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摘要：本文主要介绍承台墩身施工，河中心水中墩施工降水及深基坑开挖支护方案的选用及力学简算，经济效益比较，安全可控，加快施工速度，节约施工成本。
关键词 深基坑降水支护 力学简算 经济性
中图分类号： TV551.4文献标识码：A 文章编号：
1工程概况：
土建Ⅱ标DK384+834.41～DK390+573段土建工程由中铁一局建安公司承建，该段位于齐河县大黄乡宣章屯镇。属于冀鲁平原，地形平坦开阔，地面高程16～18m，沟渠较多，属于冲积平原。沿线普遍分布松软土，地震动峰值加速度为0.05，分布有地震可液化层，液化层以饱和粘土、细砂及粉砂为主。属于德州地区区域性地面沉降较为严重地区。沿线水文地质：地下水为第四系孔隙潜水，地下水埋深1.35～2.50m。地下水主要由大气降水及地表水补给，水位变幅2～3m。地下水及地表水对混凝土结构具硫酸盐侵蚀，环境作用等级为H1级。该管段内禹济特大桥S10、S11、S12、S95墩身承台位于河流中，开挖深度为7.5-10.4米，设计图纸施工方法为筑岛后用拉森钢板桩围护；我工区经过实际调查分析地质情况、严密计算基坑土壁侧压力，优化后采用两级开挖，普通槽钢支护的方法施工。
2降水：
2.1 围堰：根据赵牛河地理位置及河道宽度、水位深度、水流速度等因素影响，经研究决定采用填土围堰。围堰施工前先清除堰底河床上的杂物、树根、石块等，以减少渗漏，自河床北岸开始填筑至南岸合拢，在桥墩中间设置流水涵管。围堰填筑时不直接向水中倒土，而是将土倒在已出水面的堰头上，顺坡送入水中，慢慢向前推进，以免离析，造成渗漏。水面以上的填土分层夯实。围堰顶高出施工时可能出现的最高水位50cm~70cm；围堰外形采用梯形填筑防止筑堰期间河流断面被压缩后，水流速增大引起水流對围堰、河床的集中冲刷；围堰面积满足基础施工的需求；围堰断面满足堰身强度和稳定的要求。
2.2 降水：
2.2.1 基坑涌水量计算：
以赵牛河水中墩S10为例，承台基底标高为10.162m，地面标高为17.58m，开挖深度7.918m，承台尺寸为10.4*7.1*2m，河水标高约在15.58m左右。从本桥墩基坑支护采取的形式来看，降水是该基坑工程施工成功与否的关键，若降水效果好，则能有效提高土层的内摩擦角，增强边坡的稳定性；若降水效果差，则会引起边坡失稳，坑内产生流沙、管涌等想象，从而影响基坑的整体稳定和施工的正常进行。在降水施工前为了估计基坑抽水所需设备能力，先估算基坑的渗水量。由于当地土资源贫乏，围堰采用杂填土、淤泥，土性回填，其渗水系数较大，渗水系数k=65m/d。
备注：均质中砂渗水系数k=50m/d，根据虚实系数转换的填筑完成后其渗水系数k=65m/d。
基坑涌水量：Q=1.366k(2H-S)S/(lgR-lgr)
式中 Q=基坑涌水量,m3/d；
K=土壤的渗透系数，m/d；
H=含水层厚度，m；
S=水位降低值，m；
R=影响半径，即抽水稳定时，从井群重心到潜水面开始下降处的距离；
r=基坑遐想半径，矩形井群r=η（A+B）/4,其中A和B分别为矩形的长与宽。
含水层厚度H=7.4m，
水位降低值S=6.9m，
影响半径R=2*6.9*=302.66m,
基坑遐想半径r=1.1748*（13.4+10.1）/4=6.902m。
基坑涌水量：
Q =1.366*65*（2*7.4-6.9）*6.9/（lg（302.658+6.902）-lg6.902） =2929.748m3/d
2.2.2 每个管井井点最大出水量q：
由于基土透水性较差：q=19.6 dl
式中 q=单根井点出水量，m3/d；
d=滤管外径，m；
l=滤管长度，m；
