刘鸽，黄修平，庾焱秋，江晓阳，罗亚林，贺祖浩

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；4.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着我国经济实力的不断增长，对基础设施的需求日益增加。特大型跨江跨河桥的出现，对桥梁基础的设计及施工提出了更高的要求。为适应桥梁上部结构重载、大跨等特点，基础向深水大尺寸方向发展，单跨过江致使基础一般位于河道近堤处。

近堤处的承台施工中，支护结构两侧泥面高差很大，导致存在不平衡土压力，同时开挖过程中基坑的稳定性常与大堤稳定性相互影响，支护体系设计难度大，往往面临着严峻的安全风险。钢板桩围堰以其施工简便、经济性好、防漏性能好等特点，被广泛应用于开挖深度不大于11 m 以内的承台基础施工中[1-8]。然而，钢板桩相对于钻孔灌注桩、双壁钢围堰等支护体系，刚度较小，不平衡土压力导致板桩顶整体变形很大，仅采用钢板桩围堰无法解决此问题，须辅以其他减小不平衡土压力的措施。

为确保近堤承台的安全施工，进一步发挥钢板桩围堰在深水基础施工的优势，本文依托龙潭长江大桥南塔承台，通过对支护体系结构设计、受力分析及施工过程中的应力位移监测，从而指导同类型近堤深水钢板桩围堰的设计施工。

1 近堤深水承台施工支护体系设计思路

近堤承台一般埋于浅滩斜面上，采用钢板桩围堰支护是最便利、最节省成本的方式，但由于其刚度较弱，面临整体位移过大的风险[2]。造成位移过大的原因有：一是两侧泥面高度差及大堤上的车辆荷载造成近堤侧与亲水侧土压力差别较大，不平衡的土压力造成围堰整体向河侧变形；二是有限元计算中，钢板桩采用杆系单元模拟，未考虑变形增大后钢板桩墙锁扣间的整体咬合作用，不平衡土压力引起的变形通过围檩支撑直接传递到河侧板桩，导致位移计算较实际偏大。

针对不平衡土压力，有以“顶、卸、挡、加固”为思路的多种解决方案来辅助钢板桩围堰施工：1）在钢护筒上增设顶撑；2）开挖放坡，对大堤侧土体进行卸载；3）堤脚设置抗滑桩，抗滑桩可采用灌注桩或钢管桩；4） 采用高压旋喷桩加固近堤侧土体，增强土体抗剪强度。4 种方法（表1）工程中均有应用，各有优缺点，设计中需结合实际情况择优采用一种或多种支护形式。

表1 不平衡土压力作用下基坑支护形式Table 1 Supporting type of foundation pit under unbalanced soil pressure

2 工程概况

龙潭长江大桥主桥是主跨1 560 m 的两塔单跨钢箱梁悬索桥，南塔为钻孔灌注桩群桩基础，承台为哑铃形，在每侧塔柱下承台平面尺寸为33.5 m（横桥向）×40.5 m（顺桥向），厚度6 m。两承台之间通过6 m 厚系梁相连。承台顶标高4 m，底标高为-2 m。

根据近10 a 南京站10 月份潮位统计数据，承台施工期间设计高水位+4.217 m，设计低水位+1.10 m。筑岛施工承台，江侧及下游侧采用钢管桩挡土，整个区域回填至+7.5 m 标高。承台边缘距离堤脚21.5 m，大堤顶标高+9.2 m，江侧泥面标高+1.6 m，上游侧泥面标高+7.5 m，下游侧泥面标高+4.0 m，下游靠江侧泥面逐渐过渡至+1.6 m，大堤江侧最大高差7.6 m，上游下游侧最大高差5.9 m，河床断面呈两方向斜槽状态。承台最大埋深9.5 m，土质从上到下主要为素填土、淤泥质粉质黏土、粉砂夹粉土，其中，淤泥质粉质黏土层最大厚度9.8 m，施工风险大，需采取可靠的减小不平衡土压力的措施辅助钢板桩围堰施工，保证施工安全。另外，承台开挖深度大，紧邻江水，基坑施工过程中可能存在承压水头冲破隔水顶板，有突涌的风险，设计中需特别重视。

