论文部分内容阅读
摘要:本文结合湖南湘江某公路大桥南塔承台基坑的特点，阐述了基坑支护方案的比选、数值计算和施工工艺及流程，确保了该桥基础能够安全、顺利地施工。
关键词： 湘江某公路大桥；基坑开挖；锁扣钢管桩；支护方案；
中图分类号： TV551.4 文献标识码： A 文章编号：
1工程地质概况
湘江某公路大桥左汊主桥采用2 ×1 080 m三塔两跨悬索桥，左汊主桥南边塔位于桥址区湘江主航道东侧，紧贴西岸大堤。距其约110 m、钻孔揭示深度范围内(90 m)为第四系全新统粘性土、砂类土、砾石土。墩位处地层分布如下：第一层为种植土，以粘土为主：第二层为全新统软塑亚粘土和松散的粉砂：第三层为全新统稍密一中密的砂类土及密实砾石土，地层从上至下颗粒呈由细至粗的规律，分别为细砂、中砂、圆砾土，密实度也呈现由稍密、中密至密实的规律。砂类土呈松散一中密状。第四层为侏罗系罗岭组泥质粉砂岩、砂质泥岩。
2基坑支护方案
该桥南塔承台基坑开挖尺寸在72 m × 34 m左右，深度约为10 m，属于大面积深基坑。结合该基坑面积大、基坑深、土层松软、地下水丰富的特点，对以下基坑支护方案进行了比较。
(1) 挡土灌注桩防护。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，但造价较高，且止水能力较差。这种支护方案适用于安全等级为一、二、三级的基坑坑壁；在软土场中，支护悬臂长度不宜超过5m。灌注桩采用直径为1.2~ 1.5 m的灌注桩防护，若按直径1.2 m桩径考虑，坑周每延米防护5/6孔桩一根，桩长统一取20 m。则沿坑周每延米支护费用为27 402.53元。
(2) 排桩内支撑支护。受力合理，易于控制变形，安全可靠，但需要大量支护材料。适用于基坑坑壁安全等级为一、二、三级时；适用于各种不易设置锚杆的松软土层及软土地基。灌注桩采用1.0 m直径灌注桩防护，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580mm、壁厚l0mm的钢管作为水平支撑及临时支墩，假定每6m设一道水平支撑，沿高度方向布设2层，中间布设3排(每8m一排)临时支墩，则沿坑周每延米的支护费用为26 669元。
(3)锁口钢管桩支护。加工制作简单，施工工序简洁，精度要求不高，施工工期短。适用于多种地质条件，尤其是水位较低的淤泥质、流沙地层；适用于工期紧、受气候影响大的地区。钢管桩直径0.8m(壁厚0.01 m)，桩长22 m，桩心距1.0 m；连接槽钢规格100 mm ×48mm × 10mm，重13.73吨kgm-1，桩长20 m。则沿坑周每延米支护费用为28 548.10元。
经综合比较，最终选择“锁扣钢管桩”支护方案。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(图1)，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。
图1锁口钢管桩结构
3锁扣钢管桩支护方案计算
采用直径800 mm、厚10 mm的钢管桩支护，钢管桩长22 m，入土深度为12m，钢管桩间距lm；钢管桩之间设置锁口，锁扣内密填优质粘土止水；基坑内部使用Q235的空心钢管作为横撑，钢管直径30 cm，厚1 cm。第一道横撑距离基坑顶以下2.5 m；第二道横撑距离基坑顶以下5.5 m。为了增加内撑的稳定性，在横撑中间等距布设3排立柱，立柱间距8.5 m，尽量避免对承台施工的影响。钢管桩安装就位后，内填砂土并水夯密实。
3.1土层参数
根据勘察报告所提供的土层物理性质指标，土层的计算参数如表1所示。
3.2计算方法及计算工况
土压力采用古典朗金理论计算，钢管桩内力及位移采用M法计算，进行整体稳定性、抗隆起、抗倾覆、抗管涌验算。具体计算工况主要结合基坑工程的支护结构和施工方案划分为5个工况，见表2。
3.3计算结果
