陈创坚 吴建军 李淼森

1 工程概述

某拟建大桥跨越长江主航道,其南塔紧贴长江西岸大堤,承台基坑开挖深度为10 m,平面开挖尺寸72 m×34 m。开挖施工在筑岛平台上进行,填土厚度4 m,建议对这部分填土进行放坡、卸载开挖,挖到原地面标高后采取支护开挖。

2 地质概况

2.1 工程地质参数

河床为由上游倾向下游的缓坡,高程-4.94 m～0.82 m,由于采砂局部形成小型陡坎。墩位处平台回填土下地层分布第①层为全新统软塑亚黏土和松散的粉砂,易被冲刷;第②层为全新统稍密～中密的砂类土及密实砾石土,地层呈从上至下颗粒由细至粗的韵律,分别为细、中砂、圆砾土,密实度也以稍密～中密～密实。

2.2 气候、水文概况

桥址处最低水位出现在11月下旬至次年的2月上旬,最低水位标高+3.0 m,施工平台地面标高+0 m,上层滞水为人工填土、粉质黏土,水量较小,不具备统一的自由面。

3 基坑开挖方案的确定

3.1 挡土灌注桩防护

支护形式及特点:挡土灌注排桩是以现场灌注桩按照队列形式布置组成的支护体系。其特点是刚度大,抗弯强度高,变形小,适应性强,对工作场地要求不高,振动小,但是造价较高且止水能力较差。

适用条件:适用于基坑坑壁安全等级一、二、三级;在软土场中支护悬臂长度不宜超过5 m;当地下水位高于基坑地面时不能单独使用。

3.2 排桩内支撑支护

支护形式及特点:在排桩内侧设置型钢或钢筋混凝土水平支撑,用以支挡基坑侧壁。其特点是受力合理,易于控制变形,安全可靠;但需要大量支护材料,基坑内施工受一定影响。

适用条件:适用于基坑坑壁安全等级一、二、三级;适用于各种不易设置锚杆的松软土层及软土地基;可与降水及止水措施结合使用。

加水平支撑时,为保证排桩支护的抗弯刚度,灌注桩采用φ 1.0 m灌注桩防护,坑周每延米防护孔桩一根,桩长统一取20 m。支护采用钢管或型钢支护,若采用φ 580 mm,壁厚10 mm钢管作为水平支撑及临时支墩,假定每6 m一道水平支撑,沿高度方向布设2层,中间布设3排(每8 m一排)临时支墩。

3.3 钢板桩支护

支护形式及特点:采用特制的型钢板桩,机械打入地下,构成一道连续的板墙,形成挡土、挡水的围护结构,其特点是承载力高、刚度大、整体性好、锁扣紧密、水密性强,能适应各种形状基坑及地层,打设方便、施工快速,可回收使用,但需要大量钢材,一次性投资较高。

适用条件:基坑侧壁安全带为国际二、三级;基坑周围场地满足堆放条件,土质较好;可独立或与其他支护方法结合使用;当地下水位高于坡脚时,应采用降水措施。

3.4 灌注桩结合水泥土桩组合支护

支护形式及特点:在基坑周围按一定间距布设灌注桩,然后紧靠灌注桩内侧与外径相切设置高压水泥旋喷桩(见图1),使其形成具有一定强度的组合体,组成一道防水帷幕,这样既可抵抗土压力、水压力,又能起到挡水抗渗的作用。其特点是:利用灌注桩承载力高、抗弯能力强的特点及灌注桩间水泥土桩结合体防水抗渗的优势,承载力高、刚度大、防水性好,比连续排桩支护快速,节省水泥、钢材,造价相对较低,但所有支护均不可回收。

