浅谈深基坑拉森钢板桩围堰的计算、施工与监控

时贤龙

(南京市市政公用工程质量安全监督站，江苏 南京210036)

1 工程概况

枚皋路京杭运河大桥是淮安市新城区一座横跨里运河与京杭大运河大桥，为东西走向，西面起于翔宇大道，东面止于宁连公路。主桥采用（72.5+125+72.5）m预应力混凝土连续箱梁结构，箱梁为双幅变截面单箱单室垂直腹板的断面形式，桥型布置如图1所示。

桥梁4个主墩承台位于运河中，主线每个承台9根Φ1500mm钻孔灌注桩，尺寸10×10×3.0m。承台高度均为3.0m，顶标高+4.33m。承台结构轴线与现有河道中心线平行，桥梁跨越处河道水面宽134m，运河正常通航水位为+9.63，最高通航水位为10.63。31#墩承台位于河道水中，承台中线距离河岸为19.0，承台顶面标高为+4.33承台范围内河床顶面标高为7.99m，承台埋深为3.65m；32#墩承台位于河岸和河道结合的河滩位置，承台中线距离河岸为5.219m，承台顶面标高为+4.33承台范围内河床顶面标高为8.71m，承台埋深为4.38m。

图1 主桥桥型布置图（单位cm）

2 地质水文条件

工程范围桥位区地下水主要为松散岩类空隙潜水及空隙承压水。潜水主要赋存于浅部粉土中，水量小，主要接受大气降水和地表水体入渗补给，排泄以自然蒸发、侧向迳流为主。承压水主要赋存于深部砂层中，水量较大，水质一般较好，主要接受侧向入渗补给，排泄以人工开采、侧向迳流为主。施工期间桥位区潜水埋深1.0～1.90m，平均1.42m，堤坝处水位埋深2.90～5.20m，平均4.16m，水位标高6.80～8.90m，平均7.60m。

3 钢板桩围堰设计

3.1 钢板桩围堰的选型

钢板桩围堰为矩形，每两个承台作为一个围堰单体，每个围堰平面尺寸为27m×13m。钢板桩采用拉森Ⅵ热轧钢板桩，钢板桩桩长18m，产地韩国。钢板桩顶面标高为+11.0m，底面标高为-7.0m。钢板桩下端在封底混凝土以下7.53m。

3.2 钢板桩围堰围檩、支撑设计

主墩钢板桩围堰共设置三道围檩：下层围檩标高为+4.83距离承台底面距离为3.5m，中层围檩标高为+7.83距离承台底距离为6.5m，上层围囹标高为+10.63距离承台底面距离为9.3m。钢板桩围堰围檩全部采用2道40型H型钢，水平支撑采用630×12螺旋钢管。具体布置见图2。

图2 钢板桩围堰布置图（单位m）

3.3 钢板桩围堰受力验算

根据受力分析钢板桩的入土深度受两个因素的影响,一是竖向不产生管涌,二是基底土体横向不产生侧移。在保证两个因素的前提下，钢板桩围堰支护才能稳定，安全。

3.3.1 先以不产生管涌为控制条件计算钢板桩长度

钢板桩的入土深度h2=x,顶标高为+11.0m,基坑抽水后水头差为h’=10.63-1.33=9.3m，钢板桩外侧水下土层至承台底面的距离h1=8.71-1.33=7.38m。由此引起水的渗流，其最短流程为紧靠板桩的h1+h2×2，不产生管涌的安全条件为：