各工况计算结果见表3。承台基坑施工采用800 mm × 10 mm锁口钢管桩围堰，根据计算成果钢管桩最大弯矩为232.33 kNm，最大剪力为247.42 kN，桩身强度验算合格。基坑工程整体稳定性验算：桩长22.00 m，桩嵌固深度12.00 m，工况5的稳定系数k值最小为2.032，大于规范规定的最小值1.2，验算合格。所有验算项目均符合规范要求。
3.4锁扣钢管桩支护结构
锁扣钢管桩采用的围护桩为0.8 m空心钢管，壁厚0.8 cm，间距1 m；围檩为I630 × 176 × 13三工字钢；水平横撑为0.8 m空心钢管，壁厚1 cm：临时支墩为I400 × 200 × 8工字钢。具体尺寸如图2所示。计算时采用Midas Civil有限元分析程序，建立节点6 836个，梁单元10 739个，计算结果均满足设计要求。
图2围护结构
4施工及监测
4.1基坑开挖方案
该桥承台基坑开控方量大，开挖施工在人工筑岛平台上进行，场地较为狭窄，平台靠岸侧有施工便桥通往岸上道路，出渣比较方便。由于基坑开挖深度在10 m左右，土层基本为流塑性粉砂土，自稳性较差，因此尽可能减少基坑周围渣土堆放，以减少对基坑支护的主动土压力。在筑岛过程中，基坑上部有3--4 m厚人工填土，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。由于基坑开挖方量较大，为减少基坑支护工作时间，建议采取机械开挖为主、人工开挖配合的基坑开挖方法。在确保支护工作正常的情况下，尽量采用机械开挖以节省成本和加快进度，接近设计标高以及靠近支护部位可采用人工配合开挖的方法进行，这样既可以节省支护施工的时间，又可以减少对关键部位及对支护结构的扰动。因此，最终采用非放坡有支护形式、机械人工相配合、出渣与坑顶卸载同步的基坑开挖方案。
4.2施工工艺及流程
4.2.1锁扣钢管桩的制作
钢管桩桩长设计要求大于12m，利用施工现场存有的大量钢管桩进行接桩和制桩。锁口钢管桩支护结构，在基坑开挖过程中会产生一定的变形，可能会出现渗水及漏水问题，导致基坑止水部分失效而影响基坑开挖。为避免此类情况，可预留注浆花钢管作为辅助措施，必要时可作注浆处理或采用旋喷桩进行止水。结构如图3所示。
图3锁扣钢管桩防水结构
4.2.2锁扣钢管桩的安装
利用樁基施工的平台作为导向框进行钢管桩插打工作，先插打4根角桩，以固定围堰平面位置。然后遵照“先下游，后两侧，再上游中间合龙”的施工原则插打其余钢管桩。钢管板桩插打至设计高程后，立即与导向架进行焊接，以抵抗水流冲击。插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的原则。插打钢管桩时应保证其倾斜度不大于0.5%，且要紧靠内导框，其间隙不得大于20 mm。否则应采取措施检查加固内外导框。
施工中由于围堰较大，钢板桩在合龙时两侧往往不平行，可采取以下措施进行纠偏。
(1) 当钢板桩上端向合龙口倾斜时，在钢板桩顶端使用千斤顶互顶或用两套复式滑车组向外张拉来进行调整。
(2) 当钢板桩两侧各剩下几组尚未合龙时，可将钢板桩悬挂，由潜水员下水安设复式滑车组进行调整。
(3) 当合龙钢板桩插下时，通过施加压力使合龙钢板桩插下。
(4) 当钢板桩尚有很大长度未能套入锁口，且不能采用锤击方法打下时，通过在顶端安装复式滑车组将钢板桩拉入锁口。
4.2.3基坑开挖及承台施工
经有限元仿真分析，该围护结构基本满足承台基坑开挖及承台混凝土施工要求。分6个工况进行基坑开挖及承台施工，具体步骤如图4所示，基坑支护方案实施及承台混凝土浇筑如图5所示。
图4 基坑开挖及承台施工流程
图5 基坑支护方案实施及承台混凝土浇筑
4.3基坑开挖监控
为确保监控数据的可靠性，所有观测点均在基坑开挖前设置，并记录初始读数。基坑开挖过程中的监控内容如下。
(1) 围护结構顶部水平位移和沉降。测点布置及观测时间间隔遵循以下原则：在基坑四周每隔10~20 m处设一个观测点，不良地质段可适当加设。开挖初期每2~3d监测一次；随着开挖施工的推进，改为每天监测一次；当发现位移较大时，每天监测1~2次。
(2) 用钢筋应变计对桩身钢筋及锁口梁中较大应力断面出结构应力进行监测，防止出现护围结构性破坏。
