劉鴿，黃修平，庾焱秋，江曉陽，羅亞林，賀祖浩

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的不斷增長，對基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增加。特大型跨江跨河橋的出現(xiàn)，對橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計及施工提出了更高的要求。為適應(yīng)橋梁上部結(jié)構(gòu)重載、大跨等特點，基礎(chǔ)向深水大尺寸方向發(fā)展，單跨過江致使基礎(chǔ)一般位于河道近堤處。

近堤處的承臺施工中，支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)泥面高差很大，導(dǎo)致存在不平衡土壓力，同時開挖過程中基坑的穩(wěn)定性常與大堤穩(wěn)定性相互影響，支護(hù)體系設(shè)計難度大，往往面臨著嚴(yán)峻的安全風(fēng)險。鋼板樁圍堰以其施工簡便、經(jīng)濟(jì)性好、防漏性能好等特點，被廣泛應(yīng)用于開挖深度不大于11 m 以內(nèi)的承臺基礎(chǔ)施工中[1-8]。然而，鋼板樁相對于鉆孔灌注樁、雙壁鋼圍堰等支護(hù)體系，剛度較小，不平衡土壓力導(dǎo)致板樁頂整體變形很大，僅采用鋼板樁圍堰無法解決此問題，須輔以其他減小不平衡土壓力的措施。

為確保近堤承臺的安全施工，進(jìn)一步發(fā)揮鋼板樁圍堰在深水基礎(chǔ)施工的優(yōu)勢，本文依托龍?zhí)堕L江大橋南塔承臺，通過對支護(hù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析及施工過程中的應(yīng)力位移監(jiān)測，從而指導(dǎo)同類型近堤深水鋼板樁圍堰的設(shè)計施工。

1 近堤深水承臺施工支護(hù)體系設(shè)計思路

近堤承臺一般埋于淺灘斜面上，采用鋼板樁圍堰支護(hù)是最便利、最節(jié)省成本的方式，但由于其剛度較弱，面臨整體位移過大的風(fēng)險[2]。造成位移過大的原因有：一是兩側(cè)泥面高度差及大堤上的車輛荷載造成近堤側(cè)與親水側(cè)土壓力差別較大，不平衡的土壓力造成圍堰整體向河側(cè)變形；二是有限元計算中，鋼板樁采用桿系單元模擬，未考慮變形增大后鋼板樁墻鎖扣間的整體咬合作用，不平衡土壓力引起的變形通過圍檁支撐直接傳遞到河側(cè)板樁，導(dǎo)致位移計算較實際偏大。

針對不平衡土壓力，有以“頂、卸、擋、加固”為思路的多種解決方案來輔助鋼板樁圍堰施工：1）在鋼護(hù)筒上增設(shè)頂撐；2）開挖放坡，對大堤側(cè)土體進(jìn)行卸載；3）堤腳設(shè)置抗滑樁，抗滑樁可采用灌注樁或鋼管樁；4） 采用高壓旋噴樁加固近堤側(cè)土體，增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度。4 種方法（表1）工程中均有應(yīng)用，各有優(yōu)缺點，設(shè)計中需結(jié)合實際情況擇優(yōu)采用一種或多種支護(hù)形式。

表1 不平衡土壓力作用下基坑支護(hù)形式Table 1 Supporting type of foundation pit under unbalanced soil pressure

2 工程概況

龍?zhí)堕L江大橋主橋是主跨1 560 m 的兩塔單跨鋼箱梁懸索橋，南塔為鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，承臺為啞鈴形，在每側(cè)塔柱下承臺平面尺寸為33.5 m（橫橋向）×40.5 m（順橋向），厚度6 m。兩承臺之間通過6 m 厚系梁相連。承臺頂標(biāo)高4 m，底標(biāo)高為-2 m。

根據(jù)近10 a 南京站10 月份潮位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，承臺施工期間設(shè)計高水位+4.217 m，設(shè)計低水位+1.10 m。筑島施工承臺，江側(cè)及下游側(cè)采用鋼管樁擋土，整個區(qū)域回填至+7.5 m 標(biāo)高。承臺邊緣距離堤腳21.5 m，大堤頂標(biāo)高+9.2 m，江側(cè)泥面標(biāo)高+1.6 m，上游側(cè)泥面標(biāo)高+7.5 m，下游側(cè)泥面標(biāo)高+4.0 m，下游靠江側(cè)泥面逐漸過渡至+1.6 m，大堤江側(cè)最大高差7.6 m，上游下游側(cè)最大高差5.9 m，河床斷面呈兩方向斜槽狀態(tài)。承臺最大埋深9.5 m，土質(zhì)從上到下主要為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂夾粉土，其中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層最大厚度9.8 m，施工風(fēng)險大，需采取可靠的減小不平衡土壓力的措施輔助鋼板樁圍堰施工，保證施工安全。另外，承臺開挖深度大，緊鄰江水，基坑施工過程中可能存在承壓水頭沖破隔水頂板，有突涌的風(fēng)險，設(shè)計中需特別重視。