K·i·rw≤rb,

式中K为安全系数取1.8；

水容重取rw=9.8KN/m3；

土的浮容重rb=18.5-9.8=8.7 KN/m3；

水力梯度i=h’/(h1+2·X)；

计算得x≥5.74m满足要求,不会发生管涌。

则钢板桩总长H=h’+h2+0.37=9.3+5.74+0.37=15.41m。

3.3.2 根据等值梁法计算板桩最小入土深度

钢板桩压力线分布如图3所示。

γ水=9.8KN/m3；

γ土=18.5KN/m3；

土体内摩擦角取20°；

主动土压力系数Ka=tg2（45°-20°/2）=0.49；

被动土压力系数Kp=tg2（45°+20°/2）=2.04；

板桩内压力零点A的位置：

U=（γ土*Ka*h土+γ水*h水）/γ土*（KbKp-Ka）

求解的U=2.62m

根据支撑设置情况，将压力零点A以上段简化为连续梁求解A点处板桩内剪力，剪力为：Qa=175.82KN/m

根据剪力Qa，求得AB段等值梁入土深度X=4.7m

钢板桩最小入土深度h2=t=u+1.2x=8.26m。

则钢板桩总长H=h’+h2+0.37=9.3+8.26+0.37=17.93m。

综上所述，钢板桩长度取17.93m。

根据钢板桩实际尺寸，京杭大运河钢板桩围堰桩长取18m，顶标高为+11.0，底标高为-7.0cm。

图3 钢板桩受力压力曲线图（单位m）

3.3.3 计算钢板桩及围檩结构受力

根据支撑设置情况，将压力零点A以上段简化为连续梁求解钢板桩内部最大弯矩及支撑处支点反力。继而可以求出钢板桩及围檩、支撑内部应力。通过计算钢板桩、围檩、钢支撑内部应力全部满足规范要求，钢板桩围堰结构受力安全。在这不做重复叙述。

4 钢板桩搭设施工

（1）钢板桩搭设采用履带吊带高频振动锤打设，打设前要熟悉地质情况，并精确放出钢板桩中线并安装导架。

（2）钢板桩打设前要逐根进行检查，剔除连接锁口锈蚀、变形严重的钢板桩，不合格者待修整后才能进行使用。

（3）钢板桩打设前在锁口内涂设黄油，这样既可以起到密封防水作用，又可以方便钢板桩的打入。

（4）在插打过程中随时测量监控钢板桩垂直度，使其垂直度误差不得超过2%，当偏斜过大不能拉齐方法调整时，拔起重打。

（5）钢板桩打设采取屏风式打入法进行施工，将10～20根桩同时放入到导架内部，从第一根开始逐根进行打设，这样可以有效地控制钢板桩的打入精度，防止钢板桩产生扭转、倾斜，增加钢板桩合拢时精度。

5 钢板桩围堰位移监控

经过以上验算，钢板桩的整体稳定性及围檩、支撑的内部受力满足要求，但是为了保证在实际施工中钢板桩围堰的整体安全性，在钢板桩围堰施工中必须对围堰的各个角点及围檩支撑点进行监控。监控分为位移监控和内力监控，由于钢板桩整体及围檩的整体受力经过验算，所以对钢板桩围堰只进行位移监控。监控各项指标如下：

（1）在进行基坑开挖时，对钢板桩围堰的各个角点及支撑点设置位移监控点（具体位置见图4），对监控点每天早晚分别进行平面坐标及钢板桩围堰内部尺寸的测量。

（2）每天基坑开挖结束后对基坑底标高进行测量，在第二天早再次进行开挖时，再对标高进行测量并对比标高有没有变化。

（3）利用锤球对钢板桩的垂直度进行检测，查看钢板桩在基坑开挖过程中有无倾斜。

图4 钢板桩围堰监控测点布置图

6 应用效果

本工程主墩承台施工期间直至拆除钢板桩围堰，期间围堰未出现任何漏水、变形、基地隆起等问题。钢板桩围堰内部第三道围檩处存在最大变形，最大变形为2.0cm在允许范围内。以上证明本钢板桩围堰安全可靠，利用等值梁法计算钢板桩入土深度安全可靠。

［1］齐春峰.南京江心洲大桥主塔承台钢板桩围堰施工技术[J].铁道建筑技术，2009（5）.