3 支护体系设计

3.1 结构设计

进行龙潭南塔主墩支护体系设计时，既要对大堤侧与江侧、上下游侧高差引起的不平衡土压力采取措施支护，又要对承台开挖深基坑进行支护，形成组合式支护体系。承台为哑铃形，围堰平面可选用形式为矩形、哑铃形，鉴于哑铃形板桩施打定位难度大，且围檩支撑型钢焊接量大，连接节点受力复杂，用钢量大，经过比选，推荐平面采用矩形。

设计方案为：承台基坑支护采用钢板桩围堰，大堤侧采用抗滑桩辅助措施，上游侧采用开挖边坡卸土辅助措施，如图1 所示。

图1 支护体系结构图Fig.1 Supporting system structure diagram

钢板桩围堰尺寸为在承台外轮廓的基础上外扩1.5 m，即43.5 m×81.95 m。钢板桩采用SPIVw 型号，长18.0 m，钢板桩顶标高+6.00 m，底标高-12.00 m，设置两道支撑体系，标高为+5.00 m、+1.00 m。基坑采用干挖排水施工，封底混凝土厚度0.5 m。

大堤侧抗滑桩直径1.8 m，间距2.3 m，其上设置帽梁。抗滑桩中心距堤脚17.4 m，距钢板桩边缘2.18 m。抗滑桩同时当龙门吊轨道基础用，龙门吊横跨承台施工区域，江侧龙门吊轨道基础设置于钢管排架上。抗滑桩兼顾龙门吊轨道基础，其变形要求更高。

上游侧泥面标高从+7.5 m 卸土至+5.5 m，卸土范围不小于4.5 m。下游侧低于+4.0 m 标高区域进行抛石防护，防护至+5.0 m 标高，防护范围不小于3 m。同时江侧泥面抛石防护至+2.5 m。

3.2 施工流程

施工工序如下：1）回填筑岛平台，进行钻孔灌注桩及堤脚防护桩的施工；2）钢板桩四周泥面进行开挖、防护处理；3）插打钢板桩；4）开挖至第1 层支撑围檩下，安装第1 层支撑围檩；5）降水并开挖至第2 层支撑围檩下，安装第2 层支撑围檩及联系撑；6）降水并开挖至基坑底；7）浇筑混凝土垫层；8）浇筑第1 层2.0 m 厚承台；9） 体系转换，拆除第2 层支撑，浇筑第2 层承台；10）浇筑塔座；11）土体回填，拆除支撑围檩及钢板桩。

4 结构计算分析

4.1 钢板桩入土深度的确定

钢板桩入土深度由围堰开挖至基坑底时嵌固稳定、抗隆起稳定性、流土稳定性确定。计算时取较为不利的上游侧和大堤侧分别进行计算，其中大堤侧选取抗滑桩底为计算点进行计算。抗隆起稳定、流土稳定性易满足要求，嵌固稳定若考虑上游侧原始泥面+7.5 m，18 m 桩长底标高-10.5 m，嵌固稳定系数仅1.12，不满足要求，因此要求在上游侧卸2 m 高度、宽度不得小于4.5 m 的土，板桩顶标高调整为+6 m，底标高-12 m，嵌固稳定系数达1.26＞1.25，确保围堰开挖期间不会发生踢脚破坏。

4.2 结构整体计算

采用有限元软件对结构进行计算，钢板桩底部竖向约束，被动土压力采用只受压土弹簧模拟，围檩与钢板桩之间采用只受压弹簧模拟。

结合施工流程，对围堰施工阶段进行分析计算。经计算，最不利工况为开挖至基坑底工况，钢板桩的强度σmax= 241 MPa＜f = 260 MPa，围檩的强度σmax=180 MPa＜f=205 MPa，τmax=51 MPa＜fv= 125 MPa，支撑的强度σmax= 170 MPa ＜f =215 MPa，强度满足规范要求。

