新建东北东部铁路通道登沙河至庄河段改造工程(DZ2标段)高阳跨城庄铁路特大桥墩台深基坑专项施工方案

董世艳

摘 要：通过本工程墩台深基坑设计方案，阐述压杆稳定计算及被动土压力理论的应用，特殊地质条件下基坑支护的施工安全质量注意事项。

关键词：深基坑； 基坑支护；专项施工技术方案

中图分类号：TV551文献标识码： A

1工程概况及水文地质情况

1.1工程概况

新建东北东部铁路通道登沙河至庄河段改造工程（DZ2标段），设计为双线客货共线铁路，设计速度目标值200km/h，高阳跨城庄铁路特大桥上铁道线间距4.4m～5m。铺设有碴轨道无缝线路，钢轨60kg/m。轨底至梁顶计算高度为0.7m。

本桥位于高阳镇南部丘陵地带，主要为跨越三岔河（高阳河）、既有城庄线，一条沥青路及多条土路而设。在DK145+567.80跨越既有城庄铁路，第81～82号桥墩基础施工时涉及既有铁路路基安全，为一联（32+48+32）m三跨连续梁桥。桥墩为园端形桥墩、双层矩形承台。最下层承台高2及2.5m、顺桥长7.6及9.1m、横桥向宽为10.4及12.5m；上层承台高均为1m、顺桥长4.2及4.5m、横桥向宽8.9及9.1m。高阳跨城庄铁路特大桥第80号～第83号桥墩侧面布置示意图如图1.1所示。

图1.1、高阳跨城庄铁路特大桥第80号～第83号桥墩侧面布置示意图

1.2地质水文情况

桥址区内地下水为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，第四系孔隙潜水主要含水层为砂类土层，水量较大；基岩裂隙水赋存于基岩风化裂隙及构造裂隙中，水量不大。勘测期间地下水埋深0.00～12.00m（高程为0.04～4.62 m），主要由大气降水和地下水径流所补给，地下水季节性变化幅度为2.00～3.00m。

高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处的地址柱状结构为：表层为粉土深约2～3m，地基承载力σo=100kPa；次表层为1～1.5m深粉砂；承台底以下约2.5m深淤积粉质黏土，基本承载力σo=60kPa；再下层为约1m厚中砂，基本承载力为σo=370kPa；再以下为砾砂，基本承载力为σo=430kPa。高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处地质柱状图如图1.1所示。

高阳跨城庄铁路特大桥的第81号～第82号桥墩处有代表性的各层岩土物理力学指标如表1.1所示。

表1.1第81号桥墩地质各土层物理力学参数表

土层 重度

(kN/m3) 粘聚力

(kPa) 摩擦角

(°) 基本承载力

（kpa） 平均埋深层厚（m）

表层：粘土 18 40 19 100 2.4

次下层：粉砂 19 0 25 1.8

下层：淤泥质粉质黏土 19 30 18 60 2

再下层：粉 砂 20 0 29 370 1

底层：砾砂 21 0 33 430 5

2、专项施工方案总体概况

根据中华人民共和国住房和城乡建设部《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》[2009]87号文的要求，针对本工程深基坑开挖支护具有较大危险性，按深基坑开挖支护分项工程编制专项施工方案。

本专项方案编制的主要内容包括基坑护壁桩、护壁桩支撑、基坑开挖等工作内容。

根据本标段地质条件情况，以及基坑支护尺寸条件，选择有代表性的高阳跨城庄铁路特大桥第81～82号桥墩基坑支护方案作为设计对象，其余桥梁基坑均参照此方案施工。

高阳跨城庄铁路特大桥第81号桥墩承台底层尺寸9.1m×12.5m，自然地面以下基坑最大埋深约4.2m。为满足基坑底明排水需要，以及模板安装工作空间需要，每侧工作边预留1.5m宽。基坑护壁桩围护尺寸为12.1m宽×15.5m长。桥墩承台基坑支护结构平面布置示意图如图2.1所示。

图2.1、承台基坑支护结构平面布置示意图

基坑护壁桩采用国产拉森Ⅳ型钢板桩，单根长度大约12m，基坑底以下打入深度不少于6.5m，外露大约1.3m。

护壁钢板桩只在上口做一道水平支撑。横支撑采用直径φ350mm、壁厚12mm钢管柱，长边、短边各布置2根支撑柱，均匀对称布置。钢板桩与支撑柱间设置腰梁（或称围檩）。腰梁采用2根I40a工字钢梁、水平并置，纵横腰梁拐角交接处采用钢板搭接焊-形成刚性焊接，拐角再使用2I28b增设三角形支撑。

