既有线深基坑承台钢板桩施工潜析.doc

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既有线深基坑承台钢板桩施工潜析

[摘要]结合沪宁城际的施工实践，介绍和总结应用钢板桩施工既有线旁深基坑承台。

从工艺流程、施工要点、施工注意事项等方面阐述钢板桩及深基坑承台的施工过程。

[关键词]钢板桩既有线深基坑承台施工

钢板桩是目前基础施工中常见的且十分重要的临时设施，适用于软弱地层、深水基坑、既有线附近的施工，整体刚度性较强。

在基础深基坑施工中钢板桩能达到安全防护、快速、减少基坑土方开挖量的目的。

1工程概况

沪宁城际铁路站前Ⅵ标起讫里程为DK191+312--DK247+298.55，线路全长55.98公里。

其中路基长11.564Km,桥梁总长42.788Km,本标段范围内地势平坦、开阔，大部分为农田，水塘零星，水陆交通纵横；整个线路基本与既有京沪铁路并行。

苏州东1#特大桥Dk220+899.110-DK225+282.225（对应既有京沪铁路里程为K1369+811.19-K1374+194.05）临近既有线路长度为4383米。

本桥的10#、11#墩为本桥跨越梅巷路的连续梁主墩，本桥的113#墩为本桥跨越杨明路的连续梁主墩，10#墩沪宁城际里程为DK221+232.290，对应既有京沪铁路里程为K1370+144.37，11#墩沪宁城际里程为DK221+280.290，对应既有京沪铁路里程为K1370+192.37；113#墩沪宁城际里程为DK224+662.765，对应既有京沪铁路里程为K1373+535.84，承台平面尺寸均为12.3m*8.6m，3.5米高，承台底标高分别为-4.729米、-4.662米和-3.331米，开挖深度分别为6.54米、6.78米和5.77米。

根据设计资料，桥位处地质情况普遍为：

第一层为黏土，黄褐色间浅灰色，硬塑，承载力为120Kpa，层厚约3-4.5米。

第二层为粉土，黄褐色间浅灰色，稍密～中密，饱和，层厚5.5-7米,地基基本承载力为110KPa。

第三层粉砂,青灰～褐灰色，稍密～中密，饱和，层厚6～10米，地基基本承载力为110KPa。

2钢板桩围堰布置

由于地质条件限制，拟采用新包IV型拉森桩进行钢板桩围堰施工；对基坑采取周边围护，确保开挖基坑顺利完成。

钢板桩每片宽40cm,钢板桩长度为12m，深入持力层6米，重量75kg/m，截面模量W=2410cm3,允许应力为[σ]=200Mpa，围堰尺寸14.7m×11.4m。

布置图如下：

附注：

1、图中尺寸以cm计，标高以m计。

2、延钢板桩四周和倒角处采用I56工字钢加固，中间采用Φ30cm的钢管内撑。

2.1钢板桩围堰计算

采用“支撑荷载的1/2分担法”

已知：

φ＝200，γ＝19KN/m3，

基坑深度H＝11.7m,长*宽*深＝14.7*11.4*6.7m。

主动土压力系数：

Ka=tg2（450-φ/2）=0.49

被动土压力系数：

Kp=tg2（450+φ/2）=2.04

最大土压力强度Pa=0.8*γ*H*Ka

=0.8*19*0.49*11.7＝87.15kPa。

支撑采用间距离2.7+5+4m二层布置，对各层的计算如下：

计算支撑荷载

对B1取矩

A*5=（87.15*2.34*1/2）*（5.36+2.34/3）+87.15*5.36*（5.36/2）=1877.96KN/m。

A=375.59KN/m

B1=87.15*0.5*2.34+87.15*5.36-375.59=193.50KN/m

对基底取弯矩平衡：

B2*4=87.15*（4-2.34）*（2.34+1.66/2）+（87.15*2.34*1/2）*（2/3*2.34）=617.07KN/m。

B2=154.42KN/m。

C=87.15*1.66+87.15*2.34*0.5-154.42＝92.21KN/m

则各支撑点的受力为

A=375.59KN/m

B=193.50+154.42＝347.91KN/m

C=92.21KN/m

在7.4m方向设两道支撑，在10.6m方向设两道支撑。

最大支撑间距为：

10.6/2＝5.3m。

轴向最大支撑力：

A=5.3*375.59＝1990.63KN

B=5.3*347.91=1843.92KN

C=5.3*92.22=488.77KN

最大支撑荷载为1990.63KN。

支撑采用200*200H型钢，其截面系数为Wx=63.53cm3

截面强度为：

f=1990.63*1000/（63.53*100）=31.33MPa<215MPa

2、计算钢板桩弯矩

A点弯矩：

Ma=-（87.15*2.34*（2.34/3+0.36）+87.15*0.36*0.36/2）

=-238.13KN.m。

AB间最大弯矩位置距离应力变化点的距离x为：

Qx=2.34*87.15*1/2+87.15*x-375.59=0

x=3.14m

AB间的最大弯矩为：

Mab=-375.59*（3.14-0.36）+87.15*2.34*0.5*（2.34/3+3.14）+87.15*3.14*3.14/2=-214.81KN.m

