框架桥深基坑防护施工技术

邹 辉

（福建建工基础设施建设集团有限公司，福建 福州 350000）

1 工程概况

框架桥为2m～8m 框架小桥，横向桥长32.16m，分3 节，每节框架长10.7m，桥宽18.4m，净高5.5m，为排洪桥。基底标高-3.3m，地面标高3.7m，基坑最大挖深7m。设计上小桥基底和两侧路基采用预应力管桩进行软基处理， 为防止基坑开挖过程中，预应力管桩受偏压倾斜，影响基坑稳定性和施工安全，计划采用钢板桩进行基坑防护。

2 基坑防护方案设计

2.1 方案选定

因为小桥的横桥长度和顺线路宽度都比较大，加上开挖深度比较大，如果用钢板桩将整个基坑一次性围护，则在内支撑的加固上有很大难度，且成本高、不易操作。根据小桥桥身分三节的有利条件，准备对基坑采取分节防护、分节开挖、分节施工的方案，先施工右侧上游节和左侧下游节，最后施工中间节。

2.2 场地处理

为降低施工难度，提高防护安全，计划将施工场地进行处理。为减少开挖深度，将防护范围内地面挖除1m，地面标高降至2.7m。在防护线外扩2m 处开挖0.5m×0.5m 的截水沟，避免地表水汇集到基坑内，保障防护安全。

2.3 防护计算

2.3.1 地质情况

桥位处的地质情况及土力学参数见表1。

表1 地质情况及土力学参数

2.3.2 参数计算

采用SP-Ⅳ型钢板桩，截面模量W=2270 cm3/m，允许弯曲应力[σ]=200 N/mm2，钢板桩长12 m，桩顶与处理后的地面平齐。

γ、ψ、C按12m 范围内的加权平均值计算[1]：

主动土压力系数：Ka=tan2（45°-2.88°/2）=0.904

被动土压力系数：Kp=tan2（45°+2.88°/2）=1.106

2.3.3 确定支撑层数及间距

按等弯矩布置确定各层支撑的间距，则板桩顶部悬臂端的最大允许跨度h，由下式得[1]：

式中：[σ]—板桩的允许弯曲应力；W—板桩的截面模量；γ—板桩墙后土的重度；Ka—主动土压力系数。

2.3.4 确定围檩材料2.3.4.1 土压力计算

基坑6m 处土压力：pD=γhDKa=16.46×6×0.904=89.28kN/m2。

式中：p—土压力；γ—板桩墙后土的重度；h—所计算点离填土面的深度；Ka—主动土压力系数，pD—基坑6m 处的土压力，hD—计算点离填土面6m 处深度。

基坑4.3m 处土压力：pC=γhCKa=16.46×4.3×0.904=63.98kN/m2；基坑2.1m 处土压力：pB=γhBKa=16.46×2.1×0.904=31.25kN/m2[1]。