3、基坑支护施工方案设计

3.1施工方案设计依据及参数

3.1.1新建东北东部铁路通道登沙河至庄河段改造工程（DZ2标段）改高阳跨城庄铁路特大桥施工设计文件；

3.1.2高阳跨城庄铁路路特大桥施工组织设计；

3.1.3《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》（TZ203-2008）；

3.1.4《铁路桥涵工程施工安全技术规程》（TB-10303-2009、J946-2009）；

3.1.5《铁路桥涵施工规范》（TB10203-2002、J162-2002）；

3.1.6《铁路路基支挡结构设计规范》（TB10025-2001、J127-2001）；

3.1.7《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）；

3.1.8《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；

3.1.9《客运专线铁路桥涵工程施工技术规范》（Q/ZTG21300-2006）。

3.1.10基坑侧壁安全等级及重要性系数=1.1；参考《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）取值，考虑既有路基的安全。

3.1.11临时支护结构强度安全系数K=1.3。

3.2承台基坑支护结构设计

3.2.1第81号桥墩承台基坑护壁桩外侧土压力

1）基坑深度范围内各土层内摩擦角加权平均值=21.6o；

2）基坑深度范围内各土层内重度加权平均值=18.4 (kN/m3)；

3）基坑深度范围内侧向朗金主动土压力系数：

=0.462

4）基坑侧壁土压力：

考虑坑顶有挖掘机、吊车、汽车、输送泵等车辆作业，地面活荷载记取q=20kN/m2。根据本桥桥墩埋置深度及地质条件，绘制81号基坑护壁桩外侧土压力分析简图如图3.1所示。

①顶面水平侧压力：=10.2(kN/m2)；

②坑底水平侧压力：=49.4(kN/m2)，其中基坑深度h1=420cm。

图3.1、81号基坑护壁桩外侧土压力示意图

3.2.2计算81号墩基坑护壁钢板桩的上端悬臂抗弯能力

先检算钢板桩无横支撑的最大悬臂支撑能力。再根据此最大悬臂能力考虑是否设置横支撑。

基坑护壁支撑结构拟采用国产拉森Ⅳ型钢板桩，材质为Q235钢材。其物理技术规格如表3.1所示。

表3.1国产拉森钢板桩技术规格

型 号 尺 寸（mm） 截面 面积 重量 惯性矩

b ha t1 单 根（cm2） 每米宽

（cm2/m） 单 根

（kN/m） 每米宽

（kN/m） 每 根

（cm4） 每米宽

（cm4/m）

拉森Ⅳ型 400 155 15.5 94.4 236 0.75 1.90 3690 31900

拉森Ⅴ型 420 180 20.5 127.2 303 1.0 2.38 5950 55200

假设钢板桩最大抗弯位置在距离坑顶以下hi处。则最大钢板桩上端悬臂最大弯矩：；

取1m宽护壁桩，按允许应力法计算。则钢板桩的最大弯曲应力为：

；

经计算，钢板桩的最大悬臂5.0m，其最大弯矩：Mmax=322kN-m，最大弯曲应力：σmax=156MPa，刚好满足Q235钢材的允许抗弯能力需要。

公式中：f-为Q235钢材的弯曲应力设计控制强度，取f=210MPa；

h—基坑深度，4.2m；

ha——钢板桩厚度155mm；

Ix——钢板桩每米宽惯性矩。

K——钢板桩强度安全系数，取1.3.

