钢管桩在深基坑支护中的应用

孟善宝

摘要：本文以新建兰新铁路第二双线达坂城湿地特大桥跨既有兰新铁路60+100+60米连续梁施工为例，介绍在邻近既有线深基坑支护中，采用气动夯管技术施工钢管桩，代替挖孔桩+钢板桩防护，起到了良好的支护作用。

关键词：邻近既有线深基坑；钢管桩；挖孔桩+钢板桩；气动夯管技术

中图分类号：C35文献标识码： A

1、工程概况

兰新铁路第二双线（新疆段）达坂城湿地特大桥由中铁十二局集团有限公司承建，达坂城湿地特大桥DK1758+156.85～DK1763+783.91，全长5627.06m,该桥在128#和129#墩与既有兰新铁路K1799+230处相交，采用上跨式跨越既有兰新铁路，线路交角为22°，梁部为一联（60+100+60）m连续梁，采用支架现浇法施工，桩基础、墩柱具体尺寸见下表。

墩台号 桩基(m) 承台(m) 墩柱(m) 梁部

127# 12根φ1.5m桩长37m 14.6×10.6×3.5 圆端型实体墩 （60+100+60）m

连续梁

128# 20根φ1.50m桩长43m 18.6×14.6×5.0 圆端型实体墩

129# 25根φ1.50m桩长45m 18.6×18.6×5.0 圆端型实体墩

130# 12根φ1.5m桩长37m 14.6×10.6×3.5 圆端型实体墩

2、地质条件

根据现场实际情况，在基坑范围内土层为角砾、砾砂。地下水位-5.0m。

3、基坑支护方案

原支护设计方案如下：跨越既有铁路两侧桥墩临近既有线一侧采用 ∅125cm挖孔桩防护方案对原有铁路路基进行加固。128#、129#墩临近既有铁路侧各布置12根防护桩，防护桩桩间距为2m，单根桩桩长为15m。其他三侧采用拉森IV型钢板桩防护。在基坑周围布置两个降水井，直径800mm，深度12m。

根据现场实际情况及工期要求，在临近既有线一侧采用钢管桩进行防护处理，对其它三侧采用自然放坡进行处理。钢管桩直径∅426mm,壁厚为≥10mm,桩长14m,桩中心间距：支护面1.2m,支撑面1.6m。变更后的支护方案如下图：

4、支护结构本身的强度、变形计算

4.1、材料选择

材料选用426钢管支护，壁厚10mm。截面形式下图，

4.2、钢管参数计算

①截面惯性矩

当D远大于壁厚t时计算公式如下：

Ⅰss= （1-a4）=（1- ）=2.83×108mm4（a= ）

②截面抵抗拒

Wss = Ⅰss /(d/2) = 13.93×105mm3

4.3、钢管受弯承载力计算

M= γs·wss·ƒss

γs—钢管截面塑性发展系数，圆钢管取1.08

wss—截面抵抗拒

ƒss—钢管抗拉强度，20号钢管为470～550N/mm2可取470N/mm2

M=γs·wss·ƒss=1.08×13.93×105×470=706.2 KN·m

4.4、土压力的计算

由于基坑侧位于既有兰新铁路线，基坑不允许列车通过时变形，故要对其土压力进行计算。由于基坑紧邻铁路路基，考虑到列车通过时的震动荷载影响，为了安全起见采用如下的计算简图。

计算过程中采用水土合算原则进行计算。

Ka=tan2（450–)

σa—主动土压力强度

q—附加荷载

ri—各层土的天然重度

ka—主动土压力系数

—土的内摩擦角，本工程根据图层情况取400

基坑上部土压力强度

Ka=tan2（450–)=0.217

火车轨道取1.1的动力系数

q=q1+q2=1.1×30+0.217×20×1.8=40.8kpa

σa1=（q+rihi）ka=q·ka=40.8×0.217=8.85kpa

基坑下部土压力强度

σa2=（q+rihi）ka=（40.8+20×7.0）×0.217=39.2kpa

基坑土压力计算

Ea=（σa1+σa2）×h/2=168.2kN/m

钢管桩间距1.2m

故Pa=201.84KN

4.5、钢管桩承受弯矩

合力作用点为

h==3.19m（距底部高度）

M=pa×h=201.84×3.19=643.87KN·m

4.6、基坑采用水平支撑、斜撑

支撑采用外径钢管426进行支撑。基坑每个角设置一道斜支撑。平面布置见施工图。

采用最不利位置处计算：

P总=188.4×18=3391.2KN（距底部3.19m处）

钢管承担的水平力：p1=357.4÷3.19×16=1792.60KN

水平支撑承担的水平力：p2=p总-p1=1598.6KN

a、斜支撑

①材料选择

采用Ⅰ125b工字钢，尺寸为250×118×10mm

②局部稳定性验算、局部稳定性验算均满足要求

b、水平支撑

①宽厚比验算

≤100()

= 40.6＜100× =50

满足要求

②强度验算

Ncr===7096KN取2.0的安全系数（增加安全储备）

N=7096÷2.0=3548KN＞p2=1598.6KN

满足要求

5、施工方案

a、施工准备

认真做好现场调查，该地质为细圆砾土，影响施工的光缆已全部迁改完成。

准备施工的配套设施：

(1)空压机：要求排量不小于20m3／min，压力不小于0.7MPa。

(2)贮气罐：容积不小于1m3，保证夯管锤工作压力稳定。

(3)高压胶管：20m长的2”胶管2根(也可用无缝钢管代替)，20m长的1.5”胶管3根，耐压不小于1.0MPa；

(4)击帽：根据本次穿越套管的管径配套使用430mm的击帽。

b、 施工工艺

(1)测量放样，根据设计图放出防护桩位置。

(2)将钢管入土端的管口内外安装切削头，切削头采用合金钢材料。

(3)安装夯管锤，将夯管锤吊入操作坑中与击帽连接后找正，使夯管锤、套管的中心线与设计中心线吻合。然后将夯管锤与空压机之间的管路连接好，启动空压机，打开操作阀，将夯管锤头部与击帽和套管固定紧后，关闭操作阀。

(4)用25t吊车配合打设钢管桩，打开操作阀，进行试夯，无异常后方能进行正常夯管施工。

气动夯管技术施工工艺流程图如下：

6、施工监测结果

在基坑开挖过程中，对钢管桩水平位移测试，当开挖至原地面以下7m时，最大水平位移小于1mm，线路路基累计沉降没有大于10 mm，各项指标均在设计和规范要求范围之内，顺利完成了承台施工任务。

7、结束语

a、钢管桩虽然直径比挖孔桩小，但是刚度和强度都能满足设计要求，可以代替大直径钻孔灌注桩在支护结构中使用。

b、钢管桩施工速度快，使得既有线连续梁施工工期缩短了2个月，并保证了既有兰新铁路运营安全。

参考文献

[1]周水兴，何兆益等路桥施工计算手册．北京：人民交通出版社，2001.5