3 支護(hù)體系設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

進(jìn)行龍?zhí)赌纤鞫罩ёo(hù)體系設(shè)計時，既要對大堤側(cè)與江側(cè)、上下游側(cè)高差引起的不平衡土壓力采取措施支護(hù)，又要對承臺開挖深基坑進(jìn)行支護(hù)，形成組合式支護(hù)體系。承臺為啞鈴形，圍堰平面可選用形式為矩形、啞鈴形，鑒于啞鈴形板樁施打定位難度大，且圍檁支撐型鋼焊接量大，連接節(jié)點受力復(fù)雜，用鋼量大，經(jīng)過比選，推薦平面采用矩形。

設(shè)計方案為：承臺基坑支護(hù)采用鋼板樁圍堰，大堤側(cè)采用抗滑樁輔助措施，上游側(cè)采用開挖邊坡卸土輔助措施，如圖1 所示。

圖1 支護(hù)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Supporting system structure diagram

鋼板樁圍堰尺寸為在承臺外輪廓的基礎(chǔ)上外擴(kuò)1.5 m，即43.5 m×81.95 m。鋼板樁采用SPIVw 型號，長18.0 m，鋼板樁頂標(biāo)高+6.00 m，底標(biāo)高-12.00 m，設(shè)置兩道支撐體系，標(biāo)高為+5.00 m、+1.00 m?；硬捎酶赏谂潘┕?，封底混凝土厚度0.5 m。

大堤側(cè)抗滑樁直徑1.8 m，間距2.3 m，其上設(shè)置帽梁?？够瑯吨行木嗟棠_17.4 m，距鋼板樁邊緣2.18 m?？够瑯锻瑫r當(dāng)龍門吊軌道基礎(chǔ)用，龍門吊橫跨承臺施工區(qū)域，江側(cè)龍門吊軌道基礎(chǔ)設(shè)置于鋼管排架上?？够瑯都骖欭堥T吊軌道基礎(chǔ)，其變形要求更高。

上游側(cè)泥面標(biāo)高從+7.5 m 卸土至+5.5 m，卸土范圍不小于4.5 m。下游側(cè)低于+4.0 m 標(biāo)高區(qū)域進(jìn)行拋石防護(hù)，防護(hù)至+5.0 m 標(biāo)高，防護(hù)范圍不小于3 m。同時江側(cè)泥面拋石防護(hù)至+2.5 m。

3.2 施工流程

施工工序如下：1）回填筑島平臺，進(jìn)行鉆孔灌注樁及堤腳防護(hù)樁的施工；2）鋼板樁四周泥面進(jìn)行開挖、防護(hù)處理；3）插打鋼板樁；4）開挖至第1 層支撐圍檁下，安裝第1 層支撐圍檁；5）降水并開挖至第2 層支撐圍檁下，安裝第2 層支撐圍檁及聯(lián)系撐；6）降水并開挖至基坑底；7）澆筑混凝土墊層；8）澆筑第1 層2.0 m 厚承臺；9） 體系轉(zhuǎn)換，拆除第2 層支撐，澆筑第2 層承臺；10）澆筑塔座；11）土體回填，拆除支撐圍檁及鋼板樁。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 鋼板樁入土深度的確定

鋼板樁入土深度由圍堰開挖至基坑底時嵌固穩(wěn)定、抗隆起穩(wěn)定性、流土穩(wěn)定性確定。計算時取較為不利的上游側(cè)和大堤側(cè)分別進(jìn)行計算，其中大堤側(cè)選取抗滑樁底為計算點進(jìn)行計算?？孤∑鸱€(wěn)定、流土穩(wěn)定性易滿足要求，嵌固穩(wěn)定若考慮上游側(cè)原始泥面+7.5 m，18 m 樁長底標(biāo)高-10.5 m，嵌固穩(wěn)定系數(shù)僅1.12，不滿足要求，因此要求在上游側(cè)卸2 m 高度、寬度不得小于4.5 m 的土，板樁頂標(biāo)高調(diào)整為+6 m，底標(biāo)高-12 m，嵌固穩(wěn)定系數(shù)達(dá)1.26＞1.25，確保圍堰開挖期間不會發(fā)生踢腳破壞。

4.2 結(jié)構(gòu)整體計算

采用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，鋼板樁底部豎向約束，被動土壓力采用只受壓土彈簧模擬，圍檁與鋼板樁之間采用只受壓彈簧模擬。

結(jié)合施工流程，對圍堰施工階段進(jìn)行分析計算。經(jīng)計算，最不利工況為開挖至基坑底工況，鋼板樁的強(qiáng)度σmax= 241 MPa＜f = 260 MPa，圍檁的強(qiáng)度σmax=180 MPa＜f=205 MPa，τmax=51 MPa＜fv= 125 MPa，支撐的強(qiáng)度σmax= 170 MPa ＜f =215 MPa，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.3 不平衡土壓力對大堤的影響分析