k=渗水系数，m/d。
备注：d=0.04m；l=1.5m。
q=19.6*3.14*0.04*1.5*
=29.77m3/d
2.2.3 轻型井点数量计算n1:
n1=1.1Q/q=1.1*2929.748/29.77=108.25≈109个
基坑开挖深度H=7.918m,开挖深度较大，采用两次分层开挖，上部3.918m按1:1.5放坡开挖，预留2m宽平台降水，基坑以下4m范围垂直开挖。轻型井点延四周降水，间距根据现场情况定位1m/个，分内外层降水。根据基坑四周尺寸内外总分布92个，不能满足基坑涌水量。轻型井点外侧采用管井井点降水减少基坑的涌水量。布置图如下：
2.2.4 管井井点数量计算n2:
n2=1.1Q/q=1.1*439.89/35=13.825≈14个
具体布置见下图：
2.2.5 施工方法：
2.2.5.1 施工机具：滤管选用Φ50mm，壁厚3.0mm无缝钢管或镀锌管，一端用厚为4.0mm钢板焊死，在此端1.5m长范围内，在管壁上钻1.5cm的小圆孔，孔距为25mm，外包两层滤网，滤网采用编织布，再包一层网眼较大的尼龙丝网，每隔50~60mm用扎丝绑扎一道，滤管另一端与井点管进行连结；井点管采用Φ50mm壁厚为3.0mm无缝钢管；连接管透明管与井点管和总管连接，采用绑扎丝绑扎，应扎紧以防漏气；总管Φ75mm钢管，壁厚为4mm，用法兰盘加橡胶垫圈连接，防止漏气、漏水；抽水设备配备离心泵，以及机组配件和水箱；供电系统为380V的施工电源及25Kw备用发电机1台；水枪Φ50*5mm无缝钢管，下端焊接一个Φ16mm的枪头喷嘴，上端弯成大约直角，且伸出冲击管外，与高压胶管连接；蛇形高压胶管压力应达到1.5Mpa以上。
2.2.5.2 井点管埋设：首先进行基坑处原地面标高的测量，根据地面标高及基底设计标高确定基坑开挖深度，计算开挖坡率及开挖尺寸，依据开挖尺寸，在距离基坑边缘处，合理布置井点管位置；凿孔冲击管上下移动时应保持垂直，这样才能使井点降水壁保持垂直，成孔的直径也尽量保持上下一致；井孔冲击成型后，应拔出冲击管，井点管插入，井点管的上端应用木塞塞住，以防砂石或其他杂物进入，如有必要可在井点管与孔壁之间灌砂石滤层，该砂石滤层的填充质量可以提高轻型井点降水的效果；冲洗井管，将胶管插入井点管底部进行注水清洗，直到流出清水为至。应逐根进行清洗，避免出现“死井”；管路安装，首先沿井点管线外侧，铺设集水毛管，并用胶垫螺栓把主管连接起来，主管连接水箱水泵，然后拔掉井点管上端的木塞，用胶管与主管连接好，再用10#铅丝绑好，防止管路不严漏气而降低整个管路的真空度；检查管路，检查集水管与井点管连接的胶管，各个接头在试抽水时是否有漏气现象，发现这种情况应重新连接或采取措施堵塞，重新拧紧法兰盘螺栓和胶管的铅丝，直至不漏气为止。在正式运转抽水之前必须进行试抽，以检查抽水设备运转是否正常，管路是否存在漏气现象。在试抽时，应检查整个管路的真空度，满足抽水作用后，方可正式进行抽水。轻型井点管网全部安装完毕后进行试抽，当抽水设备运转一切正常后，整个抽水管路无漏气现象，可以投入正常抽水作业。开机后一个星期后将形成地下降水漏斗，并趋向稳定，基坑在降水一个星期左右开挖。
2.2.5.3 施工注意事项：井点降水在使用时，要求不间断的继续抽水，离心泵旁边必须配有备用发电机，一旦停电，立即进行恢复，防止基坑大面积坍塌。在抽水过程中应现场经常观察流水流量，维护井点系统的正常运行。当地下水位达到所要求的水位后，减少出水阀门的出水量，尽量使抽吸与排水保持均匀，达到细水长流，保证坑内无水作业。
3 支护
