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大桥深基坑支护技术研究

  • 来源:学术杂志
  • 作者: 宋艳磊
  • 发表于:2019-04-23 16:27:52
  • 点击:327

1工程概况

石济客运专线景德特大桥施工起讫里程为DK162+863~D2K197+801.18,全长34 937.58m。804#、805#墩均位于河道内岸滩区域,水位受岔河调水、农田灌溉影响。现有水面宽52m,水深1m左右,水面距804#、805#承台边水平距离分别为8m、5m。804#、805#桥墩均采用双线圆端形实体桥墩,基础均采用16根1.5m钢筋混凝土钻孔灌注桩,承台均采用14.6m×14.6m×3.5m+11.2m×9.6m×3m钢筋混凝土二级承台,承台顶高程分别为+10.04m、+9.904m,承台底高程分别为+3.54m、+3.404m,原地面高程分别为+12.9m、+12.8m,地下水位高程为+12.57m,基坑最大挖深为10m(不含封底),承台的具体结构如图1所示。由于地下水位较高且基坑较深,为保证安全施工,确保施工质量,需要对804#、805#桥墩承台施工采取相应的支护方案。

2基坑支护方案设计

2.1支护方案选择

[1-7]根据设计文件的要求,根据804#、805#墩深基坑支护方式分别对钢板桩围堰、钻孔防护桩加止水帷幕两种方案进行比选。方案一:钢板桩围堰。钢板桩围堰施工比较简单,结构受力明确。施工中插打方便,工艺成熟,且拉森钢板桩封水效果较好。但常用的钢板桩刚度小,深基坑变形量大,需加密内部支撑,内支撑对承台基坑开挖和承台施工有部分影响。从施工难度方面:SPU-Ⅳ型钢板桩采用履带吊吊装到位,然后利用振动锤进行插打作业,围堰内开挖可采用不排水开挖。钢板桩围堰从插打安装到垫层混凝土浇筑需约20d,造价约65万元(按75d工期考虑,租赁费1 800元/d)。方案二:钻孔防护桩加止水帷幕。钻孔防护桩加止水帷幕刚度比较大,施工中也容易打到地层中,但施工中桩之间的咬合效果封水较难。同时,钻孔防护桩加止水帷幕围堰采用旋挖钻施工钻孔桩支柱、三轴搅拌桩机施工止水帷幕,由于地层处于河滩区,上部有砂层,对于密集的钻孔可能发生串孔、塌孔现象,且止水帷幕与支柱的衔接止水效果差。施工工期需约25d,造价约110万元。经过综合研究和利弊分析,认为采用钻孔防护桩加止水帷幕支护方案造价偏高,且钻孔防护桩和止水帷幕无法回收,永久埋在地下,造成了一定程度的浪费和环境污染;而钢板桩围堰支护技术相对比较成熟,且造价低,同时钢板桩可以回收。综合以上考虑,最终决定对804#、805#墩深基坑基础采用钢板桩支护方案。

2.2支护方案设计

804#、805#墩一级承台平面尺寸为14.6m×14.6m,高为3.5m;二级承台平面尺寸为11.2m×9.6m,高为3.0m;承台下16根1.5m钻孔灌注桩;承台底高程分别为+3.54m、+3.404m,承台顶高程分别为+10.04m、+9.904m,施工平台面高程分别处理至+13.54m、+13.40m后,开始插打钢板桩。支护体系内侧尺寸1 690cm×1 690cm,上下共布置3道内支撑。两个基坑的共同特点是河岸侧为缓坡,坡顶比基坑顶分别高出4.14m、4.93m。经计算,此高坡对基坑支护结构的影响较大。实际施工时拟对此高坡进行削平处理,处理至离基坑边缘10m处。拉森桩围堰共设置3层腰梁及内支撑,其中3道腰梁采用2根I50a并置倒放,内支撑的布置不应影响到承台及墩身的施工,故采用2道508mm×10mm钢管角撑。支护结构布置详见图2和图3所示。据计算各工况的情况,得知桩最大位移在第3道支撑和坑底之间,为便于开挖,计划围堰基坑分四次开挖:(钢板桩顶为±0m)第1次开挖1m深,在0.5m深位置安装第1道2I50a腰梁及4个②号角撑,2个①号角撑,留出在远离河岸侧①号角撑不安装,以便于开挖,出土。第2次开挖3.5m深,在3.0m深位置安装第2道2I50a腰梁及4个②号角撑,2个①号角撑,留出在远离河岸侧①号角撑不安装,以便于开挖、出土。第3次开挖6.5m深,在6.0m深位置安装第3道2I50a腰梁、4个②号角撑,4个①号角撑,及第1道、第2道剩余的①号角撑。第4次开挖至10.3m深,即在垫层基底位置时,立即进行混凝土垫层施工。封底层混凝土厚度0.3m,强度等级C30。

