鄂东长江大桥南塔承台深基坑围护技术

摘要：在鄂东大桥南主塔承台施工过程中，针对桥位处的地理环境及水文、地质特点，对承台基坑采取了放坡开挖、自稳边坡、临江侧设置钢板桩墙支护隔渗的围护方案，同时介绍了拉森Ⅳ型钢板桩围堰的设计、施工及实施效果。

关键词：承台基坑；钢板桩围堰；设计与施工

Abstract: the main tower bridge in eastern south pile caps is in the process of construction, in the place of the geographical environment and hydrological, geological characteristics of the elevated pile caps to put the foundation pit excavation, the slope stability of slope river, the setting up steel sheet pile wall supporting impervious enclosure scheme, and introduces the larson Ⅳ type steel sheet pile cofferdam of design, construction and implementation effect.

Keywords: pile caps is foundation pit; Steel sheet pile cofferdam; Design and construction

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号

1工程概述

鄂东长江公路大桥主桥为桥跨布置（3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5）m的双塔双索面半漂浮体系混合梁斜拉桥，跨径位居同类型桥梁世界第二。大桥南主塔基础设计为钻孔灌注桩、整体式承台结构，承台尺寸（长×宽×高）：42×23.25×8m，顶标高+21.0m，底标高+13.0m，承台底铺设30cm厚C20混凝土垫层。南主塔基础结构见图1。

图1 鄂东大桥南主塔基础结构图

南主塔承台地处长江南岸一级岸滩上，地势平坦开阔，周边无建筑物、地下管线及交通干道。地面标高为+20.466m~+21.139m，基坑开挖深度平均为8.4m，由于基坑紧邻长江，且在长江汛期开挖，需制定安全可靠的基坑围护方案。

2围护方案总体设计

2.1设计依据

⑴ 水文：根据水文资料，桥位处多年逐月平均最高水位出现在7月份，为+19.65m，略低于桥位处现有地面标高。多年月平均水位见下表1。

表1 桥位区多年月平均水位

⑵ 地质：地质资料显示南塔承台区土质较单一，为软塑状亚粘土，其主要物理力学指标见表2。

表2 亚粘土主要物理力学指标

2.2方案构思

陆上大型承台基坑施工的常规方法有以下两种：

⑴ 大开挖：即不采取任何支护措施（必要时进行地下水降排），直接放坡开挖，根据开挖深度可分级放坡。该方法的优点是无需前期支护准备，施工期短，费用较低；缺点是开挖方量较大。在阳逻长江大桥南塔承台（67.1×24×6m哑铃型）施工过程中，对基坑采取了二级放坡大开挖。

⑵ 钢板（管）桩围堰支护开挖：基坑开挖前在承台四周插打锁口钢板（管）桩形成围堰，开挖过程中在围堰内设置围囹内撑。该方案的优点是开挖方量小；缺点是施工工期长且费用较高，开挖效率受围囹内撑影响。如淮安大桥27#主墩，位于京杭大运河北岸和盐河航道交叉处，由于无放坡开挖的条件，在承台基坑施工时采用了Φ630×6mm锁口钢管桩和拉森Ⅳ型钢板桩支护。

阳逻大桥南主塔承台基坑大开挖 淮安大桥27#主墩锁口钢管桩围堰支护开挖

鄂东大桥南塔承台基坑的施工特点：基坑范围内土层为渗透系数较小的亚粘土；除临江侧外，其余三面地势平坦开阔，且高于历年最高水位，临江侧开挖后将形成顶标高为+18.0m左右的土坝。根据工程特点，选用基坑放坡开挖、自稳边坡、临江侧设置一排钢板桩作为挡水围堰的围护方案，利用钢板桩隔水性能好、强度高的特点，围堰上部可利用其隔离江水，下部稳定土坝坝体并共同形成止水隔渗墙。此方案兼有上述方案⑴⑵的优点：在临江侧主塔桩基施工完后即可插打钢板桩，并提前进行部分土体开挖，有利于节省工期；钢板桩墙不设围囹内撑，开挖效率不受影响。

2.3钢板桩围堰布置

钢板桩墙距承台外边线17m，顶标高+21.0m，底标高+6.0m，在基坑上、下游与原地面相接，迎水面长度约为120m。钢板桩采用“拉森Ⅳ”锁口U型，单根长15m，宽度600mm，厚度280mm，钢板桩截面面积：A=236cm2/m，截面惯性矩：I=36000cm4。承台基坑采取二级放坡开挖，边坡坡度1:1.5，江侧岸坡开挖后形成土坝，与钢板桩墙共同形成挡水围堰。其平面及断面见图2。

图2 钢板桩围堰布置图

3围护结构验算

3.1江侧岸坡稳定验算

基坑开挖边坡坡度为1:1.5，除临江侧的其余三面形成自稳边坡。江侧岸坡开挖后形成顶标高约+18.0m的土坝，虽然钢板桩对其有加固、稳定的作用，但仍需验算在高水位下的岸坡稳定。稳定验算采用Slip程序进行，水位取+19.65m。计算模型如图3所示。

