中央分隔带深基坑钢板桩围堰支护安全性验证

中央分隔带深基坑钢板桩围堰支护安全性验证

陈磊

中交三航局宁波分公司浙江宁波315200

摘要：随着生活水平日益提高，汽车数量大幅增加，随之而来的是交通压力的急剧增加，尤其是在城市市区，原有的城市道路规划满足不了当前的交通需求，堵车已经成为一种常态。为了缓解交通压力，在既有道路上敷设高架桥梁成为一种有效的解决方案。但是在既有道路上施工，由于场地受限，承台施工时不能采用放坡开挖。本文从钢板桩受力验算、内支撑体系计算、基坑底部的隆起验算、基坑底管涌验算等四方面，对中央分隔带开挖深基坑采用钢板桩围堰支护的安全性进行验证，确保在边通车边施工的情况下，深基坑施工安全稳定。

关键词：深基坑；边通车边施工；钢板桩围堰；MidasCivil

1、工程概况

本工程为鄞州至玉环公路椒江洪家至温岭城东段公路工程TJ02标段，起点桩号K6+450，于既有公路中央分隔带敷设高架桥梁，线位与现状路泽太公路线位一致，道路先后跨越拟建秀洲至路桥公路路桥南山至洋屿段工程、白剑线，止于路桥区与温岭市分界线，终点桩号K11+032.5，路线里程4.583km。

2、深基坑概况及选择

本文仅探讨基坑深度大于等于5m的深基坑。本工程共有13.75米×9米×3.2米（长×宽×高，下同）、10米×8米×2.5米、13.75米×10米×4米、13.75米×9米×3.5米、10米×9米×3.5米等5种尺寸的承台，基坑开挖深度超过5米，其中尺寸为13.75×10×4（长×宽×高）的承台最大，所对应的基坑开挖深度最大，达到6.338米，故选择该尺寸进行安全性验证。

3、开挖方案

受制于即有道路交通压力和周边道路情况，导致无法全幅封闭道路进行施工，施工场地狭小，承台基坑不能采取放坡的方式进行开挖。同时，为防止基坑浸泡，开挖时需排水、截水、坑壁防护等措施。

因此，主线上承台深基坑全线采用钢板桩围堰的支护方式进行开挖。

钢板桩围堰支护如下图所示：

鉴于工程特点和现场情况，作如下施工方案。

（1）采用插桩机布桩：基坑周边先插打型钢桩，再开挖基坑，边挖边撑。型钢（拉森Ⅳ型）密排，型钢需伸入基底以下至少5米。

（2）基坑开挖：使用小斗反铲挖机开挖，视坑深大小换用普通或长臂挖机。

（3）截排水：坑周设土埂截流地表水，以防水流入基坑。坑内排水采取在坑底四周设排水沟及集水坑，专人负责排水，严禁基坑浸泡。基坑开挖完成后立即进行承台施工，防止基坑长时间暴露。

（4）钢板桩主要作用为保证基坑边的稳固，隔绝地下水流入基坑。

（5）监测：根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）基坑监测项目选择，结合本基坑安全等级为三级，可知应测项目为支护结构顶部水平位移，宜测项目为坑边地面沉降。现场监测采用仪器监测与巡视检查相结合的方法。仪器监测采用水准仪、全站仪，监测频率为每周一次，监测数据异常则改为每天一次。在整个施工期内，每天均应有专人进行巡视检查。巡视检查的内容：支护结构成型质量、围檩有无裂缝出现、侧壁有无渗漏、基准点、测点完好状况、有无影响观测工作的障碍物等。

四、安全验算

4.1钢板桩受力验算

本围堰钢板桩采用德国Larssen型钢板桩（IV），选用钢板桩长度15m。

4.1.1设计资料

（1）承台底标高H1：-1.802m。

（2）地面标高H0：4.190m；基坑底标高H3：-2.648m；开挖深度H：6.838m。

（3）坑内、外土（淤泥质黏土）的天然容重、为：17.0KN/m3；内摩擦角；粘聚力C：19KPa（注：本资料根据工程《施工图设计阶段工程地质详勘》XZK80#钻孔综合工程地质柱状图选取）。

（4）地面荷载：20KN/m2。

（5）钢板桩参数A=245.5cm2，W=2270cm3，=200Mpa，桩长15m。

淤泥质黏土的各项物理指标：天然含水量ω为53.9%，天然重度γ为17.0KN/m3，土粒比重

Gs为2.75，天然孔隙比e为1.490，饱和度Sr为100%，粘聚力C为19kpa，内摩擦角θ为9.7o。

据地质特点、钢板桩特性、施工方法等方面，选用的拉森Ⅳ型钢板桩，拉森Ⅳ型钢板桩宽度适中，抗弯性能好，其主要技术参数为：W=2270cm3，g=76.1kg/m，依地质资料及作业条件决定选用钢板桩长度15m长钢板桩。

4.1.2钢板桩入土深度计算

本钢板桩长初步拟定为15m，基坑挖深6.838m，钢板桩高出地面0.5m，则钢板桩入土深度为7.662米（注：钢板桩长－基坑挖深－高出地面长度），设两层型钢支撑。