3.2．3、计算护壁钢板桩结构内力

本段桥梁基坑深度最大4.2m，钢板桩的最大悬臂抗弯能力不超过5.0m。从理论计算上研究，在基坑深度4.2m范围内没有必要增设水平支撑。

为减少基坑外的变形、增大基坑的施工安全度，决定在顶口处设置一道水平横支撑，以满足全部承台施工需要。钢板桩受力分析简图如图3.2所示。取1m宽作为计算对象。

图3.2、钢板桩受力分析简图

根据图3.2所示，使用位移法求得：M2=-170.4kN-m（每1m宽）；

利用力矩平衡法求得：R=49.3kN（每1m宽）。

3.2．4设计钢板桩横支撑及围檩结构

1、横支撑水平布置间距的设定

（1）、计算横支撑的允许支撑能力

横支撑柱拟采用直径φ350mm、壁厚12mm钢管支撑柱，材质Q235钢材。其几何特征指标：横截面积A=127.4cm2，截面惯性矩I=18220cm4，回转半径i=11.96cm。

基坑长边宽度15.5m，支撑杆的受压长度不会超过L=1470cm，两端按铰接形式结构计算，长细比λ=123，属于受压长杆形式。长细比折减系数查表，得ψ=0.421。

单根钢管支撑柱的允许支撑力：[R]=ψ=698（KN/根）。

为简化计算，水平支撑挠曲折减依据经验取=0.95。未计算支撑管上临时堆放物品的工况。

（2）、计算钢管支撑柱水平方向布置间距a

支撑柱承压安全系数取K=1.3。

L=15.5m长边基坑水平根数n:=1.3根；取n=2根

L=12.1m的短边基坑水平根数n:=1.02根；取n=2根

长边及短边各布置2根水平钢管支撑柱，对称布置，腰梁（或称围檩）转角处焊接斜撑。

横支撑的水平布置结构如图2.1所示。

2、腰梁（围檩）强度、刚度验算

围檩采用2根I40a工字钢梁并置，I40a工字钢材质Q235钢材。其物理特征：横截面惯性矩Ix=21720（cm4），横截面积A=86.1cm2。

2I40a工字钢焊接成整体，形成连续梁。腰梁按三跨超静定连续梁结构验算。取支撑荷载较大的长边为计算对象。

腰梁弯曲挠度不大于L/350,且不超过30mm。腰梁承担的桩墙背后土压力取平均线性荷载。腰梁承担的桩墙背后土压力荷载分布图如图3.3所示。

图3.3、横支撑腰梁受力分析简图

（1）、腰梁（围檩）弯曲应力检算

腰梁是四点支撑三跨连续梁、两次超静定结构。其最大负弯矩为：Mmin=-0.11=-135.6（kN-m）；最大正弯矩：Mmax=99（kN-m）。

最大弯曲应力：= 62.4（MPa），小于Q235钢材弯曲能力，安全储备系数K=3.36，大于1.3，结构强度满足要求。

（2）腰梁（围檩）的挠曲变形核算

钢腰梁的变形，支撑点负弯矩处受到钢板桩约束限制，无变形空间。只能在无约束的正弯矩处自由变形。因此核算正弯矩的挠曲变形。

假设在最大正弯矩区域作用一单位荷载q=1。则单位荷载作用下的最大弯矩：=31250；单位荷载下的最大位移：=0.0089。

根据结构力学力法理论，由位移相似比例求得实际最大挠曲变形值：

=2.8mm。

小于腰梁最大支撑跨度的允许挠度=14.3mm，且小于30mm，挠曲变形满足要求。

4.1施工工艺流程

施工准备测量定位安装导向桩、架打钢板桩基坑挖机0.5m深架设腰梁及横支撑（加预顶力10吨）接续基坑开挖到标高铺筑混凝土垫层承台施工回填承台背后土方拆除横支撑桥墩施工拆除钢板桩。

4.2主要工序施工方法

为满足钻孔桩水头差以及施工作业需要，基坑范围应先平整场地，填土筑岛——满足钻孔水头差至少2m需要。填土筑岛围堰尺寸，一般每边大出基坑边2～5m，以满足施工机械坑边作业需要。岛面碾压渗水性土壤，满足施工机械走行需要。

1）插打钢板桩围堰

对应承台基坑场地平整后，对照基坑开挖线安设钢板桩插打的导向定位墙。导向定位墙可采用工字钢横梁+钢管桩制作。导向墙结构如图4.1所示。利用工字钢梁夹持钢板桩，控制钢板桩的下沉方向。

图4.1、导向墙结构示意图

钢板桩可采用锤击、震动、或辅助射水等方法下沉。但在黏土中不宜使用射水法。砾石及岩石层打入钢板桩摩擦阻力很大。施工现场应备有大锤和小锤。小锤一般激振力900kN及以下，岩石层和砾石层应使用激振力需要至少1200kN（120吨）的振动锤或打桩机。软基时使用小振动锤，遇到砾石、风化岩层打桩阻力较大时，应更换大锤打桩。

