富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术_李良.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202212066开放科学（资源服务）标识码（OSID）富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术李 良（中铁二局集团有限公司，成都610031）摘要：依托某高速铁路跨河连续梁深基坑工程，采用双层钢板桩围堰作为基坑支护措施；介绍在特殊地层条件下钢板桩引孔施工技术。通过监测数据分析表明：内支撑的强度和刚度，以及基坑的隆起稳定性、倾覆稳定性和整体稳定性均满足要求。关键词：高速铁路；深基坑；双层钢板桩；围堰；引孔；监测中图分类号：TU473.5文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0147 06 0 引言近年来，随着高速铁路大规模的发展，为了适应不同的地形地貌及地质情况，建设了大量跨越江河和深山峡谷的桥梁1，在桥梁建设过程中，大型承台基础基坑支护就是其中的难题2。深基坑支护形式选择的关键在于，需要同时满足经济性和安全性两个条件3-4。拉森钢板桩是桥梁施工中的新型建材，具有绿色环保、施工费用低、施工速度快以及防水功能良好等优点，在建桥围堰、临时沟渠、管道铺设等施工中得到了广泛应用5-7。在无通航要求下，采用筑岛围堰+双层钢板桩支护的这一围堰形式进行桥梁承台施工，经济性很高8-10。本文以某高速铁路一特大桥工程为依托，在分析桥址工程地质条件情况下，从经济性和安全性两方面考虑，提出 18 m+24 m 超长双层钢板桩围堰支护方案；对支护体系在各工况下的受力和变形进行计算，通过各阶段监测数据分析，采用该方案具备可行性和安全性；同时，介绍在特殊地层条件下的钢板桩引孔施工技术。1 工程概况某高速铁路一特大桥全长 10 380.77 m，其中#161#164 墩为跨河（60 m+100 m+60 m）连续梁，河宽约 100 m，水深约 7 m。针对#163 主墩进行基坑围护结构设计，其上承台为 1 650 cm1 180 cm300 cm，下承台为 2 480 cm1950 cm400 cm。承台底高程3.398 m，地面高程 11.020 m，设计基坑深度 15.420 m，施工水位高程 10.430 m。此桥墩一半位于水中，一半位于岸边，需进行填土筑岛，然后打入双层钢板桩，其外层钢板桩 18 m，内层钢板桩 24 m。基坑底采用 1.0 m 厚混凝土进行封底。该承台基坑所在土层共分为 6 层，其地层材料参数，见表 1。表1地层材料参数名称层厚/m 重度（kNm3）黏聚力/kPa 内摩擦角/（）粉砂2.820.0034.00粉砂5.620.0034.00中砂6.020.0034.00粉土2.119.515.0024.00中砂6.020.0034.00粉质黏土2.119.516.8832.25 2 支护方案设计在分析桥址工程地质条件的基础上，同时从经济性和安全性两方面考虑：采用筑岛围堰+双层钢板桩支护进行承台施工，外层钢板桩主要是保护筑岛土体稳定性，加强止水效果；内层钢板桩为基坑支护主要受力结构，两层钢板桩层间距 4.5 m。设计外层钢板桩长为 18 m，内层钢板桩长为 24 m，桩顶露出地面 0.5 m，嵌固深度为 8.932 m，地面高程为 11.800 m，地下水位高程为 10.430 m，位于地面以下约 1.4 m。支护钢板桩内部尺寸比承台平面尺寸每边各宽出 1.0 m，即内部尺寸 26.8 m21.5 m。横撑、角撑及围檩共设 4 层，第一层横 收稿日期：2023 04 12作者简介：李良（1984），男，四川成都人。高级工程师，主要从事铁路施工技术管理工作。E-mail：。李 良：富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术 147 撑、角撑及围檩距钢板桩顶 0.5 m，第二层横撑、角撑及围檩距第一层为 2.8 m，第三层横撑、角撑及围檩距第二层为 2.8 m，第四层横撑、角撑及围檩距第三层为 3.2 m。