单层钢板桩深水围堰工程实例分析

1． 工程概况
本工程基坑围堰位于常熟市常熟至福山公路望虞河上。望虞河是太湖流域东北部的一条入江河道，主要为太湖泄洪之用。望虞河大桥主桥为悬浇预应力混凝土连续箱梁。主墩4号、5号墩为水中墩，采用单层钢板桩深水围堰方法施工。本文以4号墩围堰施工为例对单层钢板桩深水围堰作具体分析。主墩为埋置式承台，埋入河床泥面以下0.7m左右。由于望虞河连接长江，受潮汐水位影响比较大，施工期间水位为1.5m~2.0m。钢板桩顶标高控制为2.5m。基坑底至施工水位平均为11.0m。本桥承台尺寸为6.7m×14.7m，采用10m×18m的钢板桩围堰进行施工，钢板桩长为18m。其尺寸见示意图。

2． 工程地质情况
本基坑钢板桩埋深范围内地质情况为：
⑴层 第一层 亚粘土，灰黄色，软塑~可塑 高程为 -5.8m ~ -11.1m。
⑵层 第二层 粉砂夹亚粘土，灰、灰黄色，稍密~中密 高程为 -11.1m ~ -13.3m。

⑶层 第三层 亚粘土，灰黄色，密实 高程为 -13.3m及以下。

层号	名称	重度r (KN/m3)	粘聚力c (KPa)	内摩擦角Φ (°)
⑴	亚粘土	19.4	33.4	12.8
⑵	粉砂夹亚粘土	18.8	10	19.3
⑶	亚粘土	19.6	35.6	14.6

3． 方案的选取
本基坑设计时，首先按先抽水再挖土的干挖法设计，对选用钢板桩长度、基坑稳定性能进行验算。
3.1 坑底涌砂验算
本基坑范围内的亚粘土及粘土的含砂量较大，土层中间又有一层粉砂夹亚粘土层，所以对基坑内抽水可能引起涌砂的危险。
对基坑进行涌砂验算（如图2（a）所示），不产生涌砂的安全条件为：
K·i·rw≤rb
式中：K—安全系数；
i—水力梯度，i=h’/(h1+t)；
rw—水的容重；
rb—土的浮容重。
本基坑中：t=6.5m；h1=9.7m；h’=11.0m；
e=0.82；rs=2.719；rb=0.94g/cm3
K=rb/(i·rw)=0.94/(0.679·1)=1.4


3.2 坑底隆起验算
开挖基坑时，在坑壁土体自重及外荷载作用下，坑底软土可能受挤在坑底发生隆起现象（如图2中（b）所示）。滑动安全系数为：

Ks=(π+2a)Su/(rH+q)
=(π+2·1.22)·28.6/(19.3·3.2+78)=1.1
3.3 方案选择
由以上验算发现本基坑在使用18m的钢板桩的情况下，对基坑不出现涌砂情况的安全系数为1.4，而一般取值须要2.0；不出现隆起的安全系数为1.1 ，通常情况应≥1.2。所以，选用干挖法时的危险性比较大，在本基坑中宜采用湿挖法施工。即在完成钢板桩施工后，进行水下吸泥，水下混凝土封底，再进行支撑、抽水，最后进行承台的施工。