4.3 不平衡土压力对大堤的影响分析

4.3.1 施工期结构水平位移分析

承台位于双向斜槽处，对支护结构造成不平衡土压力，引起整体大堤有向江侧位发生位移的趋势。同时，深基坑土体开挖、堤脚抗滑桩与板桩之间土体卸载均会对大堤稳定性、抗滑桩位移产生影响，为了确保施工期大堤的稳定、龙门吊的安全使用，采用岩土有限元软件建立大堤、抗滑桩及围堰结构的二维模型，土体本构关系采用莫尔-库仑模型。抗滑桩及围堰支撑刚度根据实际间距进行等比例折减，荷载考虑自重、大堤侧施工超载，边界条件为约束土体两侧法向位移，底部固结。

施工期可能出现的最高水位和最低水位下，大堤稳定计算结果如图2、表2 所示。通过对基坑开挖过程中支护结构水平位移计算，大堤、防护桩、钢板桩均发生了背离大堤侧的水平位移，主要是由于受到两侧不平衡土压力的影响。计算表明：大堤稳定安全满足要求，大堤整体水平位移17.6 mm，钢板桩水平位移20.2 mm，抗滑桩最大水平位移15.7 mm，可确保基坑开挖期间龙门吊、大堤安全。

图2 大堤水平位移理论计算值（m）Fig.2 The theoretical calculation value of the horizontal displacement of the embankment(m)

表2 大堤稳定相关计算结果Table 2 Calculation results related to embankment stability

4.3.2 深层土体水平位移监测

采用测斜仪对深层土体位移进行测量，来间接反映钢板桩及抗滑桩桩身的位移。施工时在大堤侧围堰钢板桩中部位置埋设测斜管，开挖过程中进行实时监测（如图3 所示），大堤侧测斜孔中最大水平位移在开挖至基坑底达到最大，约59 mm，竖向在接近基坑底的位置（标高-2.5 m 处）最大，而理论计算此处水平位移最大约19 mm，实测位移与理论计算结果相差较大。

图3 深层土体水平位移监测数据Fig.4 Monitoring data of horizontal displacement of deep soil

造成差异的原因经分析有：1）在插打钢板桩的过程中，板桩人为斜向插打，后期安装围檩过程中板桩与围檩间缝隙未进行塞垫，导致土体压力前期几乎全由板桩承受，支撑未充分发挥作用，支撑应力监测结果很小也充分说明此问题。结合施工期大堤计算模型，若不考虑支撑作用，最大水平位移约45 mm，与实测结果较为接近；2）基坑开挖过程中存在超挖现象，导致土体向江侧位移比理论计算偏大；3）作业车辆超载行驶于大堤侧，造成位移偏大，尤其对龙门吊基础影响较大。为确保安全施工，后续施工即时采取了相应措施，龙门吊限载，对轨道重新固定调整，对围檩与板桩间进行塞垫紧密处理，同时加大监测力度。鉴于此，浇垫层混凝土及承台过程中深层土体位移趋于稳定，抗滑桩及大堤在承台施工期安全。

4.4 基坑内降水井布设

为防止坑底突涌事故的发生，基坑内采用坑内管井与集水抽排相结合的方式，基坑内根据地质差异共布设9 口井，下游侧局部加密布设。降水井直径为273 mm，上部9 m 为实心管，下部12 m 为滤管，降水井总长度为7.5 m，单井出水量按270 m3/d 考虑。同时针对降水对大堤的沉降影响进行了分析，计算得大堤处最大沉降1.9 mm，降水对大堤影响较小，沉降量与降深密切相关，施工期间根据情况采用小功率泵按需降水，避免降深过大，实际涌水量较小，确保了基坑干施工的安全环境。

5 结语

龙潭长江大桥南主墩围堰工程已成功实施，工程施工顺利。围堰处于双向斜槽，两侧泥面高差大，由此引起的不平衡土压力会导致整体结构向江侧位移。通过采用钢板桩+抗滑桩的方案，同时在不均匀两侧开挖和抛填减少高差，结果表明该方案能很好地解决基坑开挖对大堤及支护结构稳定的影响。对大堤及支护体系进行了位移监测，保障了工程实施过程安全。为类似地质条件下的支护体系设计提供了成功的案例。