式中：pC—基坑4.3m 处的土压力。pB—基坑2.1m 处的土压力。hC—计算点离填土面4.3m 处深度。hB—计算点离填土面2.1m 处深度。

2.3.4.2 长围檩按简支梁检算

长围檩按简支梁检算，设6 个支点，间距为4.28m。长围檩计算简图见图1。

图1 长围檩计算简图（单位：cm）

2.3.4.2.1 围檩受力按均布荷载计算

式中：q—荷载；p—土压力；l—长度；qC—在c点处的荷载；pC—在c点处的土压力。

B点处：qB=pBl=31.25×4.28=133.75kN/m。qB—在B点处的荷载。

pB—在B点处的土压力。

2.3.4.2.2 围檩所受最大弯矩

式中：Mmax—弯矩；q—荷载；l—长度；qC—在c点处的荷载。

B点处：Mmax=qBl2/8=133.75×103×4.282/8=306260.7N·m。

qB—在B点处的荷载。

2.3.4.2.3 选用工字钢做围檩，则围檩所需最小截面抵抗矩

C点处：WC=Mmax/[σ]=627015.9/200×10-6=3.135×10-3m3=3135cm3

式中：W—截面抵抗矩；WC—在C点处截面抵抗矩；Mmax—弯矩；[σ]—允许应力。

取1.2 倍的安全系数，则WC=3135cm3×1.2=3762cm3。

Ⅰ56a 工字钢的截面抵抗矩W=2340cm3，使用2 根Ⅰ56a并焊做围檩，则W=2340×2=4680cm3＞3762cm3，可行。

B点处：WB=Mmax/[σ]=306260.7/200×10-6=1.531×10-3m3=1531cm3

取1.2 倍的安全系数，则WB=1531cm3×1.2=1837cm3。

Ⅰ40a 工字钢的截面抵抗矩W=1090cm3，使用2 根Ⅰ40a并焊做围檩，则W=1090×2=2180cm3＞1837cm3，可行。

2.3.4.3 短围檩也按简支梁检算

短围檩也按简支梁检算，设3 个支点。短围檩计算简图见图2。在围檩四角采用与围檩相同的材料设置角撑，用以加强围檩的强度，并缩短围檩支点间的受力长度。

图2 短围檩计算简图（单位：cm）

2.3.4.3.1 围檩受力按均布荷载计算

C点处：qC=pCl=63.98×4.5=287.91kN/m

B 点处：qB=pBl=31.25×4.34=135.63kN/m

2.3.4.3.2 围檩所受最大弯矩

C点处：Mmax=qCl2/8=287.91×103×4.52/8=728772.2N·m

B点处：Mmax=qBl2/8=135.63×103×4.342/8=319334.1N·m

2.3.4.3.3 选用工字钢做围檩，则围檩所需最小截面抵抗矩

C点处：WC=Mmax/[σ]=728772.2/200×10-6=3.644×10-3m3=3644cm3

取1.2 倍的安全系数，则WC=3644cm3×1.2=4373cm3。

Ⅰ56a 工字钢的截面抵抗矩W=2340cm3，使用2 根Ⅰ56a并焊做围檩，则W=2340×2=4680cm3＞4373cm3，可行。

B点处：WB=Mmax/[σ]=319334.1/200×10-6=1.597×10-3m3=1597cm3

取1.2 倍的安全系数，则WB=1597cm3×1.2=1916cm3。

Ⅰ40a 工字钢的截面抵抗矩W=1090cm3，使用2 根Ⅰ40a并焊做围檩，则W=1090×2=2180cm3＞1916cm3，可行。

围檩布置图见图3，图中B 层、C 层对应图1 中的B、C位置。

3 内撑计算

在围檩的支点处设内撑，内撑布置见图3，内撑按受压杆件计算，计算简图见图4，取纵向内撑进行受力计算。

图3 围檩及内撑布置图

图4 内撑受力简图

3.1 围檩受力按均布荷载计算

D点处：qD=pDl=89.28×4.5=401.76kN/m

式中：q—荷载；p—土压力；l—长度；qD—在D点处的荷载；pD—在D点处的土压力。

C点处：qC=pCl=63.98×4.5=287.91kN/m

B点处：qB=pBl=31.25×4.34=135.63kN/m

3.2 支点反力计算

RC=（qD×1.7+qC×2.2）/2=（401.76×1.7+287.91×2.2）/2=658.2kN

式中：R—內撑支点反力；q—荷载。

RB=（qC×2.2+qB×2.1）/2=（287.91×2.2+135.63×2.1）/2=459.1kN

取2 倍的安全系数，则RC=1316.4kN、RB=918.23kN。

3.3 选用材质为Q235钢的φ529、壁厚1cm 的钢管做内撑，以C 层内撑进行检算

长细比：λ=l/i

式中：λ—內撑的长细比；l—內撑长度；i—內撑材料截面的回转半径。

式中l=21.4-0.56×2=20.28m；i=0.35×（0.509+0.529）/2=0.182。则λ=l/i=20.28/0.182=111.43。

稳定系数ψ根据《钢结构设计规范》附录C 的规定：

式中：λn—换算长细比；λ—内撑的长细比；fy—钢材的屈服强度；E—钢材的弹性模量。

式中：ψ—稳定系数；λn—换算长细比；a2、a3—系数查表得a2=0.986 ；a3=0.152。则ψ=0.666。

受压稳定性N/（ψ·A）≤f

式中：N—轴心力；ψ—稳定系数；A—毛截面面积；f—钢材的抗压强度设计值N/（ψ·A）=1316.4×103/（0.666×π×0.2652）=8.959×106N/m2=8.959MPa ＜215MPa，稳定。

其余内撑检算均能满足要求，且与上述方法相同，不再叙述。

3.4 支撑系统加强措施

支撑系统加强措施：1）为消除基坑顶部的施工荷载，增强基坑稳定性，在钢板桩顶部增加一道围檩和内撑，材料和数量与第二层一样。2）在围檩四角采用与围檩相同的材料设置角撑，用以加强围檩的整体受力稳定性。3）在钢管内撑与围檩的接触面加设14mm 的钢板，用以加大钢管的端头受力面积，避免钢管端头受力后变形。4）在钢管内撑的交叉点设置钢箱，一是便于钢管内撑安装，二是加强受力的传递。