4．围堰封底施工
4.1水下混凝土性能
围堰水下封底应全断面一次连续浇注完成。为此，首先组织尽可能大的混凝土供应和浇注能力。围堰封底混凝土为450m3，采用2台泵机泵送，混凝土供应量为60~70m3/h。浇注在7小时之内完成。其次，研究水下混凝土的配合比设计，采用低热水泥和良好的粗、细骨料，掺加适量粉煤灰和外加剂。从而使混凝土拌和物和易性良好，可泵性好，初凝时间长，坍落度损失小。
4.2施工方案
封底混凝土采用单导管法浇注，横向10米内使用2根导管。导管设计作用半径为3.0m。实践证明在此作用半径下能够从一端向另一端斜面推进，进行水下封底混凝土的浇注。在施工过程中出现一次导管堵塞现象，按首批混凝土浇注方法重新开灌，以后混凝土浇注顺利进行，最后成功完成水下混凝土的浇注。
4.3封底厚度的确定
封底混凝土厚度主要考虑以下两个因素：
①封底混凝土底面在受到内外水头压力差的作用下，若钢板桩围堰和封底混凝土之间的粘结作用不致被静水压力破坏时，则必须有足够抵抗封底混凝土及围堰整个被浮起的能力。
②在围堰整体能稳定时，必须考虑封底混凝土在抵抗向上的水压力及其它荷载时能正常工作。不至因产生向上的挠曲和折裂致使围堰穿孔。在本基坑设计时，水下混凝土的容许弯拉应力，考虑表层混凝土质量差、养护时间短等因素，取为100~200Kpa。
所以，混凝土封底应有足够的厚度，以确保围堰的安全。
本基坑封底混凝土厚度取为2.5m，混凝土的计算弯拉应力为157Kpa；混凝土抗浮力时需要基桩提供112KPa的摩阻力，能够满足要求。
另外，在本基坑设计中考虑了以下的有利因素：a有上浮趋势时土体对围堰的向下摩阻力；b钢板桩自重的作用于封底混凝土的抗浮力；c基桩的锚固力。从本基坑设计中体会到：在基坑设计时，上述前两项有利因素较难定量计算，但应考虑其有利方面，计算时可减小其取值或取作安全储备来考虑，不应舍弃这部分有利因素。同时，应正确估计施工进度，以合适的水位来计算围堰所受的浮力，使封底厚度尽可能小，达到减小基桩受力，降低施工成本。


5． 基坑支撑结构
在确保安全的前提下，基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合本基坑工程的特点，共分四层支撑。基坑支撑的顺序如下：加入第一层导梁→进行第一层支撑→抽水至第二层支撑处→加入第二层导梁→进行第二层支撑→抽水至第三层支撑处→加入第三层导梁→进行第三层支撑→抽水第四层支撑处→加入第四层导梁→进行第四层支撑→抽水至基坑底。
支撑结构的内力计算：在支撑结构的土压力、支撑力和钢板桩的插入深度确定后，即可根据静力平衡条件确定任意截面上的支撑结构所受的弯矩。
支撑设计通常有等反力和等弯矩布置法，考虑到本工程实际情况，设计时按实际所须间距计算，不等反力也不等弯矩。如图3中所示，a-1、2、3、4表示各工况；b-1、2、3、4为在对应工况下的计算简图。
由上图中的各工况可按多跨连续梁，用力矩分配法计算出各支点的支反力及各点各跨中的弯矩并找出最大弯矩以验算钢板桩的截面。支反力即为作用于横向支撑上的荷截，进而验算支撑的强度和刚度。

6． 基坑监测
6.1 钢板桩施工中监测
在钢板桩施工中，打设的允许误差一般为：桩顶标高偏差±100mm；钢板桩轴线偏差±100mm；钢板桩垂直度偏差为1%。在打设过程中，应监测是否在允许误差范围内，超出时及时纠正。
6.2 支撑系统的监测
在钢板桩施工完成、封底以后，就开始支撑的施工。在施工支撑及承台的过程中，应对支撑系统进行监测。主要监测支撑的变形、钢板桩的变形、基坑内流动水量及围堰的位移等。在施工过程中可能出现如下的情况：
①钢板桩弯曲变形严重。这主要是钢板桩断面选用偏小，土压力计算偏低，基坑超挖或支撑间距过大等原因造成的。
②基坑底部涌水严重。主要是基坑封底时混凝土浇注质量不好，出现开裂、夹泥等情况引起的。严重时可以致使封底混凝土不能发挥其作用，而须要进行二次封底。
③支撑弯曲。这往往是由于支撑断面不够或受力不均造成。可增加支撑以解决。
④围堰整体位移。这主要是钢板桩入土深度不够，地质情况有较大的出入等原因造成的。
6.3 对本基坑钢板桩、支撑及围堰观测结果表明：变形、位移末超出设计要求，围堰能满足
施工的要求。在监测过程中也发现，钢板桩在第二层与第三层支撑之间有稍大的弯曲变形。分析原因主要是，在施工过程中，安装好环形导梁后，没有及时把导梁和钢板桩连接，达不到支撑的效果，致使钢板桩发生弯曲。


7． 结束语
从本基坑施工所采用的方案选择及结构布置的效果来看，能够成功完成本桥的基础施工。在基坑施工过程中支撑应严格遵照施工工序进行，应同时进行监测工作，以确保支撑工程的安全、顺利完成。