打桩应使用坚固夹具夹牢或佩戴特桩打桩帽。锤击时必须佩带桩帽。特制打桩帽制作钢板厚度不应小于t=20mm后。

2)基坑开挖

基坑开挖前，应在坑口外设置好排水、截水沟渠等措施，防止地表水渗漏到坑内。

基坑开挖应全坑面分层进行。每层开挖深度0.5m~1m，最深不得大于0.5m，同时设置汇水坑。

基底处理：基坑开挖到设计深度后，由于围堰渗漏水，坑内泥泞。可超挖20cm深，回填大片石或凿桩的混凝土碎块铺垫，再浇筑混凝土垫层。

3)安装横支撑

钢板桩的横向支撑，应在表层先开挖沟槽，将腰梁和横支撑的位置开挖出来，先安装横支撑结构。安装时，钢管柱预加不小于10吨的预顶力，以使得横支撑有效支撑。同时，所有钢板桩与腰梁之间的空隙处，均使用大方木楔塞紧密。以减小基坑开挖引起的钢板桩变形量，避免钢板桩侧弯变形过大而折断。

安装横支撑时，应先架设长边基坑的横支撑，后架设短边基坑的横支撑。先安装基坑长边腰梁——架设基坑长边横支撑钢管柱，利用两台20吨手动千斤顶将将长腰梁施加顶力顶进，顶力不小于10吨，两台千斤顶在钢管柱左右对称安放；再使用钢板凳垫将钢管柱顶牢固，再卸下千斤顶；然后依次安装基坑短边腰梁，架设短边横支撑。

4)横支撑拆除

横支撑的拆除时间：待承台全部完成后，及时回填承台外基坑、并夯实，确认承台外回填土已经具备支撑能力，方可拆除横支撑及腰梁。

横支撑拆除前，应将纵横钢管柱及腰梁竖向增设临时稳定设施，以防支撑卸落后突然坠落伤人。拆除时，基坑严禁有人作业。

横支撑拆除方法：使用千斤顶将支撑柱松开，再卸掉钢板凳——松开千斤顶——卸落钢管柱。最后使用乙炔切割，将长短腰梁连接处切割断开，吊出腰梁。

5)钢板桩围堰拆除

待墩身施工完毕后，依次拔出钢板桩。为防止钢板桩侧向弯曲损坏，基坑内回填土方活灌满水平衡，再逐根拔出钢板桩。

5、各项施工安全保障措施及注意事项

（1）拉森钢板桩进场后，新板桩应验收出厂合格证、机械性能和尺寸是否符合要求；经修正或焊接后的钢板桩，应用同类型的钢板桩作锁口通过试验检查。存放时应分类、平整摆放，锁口内不得有积水。

（2）基坑支护过程中，对支撑应随时检查，发现变形，及时加固或更换，更换时应先撑后拆。基坑顶边缘严禁堆载。支护结构发生异常情况时，应立即停止挖土，不应立即查清原因和采取措施，方可继续挖土。

（3）本桥基坑开挖，为确保施工安全，应做到边监测边施工，根据监测信息对可能发生的问题提前采取措施，基础施工完成后要及时恢复，基坑回填时按施工规范要求夯填密实。

（4）挖基出土的吊斗应有防护措施，严禁碰撞支撑结构。

（5）开挖至坑底标高后坑底应及时进行浇筑垫层满封闭，尽快进行承台施工。承台底设计采用C15混凝土垫层进行地基处理。施工中应采用快速、早强快凝混凝土，形成垫层早支撑作用。

（6）位于河堤的桥墩，基础施工破坏沟岸时，应采用必要的防护措施对大堤进行防护，施工完成后按河道部门要求恢复沟岸。

（7）施工弃土、废料要及时妥善处理，运土车应加盖篷布，以防尘土扬洒。淤泥残渣外运到指定排土场，严禁乱丢乱弃。

（8）基坑的横向钢管支撑柱上严禁堆物加载，避免钢管支撑柱挠曲折断——支撑失效。

（9）基坑应对称开挖、全断面分层，严防钢板桩不对称挤压受力破坏。

（10）钢板桩的横支撑柱，应提前安装、主动支撑，防止钢板桩侧弯变形过大折断。