3.1 在基坑施工时，为确保施工安全，防止塌方事故发生，必须对开挖的基坑采取支护措施。基坑支护设计与施工综合考虑工程地质与水文地质条件、基坑类型、基坑开挖掘深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求，基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，做到合理设计、精心施工、经济安全。根据本工程施工地形、水位，综合分析该地下基坑有如下几个特点：
3.1.1 基坑开挖深度大。 3.1.2基坑开挖深度范围内是杂填土、淤泥，土性差；地下水位较高。
3.1.3 围堰填筑范围有限，钻孔桩，喷粉桩等机械无法靠近施工。
通过对多种方案综合分析，最后确定基坑采用分层放坡、钢板桩围护开挖。钢结构施工的优点是便于安装和拆除，材料消耗少，有利于向标准化、工具化发展。缺点是刚度较弱，施工中应注意结合坑壁四周土质及荷载情况，合理计算，以减少预紧力的损失和控制坑壁變形。
赵牛河水中墩围堰支护检算:
3.2主动土压力计算：
粘土含率：26%(试验得) 粘土内摩擦角∮=21°
粘土含重：19 KN/m3 (经验得）
基坑底标高：9.662m
回填土标高：17.58m
承台开挖深度：回填土标高-基坑底标高=7.918m
主动土压:：Ea=γhtg2(45-∮/2)
=19×7.918×tg2(45°-21°/2)
=71.062 KPa
3.3 水平挡板的计算:
(柱间距）L=0.3m
最下一块挡板水平压力，设挡板宽度为b;
则匀布荷载q=bEa(KN/m)
挡板采用竹胶板（宽度）:b=1.2m
挡板所受最大弯矩M= bEaL2/8
=1.2×65.72×0.32/8
=0.959KNm
挡板所需断面模量:W=M/［σW］=0.959/8×103=0.00011988m3
挡板所需厚度d=√6W/b=0.024m
3.4 立柱①计算：
立柱①悬臂高L1=3.323m
槽钢拉应力［σmax］=335Mpa
下端承受土压q1=LEa=3.323×2.692=8.945 KN/m
立柱①所承受最大弯矩Mmax=0.0642ql2=6.341 KNm
立柱①所需断面模量W=Mmax/［σmax］=18.929 cm3
3.5 立柱②计算：
立柱②悬臂高L2=4m
下端承受土压q2=LEa=21.314 KN/m
立柱②平均土压q=(q1+q2)/2=15.129 KN/m
立柱②所受最大弯矩Mmax=ql2/8=30.258 KNm
立柱②所需断面模量W=Mmax/［σmax］=90.324 cm3
3.6 槽刚钢支撑力计算：
p=(q1L1+q2L2)/2=57.24 KN
槽钢220面积s=31.846cm2
槽钢压应力σ=p/s=57.24/31.846=17.974 mpa
由上式得槽钢压应力大于土侧压力，可以采用220*77*7型槽钢。开挖中靠坑壁四周插入槽钢，伸入设计基坑底3m，槽钢后面用竹竹胶板垫撑，防止局部坍塌。基坑开挖前先做好地面排水工作，在基坑顶缘四周应向外设排水沟，并在适当距离设截水沟，且防止水沟进水，防止渗水影响坑壁稳定；坑缘边留有护道，静载（材料堆放）距坑缘不小于0.5m,动载（机械及机车通道）距坑缘不小于2m；施工时注意观察坑缘顶地面有无裂缝，坑壁有无松散塌落现象发生，确保安全。
四 经济比较
方案优化前施工措施费：拉森500钢板桩租金： 150T×20元/T =3000元、打拔费用150T×900元/T=135000元、运费；150T×400元/T=60000元。合计：4×135000+3000+60000=603000元；
方案优化后施工措施费：降水费用16000×4=64000元、220B槽钢摊销4×20T×500元/T=40000元，合计（64000+40000）=104000元。
方案优化后节约施工成本：603000-104000=499000元.