（1）围堰主动土压力系数、围堰被动土压力系数

（2）钢板桩入土深度复核

主动土压力

钢板桩外侧主要承受主动土压力、挖机自重以及社会车辆通过时附加压力，根据浙江省《建筑基坑工程技术规范》计堆载为20kN/㎡。

q²=P+γhtg²（45-Ф/2）－2c（tg²（45-Ф/2））=20+17.0×6.838×tg²（45-9.7/2）-2×19×tg（45-9.7/2）=75.71kPa

钢板桩入土为7.662m，7.662m土对钢板桩的产生的被动土压力为

q²＝γhtg²（45+Ф/2）+2c（tg²（45+Ф/2））＝17.0×7.662×tg²（45+9.7/2）+2×19×tg（45+9.7/2）=236.4kPa

其受力图如下：

主动土压力产生的力：m1=75.71×6.838/2=258.85kN，作用点为6.838/3=2.28m

被动土压力产生的力：m2=236.4×7.662/2=905.65kN，作用点为7.662/3=2.55m

对交界点求矩：

则主动土地压力作用力矩：m1=258.85×2.28=590.18kN•m

被动土压力作用力矩：m2=905.65×（7.662-2.55）=4629.68kN•m

显然m2>m1，所以得出结论：钢板桩的入土深度满足要求。

4.2内支撑体系计算

4.2.1支撑位置计算

（1）支撑位置计算

按等弯矩布置确定各层支撑的间距，则拉森Ⅳ型钢板桩顶部悬臂端的最大允许跨度，根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P284页（5-96）公式得：

=259.87mm≈2.60m

根据施工需要调整支撑布置，设两层支撑，第一层支撑与地面平齐外露钢板桩50cm左右，第二层支撑位于承台顶上50cm左右。

本钢板桩长初步拟定为15m，钢板桩入土深度7.332m，基坑挖深6.838m，设2层钢管支撑。取1m为计算单元进行验算。

（2）钢板桩计算模型

钢板桩检算时，一个完整钢板桩及其两侧半个钢板桩为一单元，宽度1.2m，采用水土合算，截面及简化截面如图所示。使用MidasCivil软件进行计算分析。

钢板桩计算截面及简化截面

（3）模型分析

钢板桩插打完毕，埋深点以下基本不受力，故在埋深点位置设全约束，钢管围囹处设置一约束。土压力交界面处往下按节点弹性支撑，则钢板桩所受合力如图所示：

经过MidasCivil软件计算，得到钢板桩弯矩图如下所示：

则最大应力σ=119.8/2270×1000=53MPa<[σ]=200MPa，符合要求。

经过MidasCivil软件计算，得到钢板桩反力图如下所示：

最大支反力在第二道围囹处为：210.9kN。

4.2.2第一层围囹结构模型分析

围囹及内支撑均采用单根I36B型工字钢，根据钢板桩围堰分板计算，每米围囹的支反力为23.5kN，则围囹的荷载为23.5kN/m。

1）模型如下所示：

2）应力

根据模型计算分析：围囹杆件最大弯曲应力为88.1MPa<[σ]=195MPa，符合要求。

3）位移

最大位移f=3mm<[f]=5500/400=13.75mm，满足要求。

4.2.3第二层围囹结构模型分析

围囹采用H50B型钢，内支撑斜撑采用I40型工字钢，横撑采用P500×10mm钢管，根据钢板桩围堰分板计算，每米围囹的支反力为210.9kN，则围囹的荷载为210.9kN/m。

根据模型计算分析：围囹杆件最大弯曲应力为180.6MPa<[σ]=195MPa，符合要求。最大位移f=10.6mm<[f]=5500/400=13.75mm，满足要求。

4.3基坑底部的隆起验算

基底抗隆起稳定性分析采用C，q，h=6.838m抗隆验算方法。

根据《基础工程》中国建筑工业出版社P308页（8-30）公式：

X=7.662m、H=6.383m、q=10kN/m²、、C=19KPa、安全系数K=1.7

=2.404

=8.211

=1.83＞1.5

即钢板桩打入深度7.662m，地基土稳定，所以不会发生隆起。

4.4基坑底管涌验算

管涌的原因主要受水的作用影响，计算时考虑有水一侧，基坑抽水后水头差为h1=6.838m，入土深度h2=7.662m，最短的渗流途径h1+h2×2，不产生管涌的安全条件，根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P284页（5-107）公式得：

式中为安全系数取1.5；

水容重取；

土的浮容重为；

水力梯度i=H&pide;（H+2x）=6.838&pide;（6.838+2×7.662）=0.31；

选用的钢板桩长度为15m，则计算可得入土深度为7.662m，反算抗管涌安全系数K=2.26，不会发生管涌。

5结论

通过对钢板桩受力验算、内支撑体系计算、基坑底部的隆起验算、基坑底管涌验算这四个方面的安全验算得出结论：在边通车边施工路段的中央分隔带，深基坑开挖时，采用钢板桩围堰支护的方案安全可行。

参考文献：

[1]浙江省《建筑基坑工程技术规程》DB33T1096-2014；

[2]江正荣《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，2005。

[3]钱德玲《基础工程》中国建筑工业出版社，2009。