第一层围檩为 2I50a 工字钢，第二层围檩为 3I50a 工字钢，第三层围檩为4I50a 工字钢，第四层围檩为 4I56a 工字钢，围檩工字钢倒放。围檩横撑均采用 63010 mm 钢管，角撑采用 63010 mm、82010 mm 钢管。钢板桩采用拉森-w 型，截面每延米抗弯模量不小于2 700 cm3。基坑支护布置，见图 1。=20.0c=0.0=34.0=20.0c=0.0=34.0=20.0c=0.0=34.0粉砂粉砂中砂粉土中砂粉质黏土钢板桩桥梁承台工况1950280280320577893280560600600210210地面（11.800 m）10.43 m地下水位65（a）立面布置25802580/32580/32580/321502150/22150/2横撑监测点角撑（b）第一道支撑平面布置图1基坑支护布置（单位：cm）3 支护设计验算 3.1 计算模型及参数0=1.1A=226 cm2I=56 700 cm4W=2 700 cm3采用理正深基坑软件建模计算，土压力按弹性法、结构计算按极限状态法、基坑外侧不排水。内力计算采用增量法，基坑设计等级为一级，基坑侧壁结构重要性系数为，钢板桩每延米截面面积，惯性矩，抗弯模量，基坑顶部距坑边 1.0 m 分布有宽度14.8 kN/m为 1.8 m、大小为的条形活荷载。土层水下部分的参数和计算方法，见表 2。共设置 4 道支撑，水平间距为 1.0 m，竖向间距依次为 2.8、2.8、3.2 m。支护结构参数，见表 3。共分 9 个工况进行模拟，分别为开挖至 0.5 m深度、安装第一道支撑、开挖至 3.3 m 深度、安装第二道支撑、开挖至 6.1 m 深度、安装第三道支撑、开挖至 9.3 m 深度、安装第四道支撑、开挖至基坑底部。表2土层参数和计算方法层号与锚固体摩擦阻力/kPa黏聚力水下/kPa内摩擦角水下/（）水土计算方法m，c，K值1120.00.0027.20分算m法12.082120.00.0027.20分算m法12.083120.00.0027.20分算m法12.084120.012.0019.20合算m法6.655120.00.0027.20分算m法12.086120.013.5025.80合算m法12.08 表3支护结构参数支锚道号预加力/kN支锚刚度/（MNm1）工况号材料抗力/kN材料抗力调整系数10.00679.9552500.001.0020.00679.9562500.001.0030.00679.9572500.001.0040.00679.9582500.001.00 路基工程 148 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）3.2 内力和位移采用以上的计算模型可以计算得到土压力分布、钢板桩位移、弯矩和剪力等结果，其中第9 个工况的计算结果，见图 2，四道内支撑的反力从上到下依次为：45.33、210.78、404.52、951.92 kN/m。55 28055283700 1850 03700185090045009004500510152023.50510152023.50510152023.5支反力/kN45.33 kN42.16 kN210.76 kN168.79 kN404.52 kN346.15 kN951.92 kN768.41 kN（50.13）（0.00）（0.0）（0.0）（626.97）（625.09）（3355.61）（523.49）（367.82）（584.10）（674.03）（816.44）弯矩/（kNm）剪力/kN位移/mm图2工况 9 内力和位移 3.3 内支撑验算建立内支撑 Midas/civil 整体模型，将以上得到的各层内支撑支反力施加到模型上，对内支撑进行计算。其中第四道支撑的应力和变形，见图 3。第一层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 49.9 MPa215 MPa，最大值出现在基坑支护的长边处。