五 总结
水中墩承台施工已经全部顺利结束，施工过程安全可控，施工速度快，避免了场地狭小机械设备没有工作面的不利因素，取得了良好的经济效益。
参考文献：
《土质土力学》
《材料力学》
《公路施工手册（桥涵）》
关键词 深基坑降水支护 力学简算 经济性
中图分类号： TV551.4文献标识码：A 文章编号：
1工程概况：
土建Ⅱ标DK384+834.41～DK390+573段土建工程由中铁一局建安公司承建，该段位于齐河县大黄乡宣章屯镇。属于冀鲁平原，地形平坦开阔，地面高程16～18m，沟渠较多，属于冲积平原。沿线普遍分布松软土，地震动峰值加速度为0.05，分布有地震可液化层，液化层以饱和粘土、细砂及粉砂为主。属于德州地区区域性地面沉降较为严重地区。沿线水文地质：地下水为第四系孔隙潜水，地下水埋深1.35～2.50m。地下水主要由大气降水及地表水补给，水位变幅2～3m。地下水及地表水对混凝土结构具硫酸盐侵蚀，环境作用等级为H1级。该管段内禹济特大桥S10、S11、S12、S95墩身承台位于河流中，开挖深度为7.5-10.4米，设计图纸施工方法为筑岛后用拉森钢板桩围护；我工区经过实际调查分析地质情况、严密计算基坑土壁侧压力，优化后采用两级开挖，普通槽钢支护的方法施工。
2降水：
2.1 围堰：根据赵牛河地理位置及河道宽度、水位深度、水流速度等因素影响，经研究决定采用填土围堰。围堰施工前先清除堰底河床上的杂物、树根、石块等，以减少渗漏，自河床北岸开始填筑至南岸合拢，在桥墩中间设置流水涵管。围堰填筑时不直接向水中倒土，而是将土倒在已出水面的堰头上，顺坡送入水中，慢慢向前推进，以免离析，造成渗漏。水面以上的填土分层夯实。围堰顶高出施工时可能出现的最高水位50cm~70cm；围堰外形采用梯形填筑防止筑堰期间河流断面被压缩后，水流速增大引起水流對围堰、河床的集中冲刷；围堰面积满足基础施工的需求；围堰断面满足堰身强度和稳定的要求。
2.2 降水：
2.2.1 基坑涌水量计算：
以赵牛河水中墩S10为例，承台基底标高为10.162m，地面标高为17.58m，开挖深度7.918m，承台尺寸为10.4*7.1*2m，河水标高约在15.58m左右。从本桥墩基坑支护采取的形式来看，降水是该基坑工程施工成功与否的关键，若降水效果好，则能有效提高土层的内摩擦角，增强边坡的稳定性；若降水效果差，则会引起边坡失稳，坑内产生流沙、管涌等想象，从而影响基坑的整体稳定和施工的正常进行。在降水施工前为了估计基坑抽水所需设备能力，先估算基坑的渗水量。由于当地土资源贫乏，围堰采用杂填土、淤泥，土性回填，其渗水系数较大，渗水系数k=65m/d。
备注：均质中砂渗水系数k=50m/d，根据虚实系数转换的填筑完成后其渗水系数k=65m/d。
基坑涌水量：Q=1.366k(2H-S)S/(lgR-lgr)
式中 Q=基坑涌水量,m3/d；
K=土壤的渗透系数，m/d；
H=含水层厚度，m；
S=水位降低值，m；
R=影响半径，即抽水稳定时，从井群重心到潜水面开始下降处的距离；
r=基坑遐想半径，矩形井群r=η（A+B）/4,其中A和B分别为矩形的长与宽。
含水层厚度H=7.4m，
水位降低值S=6.9m，
影响半径R=2*6.9*=302.66m,
基坑遐想半径r=1.1748*（13.4+10.1）/4=6.902m。
基坑涌水量：
Q =1.366*65*（2*7.4-6.9）*6.9/（lg（302.658+6.902）-lg6.902） =2929.748m3/d
2.2.2 每个管井井点最大出水量q：
由于基土透水性较差：q=19.6 dl
式中 q=单根井点出水量，m3/d；
d=滤管外径，m；
l=滤管长度，m；
k=渗水系数，m/d。
备注：d=0.04m；l=1.5m。
q=19.6*3.14*0.04*1.5*