4.3.1 施工期結(jié)構(gòu)水平位移分析

承臺位于雙向斜槽處，對支護(hù)結(jié)構(gòu)造成不平衡土壓力，引起整體大堤有向江側(cè)位發(fā)生位移的趨勢。同時，深基坑土體開挖、堤腳抗滑樁與板樁之間土體卸載均會對大堤穩(wěn)定性、抗滑樁位移產(chǎn)生影響，為了確保施工期大堤的穩(wěn)定、龍門吊的安全使用，采用巖土有限元軟件建立大堤、抗滑樁及圍堰結(jié)構(gòu)的二維模型，土體本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫侖模型?？够瑯都皣咧蝿偠雀鶕?jù)實際間距進(jìn)行等比例折減，荷載考慮自重、大堤側(cè)施工超載，邊界條件為約束土體兩側(cè)法向位移，底部固結(jié)。

施工期可能出現(xiàn)的最高水位和最低水位下，大堤穩(wěn)定計算結(jié)果如圖2、表2 所示。通過對基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計算，大堤、防護(hù)樁、鋼板樁均發(fā)生了背離大堤側(cè)的水平位移，主要是由于受到兩側(cè)不平衡土壓力的影響。計算表明：大堤穩(wěn)定安全滿足要求，大堤整體水平位移17.6 mm，鋼板樁水平位移20.2 mm，抗滑樁最大水平位移15.7 mm，可確?；娱_挖期間龍門吊、大堤安全。

圖2 大堤水平位移理論計算值（m）Fig.2 The theoretical calculation value of the horizontal displacement of the embankment(m)

表2 大堤穩(wěn)定相關(guān)計算結(jié)果Table 2 Calculation results related to embankment stability

4.3.2 深層土體水平位移監(jiān)測

采用測斜儀對深層土體位移進(jìn)行測量，來間接反映鋼板樁及抗滑樁樁身的位移。施工時在大堤側(cè)圍堰鋼板樁中部位置埋設(shè)測斜管，開挖過程中進(jìn)行實時監(jiān)測（如圖3 所示），大堤側(cè)測斜孔中最大水平位移在開挖至基坑底達(dá)到最大，約59 mm，豎向在接近基坑底的位置（標(biāo)高-2.5 m 處）最大，而理論計算此處水平位移最大約19 mm，實測位移與理論計算結(jié)果相差較大。

圖3 深層土體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Monitoring data of horizontal displacement of deep soil

造成差異的原因經(jīng)分析有：1）在插打鋼板樁的過程中，板樁人為斜向插打，后期安裝圍檁過程中板樁與圍檁間縫隙未進(jìn)行塞墊，導(dǎo)致土體壓力前期幾乎全由板樁承受，支撐未充分發(fā)揮作用，支撐應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果很小也充分說明此問題。結(jié)合施工期大堤計算模型，若不考慮支撐作用，最大水平位移約45 mm，與實測結(jié)果較為接近；2）基坑開挖過程中存在超挖現(xiàn)象，導(dǎo)致土體向江側(cè)位移比理論計算偏大；3）作業(yè)車輛超載行駛于大堤側(cè)，造成位移偏大，尤其對龍門吊基礎(chǔ)影響較大。為確保安全施工，后續(xù)施工即時采取了相應(yīng)措施，龍門吊限載，對軌道重新固定調(diào)整，對圍檁與板樁間進(jìn)行塞墊緊密處理，同時加大監(jiān)測力度。鑒于此，澆墊層混凝土及承臺過程中深層土體位移趨于穩(wěn)定，抗滑樁及大堤在承臺施工期安全。

4.4 基坑內(nèi)降水井布設(shè)

為防止坑底突涌事故的發(fā)生，基坑內(nèi)采用坑內(nèi)管井與集水抽排相結(jié)合的方式，基坑內(nèi)根據(jù)地質(zhì)差異共布設(shè)9 口井，下游側(cè)局部加密布設(shè)。降水井直徑為273 mm，上部9 m 為實心管，下部12 m 為濾管，降水井總長度為7.5 m，單井出水量按270 m3/d 考慮。同時針對降水對大堤的沉降影響進(jìn)行了分析，計算得大堤處最大沉降1.9 mm，降水對大堤影響較小，沉降量與降深密切相關(guān)，施工期間根據(jù)情況采用小功率泵按需降水，避免降深過大，實際涌水量較小，確保了基坑干施工的安全環(huán)境。

5 結(jié)語

龍?zhí)堕L江大橋南主墩圍堰工程已成功實施，工程施工順利。圍堰處于雙向斜槽，兩側(cè)泥面高差大，由此引起的不平衡土壓力會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)向江側(cè)位移。通過采用鋼板樁+抗滑樁的方案，同時在不均勻兩側(cè)開挖和拋填減少高差，結(jié)果表明該方案能很好地解決基坑開挖對大堤及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。對大堤及支護(hù)體系進(jìn)行了位移監(jiān)測，保障了工程實施過程安全。為類似地質(zhì)條件下的支護(hù)體系設(shè)計提供了成功的案例。