适用条件:尤其适合于地质条件差的淤泥、流砂土层,地下水位较高的深基坑开挖。

取混凝土灌注桩桩径1.0 m,桩间距0.6 m;桩间设置旋喷桩,桩径1.0 m。钻孔桩桩长20 m;旋喷桩桩长17 m。

3.5 钻孔咬合桩

支护形式及特点:钻孔咬合桩是用旋挖钻机钻孔,桩与桩之间相互咬合排列的一种基坑围护结构,如图2所示。

为便于切割咬合,桩的排列方式一般设计为一个素混凝土桩或异形钢筋混凝土桩(A桩)和一个钢筋混凝土桩(B桩)间隔布置。

其特点是:基于重力式挡土墙的工作原理,利用钢筋混凝土桩抵抗坑壁土主动土压力,利用素混凝土与钢筋混凝土组合体防水止水,形成止水帷幕,承载力大,对水平支护要求不高。

适用条件:适合于任何地层,尤其是淤泥质含水量高的地层,适用于狭窄场地垂直开挖的深基坑。

3.6 钢管桩与水泥土桩组合支护

支护形式及特点:采用钢管桩为主要支护,机械打入设计地层标高,对于受力要求较高部位打入前可对钢管桩进行适当改造,在两侧增设防滑型钢,钢管桩布设到位后,在其管内灌砂压实。然后,在钢管桩靠基坑外侧与管桩相切设置高压旋喷桩形成防水帷幕(见图3),达到支护基坑防水抗渗的目的。其特点是相对于灌注桩结合水泥土桩组合支护,用钢管桩代替了混凝土灌注桩,利用钢管桩抗弯强度大的特点及与水泥土桩组合体形成的防水帷幕,保证基坑开挖安全,而且钢管桩采用机械打入施工,速度快,且钢管桩材料可以回收,造价较低。

3.7 钢管桩与钢板桩组合支护

为了增大钢板桩围护的抗弯能力及刚度,可以将钢板桩和钢管桩结合使用,即在钢管桩两侧焊接连接槽钢,打入后与钢板桩相互咬合连接,形成组合体(见图4),这样既增大了支护构件的刚度和抗弯能力,也通过钢板桩咬合紧密的优点形成防水帷幕。其特点是:刚度大、抗弯能力强、能有效防水、机械化施工进度快,支护钢材需求量大,但基本全可回收利用。

适用条件:适用多种地质条件,尤其是淤泥质、流砂地层;适用于工期紧,受气候影响大的地区;如果施工现场存有一定数量的钢管或钢板桩,可以有效利用,大大节省费用。

3.8 锁口钢管桩支护

支护形式及特点:该支护形式通过L-T型钢阴阳锁口接头将钢管桩相互连接形成一种整体支护形式(见图5),充分利用了钢管桩的刚度及较强的抗弯能力,同时通过锁口连接提高了支护的稳定性及整体受力性能。其特点是锁口钢管桩的加工制作简单、快速,施工工序简洁,精度要求不高,施工工期短;锁口钢管桩本身刚度较大能深嵌入河床中,整体稳定性非常好,围堰内无须复杂的内支撑体系,为承台施工提供少支撑干扰的作业空间和可靠的安全保障;锁口钢管桩可全部拔除,用于本桥的上部结构施工支架和其他工地的同类工程施工,材料周转利用率高,经济效益明显;施工进度较快,较大的节约了工期和成本。

缺点:这种结构形式的围堰阴阳锁口接头处一般很难密封,围护防渗闭水能力较差,一般需要水下浇筑混凝土封底。

适用条件:适用多种地质条件,尤其是水位较低的淤泥质、流砂地层;适用于工期紧,受气候影响大的地区;根据施工现场钢管等材料的储备情况,可以有效利用已有材料,大大节省费用。

3.9 方案比选结果

对8种可行的围护方案从支护费用、施工时效、技术难度和设备要求等几个方面进行综合分析比较,然后进行综合排序,结果见表1。

表1 基坑支护综合比选(费用为每延米基坑支护费用)

采用钢板桩支护方案费用最高,而且所有钢板桩都需要新购;而施工现场目前存有大量的钢管桩,综合考虑施工技术难度、施工耗时、对机械设备的要求及支护费用等因素,结合施工单位现场已有支护材料情况,建议采用锁口钢管桩支护方案。

4 结语

基于放坡、支护相结合,机械人工相配合,出渣与坑顶卸载同步的基坑开挖方案。采用锁口钢管桩围护形式对于保证施工进度、安全,提高施工时效、节约成本等都比较合适,是符合本工程实际的一种基坑开挖支护方案。

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