3支护方案计算

3.1计算模型的建立

钢板桩围堰主要是承受桩侧土的侧压力,而钢板桩围堰多采用有限元软件进行计算,按照朗金土压力公式或者库伦土压力公式计算土的抗力,这种方法对土的侧压力计算不够准确,而据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012),则按照弹性法根据土的性质分别采用水土分算和水土合算方法能够准确计算土侧压力,从而使得钢板桩围堰的计算结果更加准确可靠。围堰采用《理正深基坑7.0》软件整体建模计算。整体建模计算可以较为准确的模拟结构的力学行为,如内力和变形等。计算时土压力按弹性法、结构计算按极限状态法,基坑外侧不排水。由于804#墩远河一侧,原始地面较高,考虑卸土至基坑顶标高,水平范围自基坑边缘向外10m。另外,高出的4.14m地层土荷载作为超载(88.2kPa)考虑。计算工况有4个,即下挖到1m、3.5m以及6.5m和10.3m。在拆除内撑时考虑边回填边拆,该过程不是控制工况,不对其进行计算。每种工况的计算模型均不相同。开挖至基坑底时计算模型的三维渲染图及线条图分别见图4和图5所示。建立上述模型时,所受荷载为土体(含水)侧压力,由软件根据土层参数自动计算;钢板桩与土的接触边界条件,根据《建筑基坑支护技术规程》中弹性法,软件会简化为水平弹性支撑自行处理;腰梁及支撑梁的两端均按固结考虑。

3.2计算结果及分析

图6分别示出了开挖过程4个计算工况的支护结构整体变形情况。从图6可以看出,开挖到基底时钢板桩的横向变形最大(图6(d)),最大变形值23.79mm,位于最下方内撑与基底之间。参照《铁路路基支挡结构设计规范》(TB 10025—2006),最大位移23.79mm<L/100=3 800mm/100=38mm。钢板桩结构内力:钢板桩法向(即垂直于侧边)弯矩、腰梁的水平弯矩以及角撑的轴力是分别控制这三种结构设计的主要因素,具体结果分别见图7、图8。从开挖过程4个计算工况的整体钢板桩弯矩情况(图7)可以看出,开挖到基底时钢板桩的横向(法向)弯矩最大,单桩最大弯矩值992.7kN•m。但从第1计算工况就可以看出,由于软件显示的问题,角桩的弯矩值是奇异的。实际单桩最大弯矩为236.0kN•m,其单延米抗弯模量为1 600cm3,所以最大应力:236.0kN•m×1 000/(1 600cm3)=147.5MPa<215MPa,此弯矩值位于支护桩的角部,即角桩位置(如图7(d)所示)。腰梁内力图如图8(a)、图8(b)所示。从图中可以看出,开挖至基底时腰梁的弯矩及轴力最大。最大弯矩M发生在第3层腰梁,为398kN•m,其对应的轴力N为1 265kN。腰梁采用2I50a,抗弯模量W为3 720cm3,截面积A为238cm2,最大正应力:N/A+M/W=160.0MPa<215MPa,满足要求。开挖至基底时内撑的轴力及弯矩最大。图8(c)、图8(d)所示分别为此工况内撑的轴力图、弯矩图。最大轴力N发生在第3层内撑,为1 986kN,其对应的弯矩M为31.96kN•m。角撑均为508mm×10mm螺旋钢管,故最大正应力为:N/A+M/W=129.1MPa<215MPa。由于强度水平较低,而且角撑较短,不再进行受压稳定计算。此外,软件计算得到的整体稳定、抗隆起和抗管涌计算均满足要求,篇幅所限,其具体的计算结果不再列出。

4结束语

针对景德特大桥10m深基坑承台施工的支护问题,经过各方面的分析对比,最终采用了经典的钢板桩围堰支护方案,根据承台的尺寸,同时为了满足施工作业空间要求,并且结合工地现有的施工材料,合理确定了围堰的尺寸和腰梁、内撑的布置。对于深基坑支护结构,采用极限状态法,使用理正深基坑7.0软件进行了设计计算,计算结果表明围堰和腰梁、内撑的强度和变形均满足要求。内撑的应力129.1MPa安全储备较大,但是由于工地有库存的508mm×10mm螺旋钢管,不用重新购买材料,节省了资金和时间,符合经济效益的要求。目前承台施工已经完成,在承台施工过程中,经过监测,围堰的最大变形位置与计算位置相符,且最大变形为21mm,与计算结果23.79mm误差仅为13%,这表明计算模型比较准确地模拟了围堰的受力状态。最终围堰的维护保证了工程安全,可为同类型的深基坑的设计和施工提供有益的借鉴。

作者单位:中铁十八局集团北京中铁大都工程有限公司


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