(3) 在基坑四周各设一个测斜孔，测斜管长度根据板桩入土深度而定。(4) 在每层支撑中设4个轴力监测点，布点时注意对基坑边角部位支撑轴力的监测。对于钢管支撑，可采用压应力传感器或应变计等元件监测其受力状态的变化。
(5) 基坑周边每隔30 m处设置一个土压力盒，用以监测板桩背后的土压力变化。
(6) 在基坑周边分别设4个水位观测孔，采用精密水位计进行测读((SWJ-90型钢尺水位计，精度为1 mm)。
(7) 在承台基坑四周距基坑1~2 m处各布置一个沉降、位移观测点，观测点顶部刻“+”字标志，并埋设穿入地面，测点须做好保护，避免因外力产生人为沉降。支护结构的最大水平位移因控制在30mm以内，周围地面沉降变形控制在20mm以内，水平位移控制在25mm以内，地面沉降控制在15 mm以内，土体深层水平位移不超过50mm，连续3d的位移速率不超过3mmd-1。
5 结 语
(1) 结合湘江某公路大桥的基坑特点，本文从技术可靠性、施工可行性、经济合理性等方面对3种支护方案进行了比较，最终采用锁口钢管桩支护方案。
(2) 借助二维和三维空间有限元软件对锁口钢管桩围护结构进行了仿真分析，验证结果表明：本文采用的支护方案结构形式简单、受力明确、支护可靠。(3) 锁扣钢管桩围堰施工快、工艺简单，施工中做好防水等施工要点后，在大体积深水桥梁承台施工中有着较大的优势。承台施工实践证明，基坑支护方案和施工措施都是成功的；监测结果表明，基坑工程支护结构计算方法安全可靠，可为类似的基坑支护工程提供参考。
参考文献:
[1] 秦四清.深基坑工程优化设计[M] 北京：地震出版社，1998.
[2] 李斯海,张玉军.深基坑开挖与支护过程的平面有限元模拟[J].岩石力学与工程学报，1999，18(3):342-345.
[3] 靳会武,周春华.泰州大桥南塔承台深基坑支护技术[J].中外公路，2009，29(6)：198-201.
[4] 孙凯，许振刚，刘庭金等.深基坑的施工监侧及其数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23(2)：293-298.
关键词： 湘江某公路大桥；基坑开挖；锁扣钢管桩；支护方案；
中图分类号： TV551.4 文献标识码： A 文章编号：
1工程地质概况
湘江某公路大桥左汊主桥采用2 ×1 080 m三塔两跨悬索桥，左汊主桥南边塔位于桥址区湘江主航道东侧，紧贴西岸大堤。距其约110 m、钻孔揭示深度范围内(90 m)为第四系全新统粘性土、砂类土、砾石土。墩位处地层分布如下：第一层为种植土，以粘土为主：第二层为全新统软塑亚粘土和松散的粉砂：第三层为全新统稍密一中密的砂类土及密实砾石土，地层从上至下颗粒呈由细至粗的规律，分别为细砂、中砂、圆砾土，密实度也呈现由稍密、中密至密实的规律。砂类土呈松散一中密状。第四层为侏罗系罗岭组泥质粉砂岩、砂质泥岩。
2基坑支护方案
该桥南塔承台基坑开挖尺寸在72 m × 34 m左右，深度约为10 m，属于大面积深基坑。结合该基坑面积大、基坑深、土层松软、地下水丰富的特点，对以下基坑支护方案进行了比较。
(1) 挡土灌注桩防护。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，但造价较高，且止水能力较差。这种支护方案适用于安全等级为一、二、三级的基坑坑壁；在软土场中，支护悬臂长度不宜超过5m。灌注桩采用直径为1.2~ 1.5 m的灌注桩防护，若按直径1.2 m桩径考虑，坑周每延米防护5/6孔桩一根，桩长统一取20 m。则沿坑周每延米支护费用为27 402.53元。
(2) 排桩内支撑支护。受力合理，易于控制变形，安全可靠，但需要大量支护材料。适用于基坑坑壁安全等级为一、二、三级时；适用于各种不易设置锚杆的松软土层及软土地基。灌注桩采用1.0 m直径灌注桩防护，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580mm、壁厚l0mm的钢管作为水平支撑及临时支墩，假定每6m设一道水平支撑，沿高度方向布设2层，中间布设3排(每8m一排)临时支墩，则沿坑周每延米的支护费用为26 669元。
