深水承台基坑锁扣钢管桩围堰设计

深水承台 基坑锁扣钢管桩围堰设计

李小兔

中铁一局集团 有限公司 勘察设计分公司 陕西 西安 7100 00

摘要：聊泰铁路某公铁桥桥墩承台尺寸为：长18.0m×宽13.6m×高4.5m；承台顶标高+28.691m，基坑深度为14.809m（包含2.0m封底混凝土厚度）。基坑防护采用锁扣钢管桩围堰结构，锁扣钢管桩长采用24m。在内支撑位置相同的情况下，深水承台基坑防护采用锁扣钢管桩围堰时可以有效的减小拉森钢板桩围堰弯曲应力大及变形大的缺点，提高了围堰施工的安全性。

关键词：Φ720×12mm锁扣钢管桩；钢板桩；深水承台；内支撑；水下封底。

引言

随着我国桥梁设计水平的不断进步，跨江、跨河桥梁跨度在不断增大，桥梁主墩承台基础往往处于深水之中，承台施工时通常需要采用围堰作为挡水结构为承台施工提供条件。深基坑施工时通常需要进行水下封底混凝土施工，尤其是在最下层围囹及内支撑安装完成，基坑带水开挖至封底混凝土底标高位置时，当采用传统的拉森钢板桩作为挡水结构时存在钢板桩弯曲应力大、变形大的缺点，若采用锁扣钢管桩围堰时可以有效的减小挡水结构应力及变形，提高了围堰施工的安全性，因此选择适合的围堰结构意义重大。

1 工程概况

聊泰铁路某公铁桥桥墩位于黄河中，承台尺寸为：长18.0m×宽13.6m×高4.5m；承台顶标高+28.691m，承台底标高+24.191m，河床面标高为+30.808m，施工常水位标高为+37.0m，基坑深度为14.809m（包含2.0m封底混凝土厚度）。

根据项目部提供的地勘资料，地质情况如下表所示1：

表1 地勘数据

2 设计参数

（1）基本组合的荷载分项系数：1.25，基坑安全等级二级；

（2）拉森IV型钢板桩抗弯强度设计值：f_y=295MPa，抗剪强度设计值：f_v=155MPa；

（3）Q235抗弯强度设计值：f_y=215MPa，抗剪强度设计值：f_v=125MPa；

（4）C30混凝土：轴心抗压强度设计值f_c=14.3MPa，轴心抗拉强度设计值：f_t=1.43MPa。

3 结构设计概况

桥墩基坑防护采用24.0m长Φ720×12mm锁扣钢管桩，锁扣钢管桩围堰平面尺寸20m×16m，基坑开挖深度14.809m(锁扣钢管桩顶至垫层混凝土底)；围堰设置四道围囹及内支撑，第一道围囹采用双拼I56a型钢，斜撑及内支撑采用Φ630×8mm钢管；第二道围囹采用双拼I56a型钢，斜撑采用双拼I56a型钢及Φ630×8mm钢管，内支撑采用Φ630×8mm钢管；第三道及四道围囹采用四拼I56a型钢，斜撑采用四拼I56a型钢及Φ630×8mm钢管，内支撑采用双拼Φ630×8mm钢管。

