桥梁深基坑防护方案设计

桥梁深基坑防护方案设计

李豹

中铁十五局集团第一工程有限公司陕西省西安市710018

摘要：文章结合太中银铁路太长高速公路特大桥连续梁主墩深基坑防护方案设计，简要介绍在软土地基和地下水位高的条件下，紧邻高速公路路基采用水泥搅拌桩围幕和井点降水配合钢板桩（钢管桩）围堰的深基坑防护方案设计。

关键词：软土地基；深基坑；防护；设计

前言:

太长高速公路特大桥地处晋中盆地，地质条件差，地下水位高，最不利桥梁基坑侵入高速公路路基边坡约2.5米。为确保高速公路的安全和正常交通，采用水泥搅拌桩围幕和井点降水配合钢板桩（钢管桩）围堰的防护方案获得了成功，取得了宝贵的经验，创造了良好的经济效益和社会效益。

1、工程概况

太长高速公路特大桥主跨上跨太长高速公路，主墩分别位于太长高速公路两侧，基础为钻孔桩基础，承台尺寸为14.5m×14.5m，基坑开挖深度6.15m，公路路基较地面高5.0m，最不利基坑侵入高速公路路堤坡角约2.5米，现以最不利基坑为例讲述紧邻公路路基的深基坑综合防护方案的设计，基坑的相对平面位置如图所示。

2、基坑防护方案设计

该区域地面以下30m内基本为粉质黏土、黏土，地下水位为-0.7m。基本力学参数为：土壤粘聚力C=9-68KPa，内摩擦角θ=1.0-32.8°，容重γ=20KN/m3。由于施工空间有限，无法采用放坡大开挖的方式开挖基坑，根据以往施工经验，基坑防护似采用钢板桩围堰进行基坑防护，由于地层的力学性质差，若单一采用钢板桩支护，钢板桩长度需达35m，施工成本及施工难度非常大。因此辅助井点降水管，降低基坑内外地层的含水量，改善土的力学性质，达到缩短所需钢板桩长度和开挖后基坑内无积水的目的。

井点降水会引起地表下沉，为保证公路路基不发生下沉开裂，靠近公路井点降水管外侧打一排直径0.6m、深12m水泥搅拌桩围幕，起到隔水作用，同时起到打拔钢板桩时隔震作用，根据降水漏斗计算确定搅拌桩围幕沿伸至井点降水管以外10m范围。

拔钢板桩需使用振动锤，会对地层振动引起地层的瞬间液化，实践证明，在打钢板桩时所需的振动力较小，引起地表沉降不大，而拔钢板桩时所需的振动力较大，会引起较大的地表沉降，为此在靠近路堤坡角外4.5m范围内的钢板桩用钢管桩代替，钢管桩打入后不再拔出。

总体基坑防护方案如右图所示。

施工时先施作水泥搅拌桩围幕，再施工钢板桩（钢管桩）围堰，其次布设井点降水管抽水，最后边开挖基坑边施作钢围堰的内支撑。

2.1水泥搅拌桩围幕的设计

水泥搅拌桩围幕采用一排直径0.6m、深12m水泥搅拌桩，相邻搅拌桩重叠0.1m，平面布置详见上图，搅拌桩水泥用量不小于76kg/m，采用双向水泥搅拌桩机施工。

2.2井点降水管的设计

结合实际情况，井点降水管的平面布置详见上图，围堰外侧采用一级井点降水，围堰内侧采用二级井点降水，在钢板桩和钢管桩施作完成后，先布设围堰外侧降水管和围堰内侧第一级降水管，立面布置详见《第一次开挖前井点降水管水布置图》；待第一次开挖完成后，再施作围堰内侧第二级降水管，立面布置详见《第二次开挖前井点降水管水布置图》。

