钢管桩与钢板桩深基坑围护方案

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摘要：本文以盘营350km/h客运专线三岔河水上45+70+70+45m悬浇梁施工为例，介绍水上施工深基础开挖钢管桩与钢板桩相结合的新型支护形式，供河流、长江施工参考。

关键词：客运专线；深基坑；钢管桩与钢板桩结合

中图分类号：TV551.4文献标识码： A 文章编号：

工程概况：

盘营客运专线Ⅱ标由中铁十九局集团二公司承建的盘海特大桥跨三岔河悬灌梁施工任务。盘营客专设计运营时速350km/h，水中梁跨径预留通航V级航道要求，由原设计32m简支梁全部变更为45+70+70+45m的悬灌梁，设计一般冲刷线-6.2m及局部冲刷线-16.45m，设计主墩承台基础开挖深度为16.5m、18.5m，设计采用双壁钢围堰施工。

地质资料及承台尺寸：

根据海事局提供数据，综合钻孔资料，主墩开挖区域内地质主要为饱和状态粉土及砂类土，呈松散中密状，属地震液化层。设计承台截面尺寸为18.6×14.6×3.5m，水中施工筑平台标高+3.6m，河床顶面取-4.0m，承台分三级，第一级厚3.0m，第二级厚3.0m，第三级厚0.5m，承台底标高-12.588m，封底砼设计为2.5m，开挖深度18.5m，即基坑底高程为-15.058m。

施工方案：

采用钢管桩结合拉森钢板桩围堰进行承台施工，钢管桩Φ630×10×24000mm，拉森钢板桩575×10×12000mm（竖向2根焊接接长到24000mm），围堰平面尺寸21.6×17.6m，共设置5道内支撑，承台底面下为2.5mC30封底混凝土。

见附图：

支护方案

验算资料

1.地质资料

480#墩址回填土筑岛厚度约4m为素填黄土，回填土以下为粉细砂。

（1）筑岛回填黄土

填土厚度4m，内摩擦角φ1=14°，γ1=18.0kN/m3；

主动土压力系数Ka1=tg2(45°-φ1/2)=0.61。

（2）粉细砂

厚度20m，内摩擦角φ2=32°，γ2=19.5kN/m3；

主动土压力系数Ka2=tg2(45°-φ2/2)=0.307。

2.结构参数

钢管桩：Φ630 mm×10 mm×24000mm；按16Mn钢，抗弯容许应力[σw]=250Mpa；弹性模量E=210Gpa。

拉森钢板桩：Q345钢，575mm×10mm×24000mm，截面模量W=1346cm3/m，抗弯容许应力[σw]=250Mpa；弹性模量E=210Gpa。

内支撑：Q235钢，容许压应力[σ]=160Mpa；抗弯容许应力[σw]=170Mpa；容许抗剪应力[τ]=95Mpa。

计算内容

对比工程概况中提到的原方案和改进方案，易知改进方案是科学合理的。

由此，按改进方案（图1）进行验算钢管桩强度、钢板桩强度及变形、内支撑强度及布置等。

1.钢管桩强度验算

说明：不论是采用原方案，还是采用改进方案，验算时的荷载最不利位置均位于第五道支撑到封底混凝土底面段3.5m+2m=5.5m范围。理由是：（1）该段为开挖最深段，土压力最大；（2）该段跨度最大（5.5m）。

分析：

（1）开挖到桩顶以下约2.5m深处，设置第一道支撑。设置第一道支撑前，管桩在外侧土压力下桩顶向内侧倾移，这一倾移使得管桩外侧土压力由静土压力（开挖前）变为主动土压力（开挖后）。

此时，桩外侧为主动土压力，内侧为部分被动土压力及静土压力。（之所以称之为部分被动土压力，是因为桩顶向内侧倾移或有倾移趋势，但这一被动土压力远未达到临界状态的被动土压力——朗金理论中的被动土压力——土体被压临界破坏时的土压力。）

（2）封底混凝土底部以上共18.5m，设置第一道支撑后，向下逐段（或逐层）开挖的过程中，钢管桩不会再向内侧倾移。原因是：各道横向内支撑约束了管桩向内侧倾移。

（3）钢管桩实际会产生微小的向内侧倾移量，这一微小倾移量为内支撑的弹性压缩量，这一微小倾移量使得管桩外侧土压力由静土压力变为主动土压力。

（4）封底混凝土层以下5.5m范围内土层受力相对较复杂：开挖顶层土时，桩端部外侧一定范围内为部分被动土压力；开挖到一定深度后，随着各道内支撑的设置及向下开挖卸载，其外侧的部分被动土压力逐渐减小，直到最后成为主动土压力；而管桩内侧土则反之，开始在桩端部内侧一定范围内为主动土压力，开挖到一定深度后，随着各道内支撑的设置及向下开挖卸载，其内侧的主动土压力逐渐增大，直到最后成为被动土压力。

（5）不考虑临界状态管桩的最小入土深度。理由是：设置的各道支撑限制了管桩的倾移，不会产生朗金被动土压力理论中或板桩计算理论中的临界状态。

（6）基于以上各条分析，针对改进方案，对长24m的钢管桩结合拉森板桩围堰进行受力验算。

经上面各条分析，钢管桩受力模型为下图（图2）：

图2

图2中：

取单位宽度1m为计算对象，则；

取最不利荷载AB段为验算对象：

计算假定：五道内支撑视为刚性；各支撑间的钢管桩段由连续梁简化为简支梁。

因此，计算跨度LAB= 5.5m；

以一根钢管桩结合一片拉森板桩为一个组合单元进行计算，宽度为630+575=1.205m；

于是，（减30kN/m是由于带水开挖）

Mmax=Mpa

由计算资料知1m宽度内拉森板根数为100cm÷57.5cm=1.74根

所以， W拉森板=1346÷1.74=773.6

W=W管桩+W拉森板=2264+773.6=3037.6cm3

σw==151.24 Mpa≤[σw]=250 MPa

结论：从整体结构验算结果得知，钢管桩结合拉森钢板桩强度满足要求。

2.拉森钢板桩强度验算（属于局部强度验算）

图3拉森板桩最不利荷载位置受力图（取高度方向10cm板带）

在最大土压力处取宽575cm、高10cm的拉森板带作为计算对象，如图3。

最大土压力p=130.7kN/m2；

高10cm范围内钢板的荷载线集度为q=0.1×130.7=13kN/m;

计算跨径为;

受力模型为一端固结、一端铰接的板。

Mmax=

σw==322.3 Mpa＞[σw]=250 MPa

结果分析：在对拉森板不加支撑的情况下，靠一端焊接于管桩上的固结作用，其抗弯强度是不能满足要求的。

拉森板一半的长度为287.5mm，在其中部加焊竖向钢板时（图4），计算跨径变为575/4=143.75mm。

图4锁口拉森板桩加强示意

因此，这时的Mmax=

σw==80.58 Mpa≤[σw]=250 Mpa

结论：在拉森板桩的中点附近加焊竖向钢板后，拉森板可满足强度要求。

3.拉森钢板桩刚度验算（局部稳定验算）

加焊竖向钢板情况下（如图4）：

0.4mm

这说明在加焊竖向钢板情况下，拉森板变形很小。

4.内支撑验算