图3 江侧岸坡稳定计算模型

稳定性验算结果如下图4：在高水位下，江侧岸坡稳定最小安全系数为1.28＞1.1，满足规范要求。

图4 江侧岸坡稳定性计算结果

3.2钢板桩入土深度验算

钢板桩的相对刚度系数：

t =ηT = 1.8×1.9= 3.42m，即钢板桩的嵌固点距离泥面3.42m。

为了满足弹性长桩的要求，钢管桩的入土深度必须大于4T，即7.6m。以钢板桩入土点标高与基坑底标高的平均值+14.05m作为板桩入土深度起算点，由此计算板桩底标高不得大于14.05-7.6=6.45m，钢板桩底实际标高为+6.0m，入土深度满足要求。

3.3钢板桩强度验算

钢板桩采用M法按弹性地基梁进行验算。计算图示如下图。

水平地基反力系数m：回填土（标高+18.0m～+12.3m）取2000kN/m4；原状土（标高＜+12.3m）取3000kN/m4。

水位按+19.65m计，每米板桩所承受水压力：q=70.5kN/m。

通过有限元分析软件MIDAS建模计算得：钢板桩的最大应力为35Mpa；钢板桩的最大变形为36mm，坡顶处（标高+18.0m处）变形为23mm。

3.4基坑渗流稳定验算

渗流稳定应满足下式要求：L≥CHS

式中L―渗透轮廓换算渗径总长度（m）；

C―渗径系数，亚粘土取4；

HS―渗径起点和终点的水位差（m）。

计算图示如下图。

水位取+19.65m，基坑底标高为+12.7m，

则HS=19.65-12.7=6.95m

L=[152+(1.5×6.3)2]1/2+[3.532+(1.5×8.31)2]1/2=30.7m

CHS =4×6.95=27.8m＜L，基坑渗流稳定满足要求。

4现场实施情况

⑴ 钢板桩施工工艺

钢板桩施工工艺流程为：测量放线沉放导梁定位桩安装固定导梁沉放第一根钢板桩其他板桩依次（阶梯）下沉，从桥轴线附近向上、下游方向插打。

钢板桩施工的主要设备为1台50t履带吊、1台DZ90A型振动锤，激振力570kN。

⑵ 导向架

导向架由导梁和定位桩组成。先用振动锤插打工25a定位桩，然后在定位桩上测放导梁边线，安装工45a型钢导梁，控制导梁之间的净距比板桩墙厚度大10mm。

⑶ 插打钢板桩

钢板桩运抵工地后，先进行清理，清除锁口内杂物，检查两侧锁口是否平行，对检查出的锁口扭曲及“死弯”进行校正。

第一根钢板桩由导梁定位、垂直插打至设计标高，作为其他板桩的竖向导向。其余板桩以已插打好的板桩为基准，依次起吊后人工辅助插入前一片板桩的锁口并紧靠导梁，用振动锤下沉到设计标高，逐段呈阶梯形施打。

由于钢板桩墙为单排，不存在钢板桩合拢的问题，因此在施打过程中对垂直度要求不是特别严格，主要控制桩顶标高，但为了防止出现过大的偏斜影响后续钢板桩施工，采用手拉葫芦进行纠偏并将已插打到位的板桩反向拉住。

⑷ 实施效果

南塔承台施工从2007年6月8日至7月16日，历时38天，其间长江水位在+18.0m高水位保持了22d，在承台第二层施工时，水位一度上涨至+19.0m，逼近钢板桩围堰顶部（见图5）。在钢板桩围堰挡水期间，我们定期对桩顶位移进行了监测，监测数据显示桩顶向基坑内最大偏移量为28mm，与计算值基本吻合，表明围堰是稳定的；基坑内渗水量很小，仅1~2m3/h，在坑底四周布置了四个集水井，每个集水井内各设一台潜水泵即满足了排水需要。同时用土工网和素混凝土对基坑边坡进行了防护，保证承台的干施工环境及边坡稳定。

图5 高水位时承台施工场景

⑸ 钢板桩围堰拆除

承台施工完并回填基坑后，即可拔除钢板桩，用50t履带吊起吊振动锤夹住钢板桩头部，先振动1~2min，使钢板桩周围的土松动，减少土对板桩的摩阻力，然后慢慢向上振拔。拔桩时注意履带吊的负荷情况，发现上拔困难时应停止，将板桩往下施打少许，再往上拔，如此反复将钢板桩拔出。

5结语

在鄂东大桥南塔承台施工过程中，时刻经受着长江水位不断上涨的威胁，如果没有钢板桩围堰安全有效的防护，在承台底层钢筋安装时江水就会淹没基坑，不仅会延误工期，而且将给工程的安全和质量带来不可预见的风险和损失，所以，钢板桩围堰在承台施工中发挥了巨大作用，为创造国内桥梁主塔承台施工速度的新纪录奠定了基础，同时也丰富了陆上大型深基坑的围护方式。

作者简介：杨军 男 湖北宜昌人 1992年毕业于西安公路学院 一级注册建筑师 注册造价工程师 长期从事公路桥梁工程设计及建设管理工作

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。