(3)锁口钢管桩支护。加工制作简单，施工工序简洁，精度要求不高，施工工期短。适用于多种地质条件，尤其是水位较低的淤泥质、流沙地层；适用于工期紧、受气候影响大的地区。钢管桩直径0.8m(壁厚0.01 m)，桩长22 m，桩心距1.0 m；连接槽钢规格100 mm ×48mm × 10mm，重13.73吨kgm-1，桩长20 m。则沿坑周每延米支护费用为28 548.10元。
经综合比较，最终选择“锁扣钢管桩”支护方案。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(图1)，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。
图1锁口钢管桩结构
3锁扣钢管桩支护方案计算
采用直径800 mm、厚10 mm的钢管桩支护，钢管桩长22 m，入土深度为12m，钢管桩间距lm；钢管桩之间设置锁口，锁扣内密填优质粘土止水；基坑内部使用Q235的空心钢管作为横撑，钢管直径30 cm，厚1 cm。第一道横撑距离基坑顶以下2.5 m；第二道横撑距离基坑顶以下5.5 m。为了增加内撑的稳定性，在横撑中间等距布设3排立柱，立柱间距8.5 m，尽量避免对承台施工的影响。钢管桩安装就位后，内填砂土并水夯密实。
3.1土层参数
根据勘察报告所提供的土层物理性质指标，土层的计算参数如表1所示。
3.2计算方法及计算工况
土压力采用古典朗金理论计算，钢管桩内力及位移采用M法计算，进行整体稳定性、抗隆起、抗倾覆、抗管涌验算。具体计算工况主要结合基坑工程的支护结构和施工方案划分为5个工况，见表2。
3.3计算结果
各工况计算结果见表3。承台基坑施工采用800 mm × 10 mm锁口钢管桩围堰，根据计算成果钢管桩最大弯矩为232.33 kNm，最大剪力为247.42 kN，桩身强度验算合格。基坑工程整体稳定性验算：桩长22.00 m，桩嵌固深度12.00 m，工况5的稳定系数k值最小为2.032，大于规范规定的最小值1.2，验算合格。所有验算项目均符合规范要求。
3.4锁扣钢管桩支护结构
锁扣钢管桩采用的围护桩为0.8 m空心钢管，壁厚0.8 cm，间距1 m；围檩为I630 × 176 × 13三工字钢；水平横撑为0.8 m空心钢管，壁厚1 cm：临时支墩为I400 × 200 × 8工字钢。具体尺寸如图2所示。计算时采用Midas Civil有限元分析程序，建立节点6 836个，梁单元10 739个，计算结果均满足设计要求。
图2围护结构
4施工及监测
4.1基坑开挖方案
该桥承台基坑开控方量大，开挖施工在人工筑岛平台上进行，场地较为狭窄，平台靠岸侧有施工便桥通往岸上道路，出渣比较方便。由于基坑开挖深度在10 m左右，土层基本为流塑性粉砂土，自稳性较差，因此尽可能减少基坑周围渣土堆放，以减少对基坑支护的主动土压力。在筑岛过程中，基坑上部有3--4 m厚人工填土，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。由于基坑开挖方量较大，为减少基坑支护工作时间，建议采取机械开挖为主、人工开挖配合的基坑开挖方法。在确保支护工作正常的情况下，尽量采用机械开挖以节省成本和加快进度，接近设计标高以及靠近支护部位可采用人工配合开挖的方法进行，这样既可以节省支护施工的时间，又可以减少对关键部位及对支护结构的扰动。因此，最终采用非放坡有支护形式、机械人工相配合、出渣与坑顶卸载同步的基坑开挖方案。
4.2施工工艺及流程
4.2.1锁扣钢管桩的制作
钢管桩桩长设计要求大于12m，利用施工现场存有的大量钢管桩进行接桩和制桩。锁口钢管桩支护结构，在基坑开挖过程中会产生一定的变形，可能会出现渗水及漏水问题，导致基坑止水部分失效而影响基坑开挖。为避免此类情况，可预留注浆花钢管作为辅助措施，必要时可作注浆处理或采用旋喷桩进行止水。结构如图3所示。