根据项目部实际调查施工常水位为+37.0m，本设计围堰顶高出施工常水位50cm，标高取：+37.5m。

4 结构受力工况分析

采用迈达斯建模计算，建模锁扣钢管桩单元计算宽度取0.95m（钢板桩单元计算宽度取0.8m）。

桥墩承台基坑共设置4道围囹及内支撑，锁扣钢管桩受力分为以下工况进行：

工况一：第一道围囹及内支撑安装完成，基坑开挖至第二道围囹下50cm；

工况二：第二道围囹及内支撑安装完成，基坑开挖至第三道围囹下50cm；

工况三：第三道围囹及内支撑安装完成，基坑开挖至第四道围囹下50cm；

工况四：第四道围囹及内支撑安装完成，基坑带水（水深不小于2.5m）开挖至封底混凝土底标高位置；

工况五：待封底混凝土强度达到设计要求后，基坑内水位降至封底混凝土顶标高，拆除第四道围囹及内支撑。

其中，基坑以下的锁扣钢管桩（钢板桩）上的弹性支座取0.5m/个，计算宽度b锁扣钢管桩取0.95m（钢板桩计算宽度取0.8m），地基弹性刚度根据m法分层计算。

通过计算对比在内支撑位置相同的情况下，钢板桩及锁扣钢管桩弯曲应力及变形。

4.1 钢板桩围堰与锁扣钢管桩围堰平面及立面布置如下图所示：

图1 钢板桩围堰结构平面布置图 图2 钢板桩围堰结构立面布置图

图3 锁扣钢管桩围堰结构平面布置图 图4 锁扣钢管桩围堰结构立面布置图

4.2 钢板桩及锁扣钢管桩弯曲应力及变形计算

图5 工况一钢板桩弯曲应力及变形图 图6 工况一锁扣钢管桩弯曲应力及变形图

图7 工况二钢板桩弯曲应力及变形图 图8 工况二锁扣钢管桩弯曲应力及变形图

图9 工况三钢板桩弯曲应力及变形图 图10 工况三锁扣钢管桩弯曲应力及变形图

图11 工况四钢板桩弯曲应力及变形图 图12 工况四锁扣钢管桩弯曲应力及变形图

图13 工况五钢板桩弯曲应力及变形图 图14 工况五锁扣钢管桩弯曲应力及变形图

表2：钢板桩弯曲应力及变形计算结果汇总表

表3：锁扣钢管桩弯曲应力及变形计算结果汇总表

图15 应力储存对比 图16 变形值对比

通过对计算结果的对比可知，在内支撑位置相同的情况下，深水承台基坑防护采用锁扣钢管桩围堰时可以有效的减小拉森钢板桩围堰弯曲应力大及变形大的缺点，提高了围堰施工的安全性。采用拉森钢板桩围堰时钢板桩弯曲应力安全储备较小，若采用增加内支撑的方式解决该缺点，不仅会增加围堰内支撑的施工工序，而且在施工承台时由于内支撑侵入承台标高范围之内，会造成承台二次浇注等不利于承台施工的因素。

5 注意事项

每一道围囹及内支撑系统安装前，基坑开挖深度达到围囹下50cm即可，严禁超挖；第四道围囹安装完成后，基坑需带水开挖，开挖至封底混凝土底标高位置时水深不小于2.5m，基坑内水位不得低于+24.691m，基坑开挖完成后需水下浇筑2.0m厚封底混凝土。在整个基坑施工过程中须对基坑变形做实时监控，如有异常情况应立即停止施工。

拆除内撑前必须做好换撑结构（换撑位置及换撑要求应在设计图中明确要求），已浇筑承台与围堰空隙间填土夯实，夯实度不得小于90%，并在顶面用方木支撑钢板桩与承台之间，间距2m设置一道方木支撑或者浇筑20cm厚混凝土。

6 结语

在采用围堰结构作为挡水结构进行深基坑施工时，若基坑深度在10.0m～15.0m之间，在施工方案中进行钢板桩围堰与锁扣钢管桩围堰对比时，应首选锁扣钢管桩作为围堰的挡水结构。即可提高结构施工的的安全性，又可以减少施工工序进而缩短工期。

参考文献

[1]湛敏.深水承台锁扣钢管桩围堰设计应用研究[J].建筑技术开发,2019,46(06):23-25.

[2]朱卫东.深水裸岩地质锁扣钢管与混凝土组合桩围堰施工技术研究[J].铁道建筑技术,2018(01):68-71.

[2]韩立军.锁扣钢管桩在桥梁围堰施工中的应用[J].技术与市场,2015,22(10):48-49+51.