根据对相近地质条件下井点降水经验数据的分析和土工试验，确定降水后的地层力学计算参数为：

基坑外侧：土壤粘聚力C=45KPa，内摩擦角θ=10°，容重γ=20KN/m3。

基坑内侧：土壤粘聚力C=45KPa，内摩擦角θ=25°，容重γ=20KN/m3。

2.3钢板桩围堰设计

钢板桩围堰平面尺寸为16.8m×16.8m。拟采用进口拉森IV钢板桩，长为12m，地表面以上为0m，板桩入土深度为6.65m，内设二道内支撑。

拉森钢板桩截面参数

壁厚8mm的Φ600mm钢管桩截面模量为：2716cm3/m，比拉森IV钢板桩的截面模量2270cm3/m大，在钢围堰受力验算时，统一按钢板桩进行验算。

2.3.1荷载计算

由于考虑了太长高速公路5m高路基传递的全部压力，并未折减，高速公路上的车辆等的外部荷载就不再考虑。

(1)计算参数

基坑外侧主动土压力系数（取θ=10°）：

ka=tg2(45o―θ/2)=0.70

基坑内侧被动土压力系数（取θ=25°）：

kP=tg2(45o+θ/2)=2.46

(2)承台底主动土最大压强（混凝土垫层底）：

emax=γka（H+h）=20×0.70×（4.85+6.5）=158.9kpa

2.3.2初步确定钢板桩内支撑的布置

为了充分发挥钢板桩的抗弯强度，采用等弯矩法布置内支撑。这种布置是将支撑布置为使钢板桩各跨度的最大弯矩相等，且等于板桩的允许抵抗弯矩，以便充分发挥板桩的抗弯强度，其计算步骤如下：

A、施工中采用的拉森IV型钢板桩参数：

截面模量：Wz＝2270cm3

抗弯强度设计值：[f]=200MPa

B、钢板桩可承受最大弯矩：

Mmax=WZ×[f]=2270×10-6×200×106=454KN·m

C、根据钢板桩可承受的最大抵抗弯矩计算钢板桩悬臂部分的最大允许跨度

由：Mmax=γkah3/6得：

h=[6Mmax/（γka）]1/3=[6×454×103/（20×103×0.70）]1/3=5.79m

D、弯矩法布置内支撑，则有每个支撑最大允许跨度：

h1=1.1h=6.37m；h2=0.88h=5.10m；h3=0.77h=4.46m

E、根据施工实际需要，确定h=6.15m（虽然略大于5.59m的要求，但实际钢板桩悬臂长度只有1.15m，所以实际悬臂端钢板桩的抗弯强度满足要求，不再详细验算），h2=2m＜6.37m。

2.3.3采用盾恩近似法验算钢板桩入土深度及内支撑反力

（1）第一道内支撑安装后，开挖至第二道支撑以下0.5m时的受力验算

A、绘出钢板桩上土压力分布图，经简化后土压力分布图如下图所示。

B、假定作用在钢板桩FC’段上的荷载FHEC’，一半传给了F点上，另一半由坑底被动土压力BD’C’承受，由图所示几何关系可得：

0.5×γ×Ka×8.65×(2.5+X)=0.5×γ×(Kp-Ka)×X2

(2.46-0.7)X2-8.65×0.7X-8.65×0.7×2.5=0

求得X=5.12m

实际打入施工时，钢板桩的入土深度为9.35m，满足最小入土深度要求。

C、坑底被动土压力的合力P的作用点，在离坑底2/3X处的M点，假定M点即为钢板桩入土部分的固定点，所以板桩最下面一跨度为：FM=2.5+2/3×5.12=5.9m

D、假定F、M两点皆为固定端，受均布力P=121.1KPa，则可近似地按两端固定计算F点的弯矩：M=ql2/12=351KN.m，小于钢板桩可承受的最大弯矩454KN·m。钢板桩满足受力要求。

E、计算内支撑反力

按照“支撑的等弯矩布置图”，计算横梁所承受的均布水平荷载Pn。即假定横梁承受相邻两跨各半跨上的土压力。

P1=0.5*0.7*20*(5+1.15+5.9/2)2-0.5*0.7*20*52=579-175=404KN/m

（2）第二道内支撑安装后，开挖至承台基底面以下0.2m时的受力验算

A、绘出钢板桩上土压力分布图，经简化后土压力分布图如下图所示。

B、假定作用在钢板桩FC’段上的荷载FHEC’，一半传给了F点上，另一半由坑底被动土压力BD’C’承受，由图所示几何关系可得：

0.5×γ×Ka×11.35×(3.2+X)=0.5×γ×(Kp-Ka)×X2(2.46-0.7)X2-11.35×0.7X-11.35×0.7×3.2=0

1.76X2-7.945X-25.424=0

求得X=6.68m

实际打入施工时，钢板桩的入土深度为6.65m，基本满足最小入土深度要求。

C、坑底被动土压力的合力P的作用点，在离坑底2/3X处的M点，假定M点即为钢板桩入土部分的固定点，所以板桩最下面一跨度为：

FM=3.2+2/3×6.68=7.65m

D、假定F、M两点皆为固定端，受均布力P=158.9KPa，则可近似地按两端固定计算F点的弯矩：M=ql2/12=775KN.m，考虑桩基对钢板桩围堰的支撑作用，大大减小了跨度，取最大弯矩折减系数0.5，F点Mmax=775*0.5=387.5KN·m，小于钢板桩可承受的最大弯矩454KN·m，钢板桩满足受力要求。