最大变形为 1.7 mm，出现在基坑支护的长边处；第二层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 106.6 MPa215 MPa，出现在基坑支护的长边处，最大变形为10.8 mm，出现在基坑支护的短边处；第三层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 137.3 MPa215 MPa，出现在基坑支护的角撑处，最大变形为 14.5 mm，出现在基坑支护的短边处；第四层腰梁及角撑的弯曲应力最大为 181.7 MPa215 MPa，出现在基坑支护的长边处，第四层腰梁及角撑的最大变形为13.9 mm，出现在基坑支护的短边处。钢板桩附近无建筑物，变形满足施工要求。内支撑屈曲第一阶屈曲稳定系数为 6.3，屈曲模态为第四道横撑横向失稳，内支撑屈曲稳定满足要求。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS组合（最大值）1.82889e+0021.49744e+0021.16598e+0028.34531e+0015.03078e+0011.71625e+0010.00000e+0004.91281e+0018.22734e+0011.15419e+0021.48564e+0021.81709e+002系数=9.496E+001yxzyxzMIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESSXY-方向X-DIR=9.247E+000NODE=2026Y-DIR=1.385E+001NODE=2028Z-DIR=0.000E+000NODE=1COMB.=1.385E+001NODE=2028（a）应力（b）变形图3第四道支撑的应力和变形 3.4 基坑稳定性验算（1）抗隆起稳定性从支护结构底部开始，逐层验算基坑的抗隆起稳定，其安全系数为Ks1=m2ldNq+cNcm1(h+ld)+q0Khe（1）Nq=etantan2(450+/2)Nc=(Nq1)/tanKhe=1.800式中：，允许隆起稳定安全系数为。Ks1=5.069Ks1=6.7961.800根据验算结果，在支护结构底部，隆起安全系数为，在深度为 29.6 m 处，隆起安全系数为，两者均大于隆起稳定所需的最小安全系数，说明该设计的基坑抗隆起稳定满足要求。（2）抗倾覆稳定性基坑抗倾覆计算安全系数为Ks2=Mp/Ma（2）MpMa式中：为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支力点由内支撑的抗压强度决定；对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值；为主动土压力对桩底的倾覆弯矩；其中锚杆力的计算依据锚杆的实际锚固长度。各工况内撑抗力和对应的基坑的抗倾覆安全系数，见图 4，其中，最小抗倾覆安全系数为 2.821，最大抗倾覆安全系数为 7.303，均大于规范要求的允许值 1.250，满足抗倾覆验算的要求。（3）整体稳定性R=17.177 mKs3=1.534采用瑞典条分法和总应力法对基坑整体稳定性进行验算，条分法所取土条宽度为 1.0 m，计算圆弧半径，滑动安全系数，李 良：富水砂层深基坑支护结构设计与施工技术 149 大于规范要求的最小值 1.35，说明基坑整体稳定性满足要求。010002000300040001 2 3 4 5 6 7 8 9 10内撑抗力/（kNm1）工况内撑1内撑2内撑3内撑402468安全系数1 2 3 4 5 6 7 8 9 10工况（a）内撑抗力（b）安全系数图4内撑抗力及安全系数 4 围堰及双层钢板桩施工 4.1 围堰土方填筑围堰施工分两阶段实施：第一阶段施工迎水坡围堰；第二阶段施工河道侧及背水坡围堰与第一阶段围堰衔接。围堰土方填筑主要采用进占法施工，挖掘机挖土装车运送至围堰填筑区，推土机平整碾压，逐步向前推进。围堰填筑工序为：卸土、平整、碾压、压实度检测。4.2 双层钢板桩施工土方围堰施工完毕后，采用 Z550 型液压振动沉拔桩机先进行外层 18 m 钢板桩施工，再进行内层 24 m 钢板桩施工。在钢板桩施打过程中发现，进入地面以下 18 m 左右范围时施打困难，钢板桩桩身有变形现象。经分析，由于本桥地质砂层较厚、打入深度较深，打桩过程中，桩身与土体间的摩擦力不断增大，使得钢板桩打