=29.77m3/d
2.2.3 轻型井点数量计算n1:
n1=1.1Q/q=1.1*2929.748/29.77=108.25≈109个
基坑开挖深度H=7.918m,开挖深度较大，采用两次分层开挖，上部3.918m按1:1.5放坡开挖，预留2m宽平台降水，基坑以下4m范围垂直开挖。轻型井点延四周降水，间距根据现场情况定位1m/个，分内外层降水。根据基坑四周尺寸内外总分布92个，不能满足基坑涌水量。轻型井点外侧采用管井井点降水减少基坑的涌水量。布置图如下：
2.2.4 管井井点数量计算n2:
n2=1.1Q/q=1.1*439.89/35=13.825≈14个
具体布置见下图：
2.2.5 施工方法：
2.2.5.1 施工机具：滤管选用Φ50mm，壁厚3.0mm无缝钢管或镀锌管，一端用厚为4.0mm钢板焊死，在此端1.5m长范围内，在管壁上钻1.5cm的小圆孔，孔距为25mm，外包两层滤网，滤网采用编织布，再包一层网眼较大的尼龙丝网，每隔50~60mm用扎丝绑扎一道，滤管另一端与井点管进行连结；井点管采用Φ50mm壁厚为3.0mm无缝钢管；连接管透明管与井点管和总管连接，采用绑扎丝绑扎，应扎紧以防漏气；总管Φ75mm钢管，壁厚为4mm，用法兰盘加橡胶垫圈连接，防止漏气、漏水；抽水设备配备离心泵，以及机组配件和水箱；供电系统为380V的施工电源及25Kw备用发电机1台；水枪Φ50*5mm无缝钢管，下端焊接一个Φ16mm的枪头喷嘴，上端弯成大约直角，且伸出冲击管外，与高压胶管连接；蛇形高压胶管压力应达到1.5Mpa以上。
2.2.5.2 井点管埋设：首先进行基坑处原地面标高的测量，根据地面标高及基底设计标高确定基坑开挖深度，计算开挖坡率及开挖尺寸，依据开挖尺寸，在距离基坑边缘处，合理布置井点管位置；凿孔冲击管上下移动时应保持垂直，这样才能使井点降水壁保持垂直，成孔的直径也尽量保持上下一致；井孔冲击成型后，应拔出冲击管，井点管插入，井点管的上端应用木塞塞住，以防砂石或其他杂物进入，如有必要可在井点管与孔壁之间灌砂石滤层，该砂石滤层的填充质量可以提高轻型井点降水的效果；冲洗井管，将胶管插入井点管底部进行注水清洗，直到流出清水为至。应逐根进行清洗，避免出现“死井”；管路安装，首先沿井点管线外侧，铺设集水毛管，并用胶垫螺栓把主管连接起来，主管连接水箱水泵，然后拔掉井点管上端的木塞，用胶管与主管连接好，再用10#铅丝绑好，防止管路不严漏气而降低整个管路的真空度；检查管路，检查集水管与井点管连接的胶管，各个接头在试抽水时是否有漏气现象，发现这种情况应重新连接或采取措施堵塞，重新拧紧法兰盘螺栓和胶管的铅丝，直至不漏气为止。在正式运转抽水之前必须进行试抽，以检查抽水设备运转是否正常，管路是否存在漏气现象。在试抽时，应检查整个管路的真空度，满足抽水作用后，方可正式进行抽水。轻型井点管网全部安装完毕后进行试抽，当抽水设备运转一切正常后，整个抽水管路无漏气现象，可以投入正常抽水作业。开机后一个星期后将形成地下降水漏斗，并趋向稳定，基坑在降水一个星期左右开挖。
2.2.5.3 施工注意事项：井点降水在使用时，要求不间断的继续抽水，离心泵旁边必须配有备用发电机，一旦停电，立即进行恢复，防止基坑大面积坍塌。在抽水过程中应现场经常观察流水流量，维护井点系统的正常运行。当地下水位达到所要求的水位后，减少出水阀门的出水量，尽量使抽吸与排水保持均匀，达到细水长流，保证坑内无水作业。
3 支护
3.1 在基坑施工时，为确保施工安全，防止塌方事故发生，必须对开挖的基坑采取支护措施。基坑支护设计与施工综合考虑工程地质与水文地质条件、基坑类型、基坑开挖掘深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求，基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，做到合理设计、精心施工、经济安全。根据本工程施工地形、水位，综合分析该地下基坑有如下几个特点：