图3锁扣钢管桩防水结构
4.2.2锁扣钢管桩的安装
利用樁基施工的平台作为导向框进行钢管桩插打工作，先插打4根角桩，以固定围堰平面位置。然后遵照“先下游，后两侧，再上游中间合龙”的施工原则插打其余钢管桩。钢管板桩插打至设计高程后，立即与导向架进行焊接，以抵抗水流冲击。插打过程中，须遵守“插桩正直，分散即纠，调整合龙”的原则。插打钢管桩时应保证其倾斜度不大于0.5%，且要紧靠内导框，其间隙不得大于20 mm。否则应采取措施检查加固内外导框。
施工中由于围堰较大，钢板桩在合龙时两侧往往不平行，可采取以下措施进行纠偏。
(1) 当钢板桩上端向合龙口倾斜时，在钢板桩顶端使用千斤顶互顶或用两套复式滑车组向外张拉来进行调整。
(2) 当钢板桩两侧各剩下几组尚未合龙时，可将钢板桩悬挂，由潜水员下水安设复式滑车组进行调整。
(3) 当合龙钢板桩插下时，通过施加压力使合龙钢板桩插下。
(4) 当钢板桩尚有很大长度未能套入锁口，且不能采用锤击方法打下时，通过在顶端安装复式滑车组将钢板桩拉入锁口。
4.2.3基坑开挖及承台施工
经有限元仿真分析，该围护结构基本满足承台基坑开挖及承台混凝土施工要求。分6个工况进行基坑开挖及承台施工，具体步骤如图4所示，基坑支护方案实施及承台混凝土浇筑如图5所示。
图4 基坑开挖及承台施工流程
图5 基坑支护方案实施及承台混凝土浇筑
4.3基坑开挖监控
为确保监控数据的可靠性，所有观测点均在基坑开挖前设置，并记录初始读数。基坑开挖过程中的监控内容如下。
(1) 围护结構顶部水平位移和沉降。测点布置及观测时间间隔遵循以下原则：在基坑四周每隔10~20 m处设一个观测点，不良地质段可适当加设。开挖初期每2~3d监测一次；随着开挖施工的推进，改为每天监测一次；当发现位移较大时，每天监测1~2次。
(2) 用钢筋应变计对桩身钢筋及锁口梁中较大应力断面出结构应力进行监测，防止出现护围结构性破坏。
(3) 在基坑四周各设一个测斜孔，测斜管长度根据板桩入土深度而定。(4) 在每层支撑中设4个轴力监测点，布点时注意对基坑边角部位支撑轴力的监测。对于钢管支撑，可采用压应力传感器或应变计等元件监测其受力状态的变化。
(5) 基坑周边每隔30 m处设置一个土压力盒，用以监测板桩背后的土压力变化。
(6) 在基坑周边分别设4个水位观测孔，采用精密水位计进行测读((SWJ-90型钢尺水位计，精度为1 mm)。
(7) 在承台基坑四周距基坑1~2 m处各布置一个沉降、位移观测点，观测点顶部刻“+”字标志，并埋设穿入地面，测点须做好保护，避免因外力产生人为沉降。支护结构的最大水平位移因控制在30mm以内，周围地面沉降变形控制在20mm以内，水平位移控制在25mm以内，地面沉降控制在15 mm以内，土体深层水平位移不超过50mm，连续3d的位移速率不超过3mmd-1。
5 结 语
(1) 结合湘江某公路大桥的基坑特点，本文从技术可靠性、施工可行性、经济合理性等方面对3种支护方案进行了比较，最终采用锁口钢管桩支护方案。
(2) 借助二维和三维空间有限元软件对锁口钢管桩围护结构进行了仿真分析，验证结果表明：本文采用的支护方案结构形式简单、受力明确、支护可靠。(3) 锁扣钢管桩围堰施工快、工艺简单，施工中做好防水等施工要点后，在大体积深水桥梁承台施工中有着较大的优势。承台施工实践证明，基坑支护方案和施工措施都是成功的；监测结果表明，基坑工程支护结构计算方法安全可靠，可为类似的基坑支护工程提供参考。
参考文献:
[1] 秦四清.深基坑工程优化设计[M] 北京：地震出版社，1998.
[2] 李斯海,张玉军.深基坑开挖与支护过程的平面有限元模拟[J].岩石力学与工程学报，1999，18(3):342-345.
[3] 靳会武,周春华.泰州大桥南塔承台深基坑支护技术[J].中外公路，2009，29(6)：198-201.
[4] 孙凯，许振刚，刘庭金等.深基坑的施工监侧及其数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23(2)：293-298.