E、计算内支撑反力

按照“支撑的等弯矩布置图”，计算横梁所承受的均布水平荷载Pn。即假定横梁承受相邻两跨各半跨上的土压力。

P1=0.5*0.7*20*(5+1.15+2/2)2-0.5*0.7*20*52=358-175=183KN/m

P2=0.5*0.7*20*(5+1.15+2+7.65/2)2-0.5*0.7*20*(5+1.15+2/2)2=1004-358=646KN/m

（3）综合以上，内支撑取值分别为：P1=404KN/m，P2=646KN/m；

2.3.4基坑底部的抗隆起验算

假定在坑壁土重力G作用下，其下部的软土地基沿圆桩面BC产生滑动和破坏，失去稳定的地基土绕圆柱面中心轴转动，则：

转动力矩：Mov=G·t2/2=11.35×20×8.52/2=8200.4KN·m

稳定力矩：Mr=π·τ·t2=3.14×45×8.52=10208.9KN·m

抗隆起安全系数K=Mr/Mov=1.245＞1.2（满足抗隆起要求）

其中：取τ=C=45KPa。

在该式中，稳定力矩未考虑土体与板桩间的摩擦力以及垂直面AB上土的抗剪强度对土体下滑的阻力和水泥搅拌桩的挡土墙作用，故偏于安全。

2.3.5内支撑设计

为简化计算，内支撑边梁按连续梁计算，内部支撑杆件为抗拉压杆件，具体计算如下：

（1）第一层内支撑设计

第一层支撑反力P1=404KN/m，边梁受力简图如下：

A、边梁受力检算：边梁所受最大弯矩为Mmax=391KN·m，最大轴向压力为Fmax=1380KN，最大剪力为Vmax=735KN。拟采用三肢I40a工字钢卧放，其Wi=1085cm3，A=86cm2。

正应力为：σ=Mmax/Wi+Fmax/A=391KN·m/(1085cm3×3）+1380KN/（86cm2×3）=120+53=173MPa＞[σ]=205MPa（正应力满足要求）

剪应力为：τ=Vmax/A=735KN/（86cm2×3）=29MPa＜[σ]=120MPa（剪应力满足要求）

B、斜撑受力检算：因各斜杆材料一样，且受力形式一样，这里选取轴力最大的支撑进行检算。拟采用双肢I32a工字钢卧放，其Wi=693cm3，A=67cm2。因大小支撑间用型钢连成桁架式，所以斜撑杆不作长细比计算。

最大轴力：Nmax=×1380=1952KN

σ=Nmax/A=1952KN/（67cm2×2）=146MPa＜[σ]=205MPa（正应力满足要求）

结论：第一层内支撑边梁采用三肢I40a工字钢卧放、斜撑采用双肢I432a工字钢卧放，可满足受力要求。

（2）第二层内支撑设计

第二层支撑反力P2=646KN/m，计算过程同第一层内支撑。支撑边梁采用三肢I50a工字钢卧放、斜撑采用二肢I40a工字钢卧放，可满足受力要求。

3、结束语

通过精心组织和严把水泥搅拌桩围幕、井点降水和钢板桩围堰的各施工工序，指挥部快速顺利地完成了主墩承台的施工，并且通过施工过程监测显示，开挖的基坑内部干燥，基坑内支护结构在施工过程中稳固可靠，且公路路基基本无下沉开裂的情况。通过对软土地质、地下水位高条件下紧邻公路路基的深基坑防护的实例，为类似深基坑的支护和开挖提供了宝贵的施工经验和设计思路。

参考文献：

[1]江正荣、朱国梁.简明施工计算手册（第三版）.北京：中国建筑工业出版社，2005.7

[2]魏明钟.钢结构.武汉：武汉工业大学出版社，2000.8

[3]刘鸿文.材料力学.北京:高等教育出版社,1992.9

[4]刘成宇.土力学.北京：中国铁道出版社，2001.3