3.1.1 基坑开挖深度大。 3.1.2基坑开挖深度范围内是杂填土、淤泥，土性差；地下水位较高。
3.1.3 围堰填筑范围有限，钻孔桩，喷粉桩等机械无法靠近施工。
通过对多种方案综合分析，最后确定基坑采用分层放坡、钢板桩围护开挖。钢结构施工的优点是便于安装和拆除，材料消耗少，有利于向标准化、工具化发展。缺点是刚度较弱，施工中应注意结合坑壁四周土质及荷载情况，合理计算，以减少预紧力的损失和控制坑壁變形。
赵牛河水中墩围堰支护检算:
3.2主动土压力计算：
粘土含率：26%(试验得) 粘土内摩擦角∮=21°
粘土含重：19 KN/m3 (经验得）
基坑底标高：9.662m
回填土标高：17.58m
承台开挖深度：回填土标高-基坑底标高=7.918m
主动土压:：Ea=γhtg2(45-∮/2)
=19×7.918×tg2(45°-21°/2)
=71.062 KPa
3.3 水平挡板的计算:
(柱间距）L=0.3m
最下一块挡板水平压力，设挡板宽度为b;
则匀布荷载q=bEa(KN/m)
挡板采用竹胶板（宽度）:b=1.2m
挡板所受最大弯矩M= bEaL2/8
=1.2×65.72×0.32/8
=0.959KNm
挡板所需断面模量:W=M/［σW］=0.959/8×103=0.00011988m3
挡板所需厚度d=√6W/b=0.024m
3.4 立柱①计算：
立柱①悬臂高L1=3.323m
槽钢拉应力［σmax］=335Mpa
下端承受土压q1=LEa=3.323×2.692=8.945 KN/m
立柱①所承受最大弯矩Mmax=0.0642ql2=6.341 KNm
立柱①所需断面模量W=Mmax/［σmax］=18.929 cm3
3.5 立柱②计算：
立柱②悬臂高L2=4m
下端承受土压q2=LEa=21.314 KN/m
立柱②平均土压q=(q1+q2)/2=15.129 KN/m
立柱②所受最大弯矩Mmax=ql2/8=30.258 KNm
立柱②所需断面模量W=Mmax/［σmax］=90.324 cm3
3.6 槽刚钢支撑力计算：
p=(q1L1+q2L2)/2=57.24 KN
槽钢220面积s=31.846cm2
槽钢压应力σ=p/s=57.24/31.846=17.974 mpa
由上式得槽钢压应力大于土侧压力，可以采用220*77*7型槽钢。开挖中靠坑壁四周插入槽钢，伸入设计基坑底3m，槽钢后面用竹竹胶板垫撑，防止局部坍塌。基坑开挖前先做好地面排水工作，在基坑顶缘四周应向外设排水沟，并在适当距离设截水沟，且防止水沟进水，防止渗水影响坑壁稳定；坑缘边留有护道，静载（材料堆放）距坑缘不小于0.5m,动载（机械及机车通道）距坑缘不小于2m；施工时注意观察坑缘顶地面有无裂缝，坑壁有无松散塌落现象发生，确保安全。
四 经济比较
方案优化前施工措施费：拉森500钢板桩租金： 150T×20元/T =3000元、打拔费用150T×900元/T=135000元、运费；150T×400元/T=60000元。合计：4×135000+3000+60000=603000元；
方案优化后施工措施费：降水费用16000×4=64000元、220B槽钢摊销4×20T×500元/T=40000元，合计（64000+40000）=104000元。
方案优化后节约施工成本：603000-104000=499000元.
五 总结
水中墩承台施工已经全部顺利结束，施工过程安全可控，施工速度快，避免了场地狭小机械设备没有工作面的不利因素，取得了良好的经济效益。
参考文献：
《土质土力学》
《材料力学》
《公路施工手册（桥涵）》