撑采用φ 426×8钢管桩，Q235钢材。围檩和斜撑型号为HW350×350×8×14，Q235 钢材。圆管内支撑支点刚度系数为：

圆管内支撑材料抗力为：

式中，ε为工程形式有关的调整系数,通常取1；φ为长细比有关调整系数，通常取0.9。

4.3 结构变形计算

工况一为插入钢板桩；工况二为开挖至高程-1.5m，在-1.0m 处安装内支撑；工况三为开挖至坑底高程-5.63m。

根据软件分析结果，各工况下钢管桩变形结果输出为工况一无变形、工况二如图2所示、工况三如图3所示。

图2 工况二钢管桩结构变形

图3 工况三钢管桩结构变形

根据输出结果，钢管桩最大水平变形发生在工况三，最大变形6.2mm。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）3.1.8 条文说明，钢板桩支护结构最大水平位移限制取0.01h=56.30mm，满足要求。

4.4 结构应力计算

4.4.1 截面强度分析

钢管内撑所受最大轴力发生在工况三，最大轴力为69kN，单元计算轴力为97kN，取最大值计算。对应竖向最大弯矩为12.96kN·m，水平弯矩为11.16kN·m。根据输出结果，H 型钢斜撑所受最大轴力发生在工况三，最大轴力为66.37kN，对应竖向最大弯矩为7.93N·m，水平弯矩为12.74kN·m。根据输出结果，H 型钢围檩所受最大轴力发生在工况三，最大轴力为57.26kN，对应竖向最大弯矩为4.39kN·m，水平弯矩为54.58kN·m。

钢管内撑拟采用Q235 钢材，抗压、抗弯强度设计值为215MPa。

H 型钢斜撑采用Q235 钢材，抗压、抗弯强度设计值为215MPa。

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）圆形截面压弯构件截面强度计算公式为：

式中，N为钢管内撑所受轴力（N）；Mx、My分别为同一截面处对x 轴和y 轴的弯矩设计值（N·mm）；An为净截面面积（mm）；Wn为圆管净截面模量（mm3）；rm为截面塑性发展系数，取1.0。

计算得出，钢管内撑截面强度25MPa＜215MPa，满足要求。斜撑H型钢绕X 轴最不利位置截面强度大小为10MPa＜215MPa，绕Y 轴最不利位置截面强度大小为23MPa＜215MPa，满足要求。围檩H 型钢截面强度大小为28MPa＜215MPa。

4.4.2 稳定性分析

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）圆形截面压弯构件稳定性计算公式为：

式中，N为钢管内撑所受轴力（N）；Mx、My分别为同一截面处对x 轴和y 轴的弯矩设计值（N·mm）；W为圆管净截面模量（mm3）；φ为轴心受压构件稳定系数，圆管内撑取0.592，H 型钢斜撑取0.864。

计算得出，钢管内撑稳定性32MPa/215MPa=0.15＜1，满足要求。

计算得出，斜撑H 型钢绕X 轴最不利位置稳定应力大小为11MPa/215MPa=0.05＜1，绕Y 轴最不利位置稳定应力大小为24MPa/215MPa=0.11＜1，满足要求。

计算得出，H 型钢围檩稳定性28MPa/345MPa=0.13＜1，满足要求。