4 基坑防护方案实施

4.1 钢板桩施工

使用专业打桩设备将长12m 的钢板桩打入土中，桩顶与地面平齐，位置在框架承台基础边外扩1.5m 处。

4.2 围檩和支撑施工

4.2.1 第一层围檩和支撑施工

第一层支撑采用工字钢焊成钢梁作为围檩：①先将顶部1.5m 厚土挖除，露出钢板桩，进行标高抄平，将围檩下部的牛腿焊上，用以支撑围檩的质量。②用钢板将2 根Ⅰ40a 工字钢平焊成钢梁，作为围檩，用吊车将围檩吊装到牛腿上。③在围檩四角，用和围檩相同的材料焊成内角撑，以加强围檩的整体性。④内撑采用Φ52.9cm 钢管，在现场将横向内撑和连接钢箱事先焊接好。在围檩安装完后，用吊车将横向内撑按设计位置安装好，然后安装纵向内撑钢管，并将纵向内撑钢管与连接处钢箱焊接好，每处内撑与围檩连接处设顶板。

4.2.2 第一层围檩及内撑安装加固好后施工

第一层围檩及内撑安装加固好后，用长臂挖机从内撑空间中挖土，使整个基坑标高均匀下降，避免不均匀开挖造成偏压。挖机挖不到的地方，如内撑正下方及围檩下方，用人工将淤泥挖出到挖机工作面，再用挖机挖出。

4.2.3 基坑开挖至设计标高施工

在基坑标高降至第二层牛腿处，即暂停基坑开挖，按设计将第二层围檩及内撑安装好，安装方法与第一层相同。在围檩及内撑安装好后，才能继续进行基坑开挖。相同作业循环，直至第三层围檩及内撑安装加固好后，才能将基坑开挖至设计标高。

4.3 围檩和支撑拆除

4.3.1 底层围檩和支撑的拆除

在承台混凝土施工完后，用C15混凝土将顺线路方向承台与钢板桩之间的空间回填，作为台背回填的一部分，在混凝土与钢板桩之间用2cm 厚的泡沫板作为隔离板，避免混凝土将钢板桩咬死。在承台混凝土强度达设计的60%以上横桥向上用Φ10cm 圆木撑在钢板桩和承台之间，用以传递受力，木撑间距1m。在回填混凝土达到60%以上强度且木撑全部安装好后，拆除底层围檩和支撑。

4.3.2 第一、二层围檩和支撑的拆除

底层围檩和支撑拆除后，进行框架底板施工。在底板混凝土施工完后，用C15 混凝土将顺线路方向底板与钢板桩之间的空间回填，作为台背回填的一部分。在混凝土强度达设计的60%以上后，将顺线路方向的钢管内撑拆除，保留横桥向的钢管内撑。框架身施工完后，再将横桥向的钢管内撑和围檩全部拆除，并将钢板桩拔出。

4.4 施工控制要点

施工控制要点有6 个 ：1）严格按方案设计中的高度安装围檩及内撑，确保防护安全受控。2）严格遵循“先防护，后开挖”的原则，在内支撑未安装加固好的情况下，决不允许土方超深开挖，避免土压力过大造成钢板桩变形。3）同一层牛腿顶面标高必须一致，避免围檩和内撑不在一个平面上受力，造成支撑框架扭曲，危及施工安全。4）围檩和内撑安装好后，必须将围檩与钢板桩、围檩与牛腿、内撑与围檩之间的空隙全部用工字钢、钢板或木块塞紧、焊死，以利于受力及荷载的传递。5）设置观测点，观测钢板桩的位移和内撑的变形，如变形过大，立即停止施工，采取加固措施。6）派专人进行安全防护巡查，对每一个钢件焊缝进行检查，一旦发现有脱焊、焊缝开裂的情况，立即补焊。

5 结语

该防护方案的计算结果用迈达斯软件复核通过，安全系数储备充足。在实施过程中，笔者现场跟班作业，亲自指导和监督技术人员和专业工人严格按防护方案要求进行作业。通过精心组织、严格管理和参建人员认真细致地工作，该框架桥安全地在计划工期内施工完毕。在这个防护方案设计计算中笔者采用简单明了的受力模型、使用常用公式，计算步骤清晰、结果可证，所选防护材料的型号、参数与计算结果一一对应，结论严谨，对类似工程的支护结构计算有很好的参考作用。