BC间的最大弯矩为：

距离C位置y，按照Qy=0,进行计算,则：

Qy=87.15*y*0.5-92.22=0

y=2.12m

则Mcd=92.22*2.12-87.15*0.5*2.12*2.12/3=130.22KN.m

综上最大控制弯矩为：

238.13KN.m

采用IV型拉森桩，截面模量，W=2410cm3,允许应力为[σ]=200Mpa。

σ=M/W=238.13*1000*1000/（2410*10*10*10）

=98.81m2<200N/mm2（满足要求）

3、采用连续梁法计算钢板桩土压力零点位置（距离坑底深度）

u=（19*0.49*11.7）/（19*（2.04-0.49））=3.70m

即钢板桩要埋入粘土层底以下>1.2*3.70=4.44m。

4、防止管涌、流砂现象，钢板控制入土深度为：

当钢板桩埋深为4.44m时，钢板桩底位于亚粘土层。

该层厚5.7m，建议穿透该层使之进入亚粘土夹碎石，延长渗流路径，防止出现流砂、管涌等现象。

故取钢板桩延长至基础底面以下6.3m。

则：

钢板桩长为：

11.7+6.3＝18m

5、基础隆起稳定性计算

安全系数：

Fsb=（Nb*τu）/（γ*h+q）=（7.2*95.9）/（19*11.7+0）=3.1

安全性得到保证。

式中：

11.7/10.7=1.094查表得Nb=7.2

τu=c+σtga=15+19*11.7tg200=95.9KN

故可以抵抗地基隆起

6、降水

设地面下4.0m处进入潜水层。

管井深度18m。

管井直径0.3m。

总涌水量：

Q=1.366k*（2H-S）*S/（log（1+R/r0））

=1.366*15*（2*14-8.7）*8.7/（log（1+252.15/5.22））=2033.37m3

式中：

k为渗透系数，H为潜水含水层厚度，S为基坑水位降深；R为降水影响半径；r0为基坑等效半径。

其中：

r0=0.29*（10.6+7.4）,R=2*S*（k*H）^（1/2）

3钢板桩围堰施工工艺及流程

钢板桩施工一般采用单根插打法，该法施工速度快，钢板桩施工的主要机械为振动锤及相应的起吊设备，振动锤与钢板桩呈刚性连接,依靠锤内偏心块产生上下振动,强迫与之接触的土体发生振动,大大降低土体的沉桩阻力，从而使钢板桩在自重及振动锤的压重作用下顺利沉入土体。

为防止钢板桩倾斜，在一根桩打入后应与前一根焊牢，它可避免先打入的钢板桩被后打的桩带入土中。

钢板桩施工工艺流程为：

按设计下料→钢板桩的整理→组装→加固→制作围笼设备→安装围笼→插打与合拢→布置打设轻型井点→实施降水→开挖基坑→抽水堵漏

3.1施工准备

按设计下料、整理钢板桩、检查振动锤：

振动锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要派专人检查，确保线路畅通，振动锤的端电压达到380～420伏，夹板牙齿无太多磨损。

3.2钢板桩组桩及加固

组桩及单块桩两侧锁口均在插打前涂以黄油或热的混合油膏，以减少插打的摩阻力，并增加防渗性能。

组桩的嵌缝用油灰及旧棉絮，用钝凿嵌塞紧密。

组桩拼接后，每隔4∽5米加一道夹板，使其固定，以便插打。

3.3围笼的制作及安装

钢板桩围堰尺寸可在承台的基础上每边放大100厘米，钢板桩围堰尺寸10.6m×7.4m。

围笼安装时，先进行测量定位。

钢板桩导向装置的设置：

方形钢板桩围堰通常用方形导向，在围堰的内侧打8根定位桩（可以用钢板桩代替，待快要合拢时，将导向架拆除将钢板桩插打到围堰当中），焊接牛腿，安装上导向框，如下图：

3.4插打与合拢

钢板桩的插打前，应设置全站仪观测点，用以控制围堰长，短边方向的钢板桩的施工定位。

施打前、钢板桩的锁口应用止水材料捻缝，以防漏水。

施打顺序插打次序都是从一侧中间导向架开始，沿钢围笼周围分两侧对称插打至另一侧合拢。

施打时宜将钢板桩逐根或逐组施打到稳定深度然后依次施打到设计深度。

施打时，应随时检查位置是否正确，桩身是否垂直，不符要求时应立即纠正或拔起重打。

1、第一片钢板桩插打

第一片钢板桩是插打的关键，为了确保其插正及位置准确，在导向架上设了一个限位框架，大小比钢板桩每边放大1厘米，插打时钢板桩背靠紧导向架，一边插打，吊车一边缓慢下钩，并在互相垂直的两个方向用全站仪观察，发现偏移，调整直到钢板桩底达到设计标高。

（见下图）

钢板桩支护施工工艺流程图

施工准备

打桩机械就位

插打定位桩

安装第一片导向架及限位装置

精确插打第一片（组）钢板桩

基坑开挖

封底施工

承台施工

墩台身施工

基坑回填（靠既有线侧回填AB料）

拔除钢板桩

场地清理

测量定位

垂直度观测及控制

插打后续钢板桩直至围堰合拢

测量定位

垂直度观测及控制

2、插打过程的控制

在插打过程中，由于钢板桩锁口和锁口之间缝隙较大，而钢板桩下端有土挤压，上端是自由的，总会使钢板桩产生向远离第一根钢板桩的方向倾斜，因此，每打4～5根钢板桩就要用垂球吊线，将钢板桩的倾斜度控制在1%以内，否则就用倒链纠偏，一次性纠偏不能太多，以免引起锁口间别住，影响下一片钢板桩的插打，当钢板桩偏移太多时，只能采用多次纠偏的方法逐步减小偏移量，若因土质太硬倒链拉不动时，可采用走四滑轮组纠偏。

3、钢板桩插打施工工艺流程见下：

4、合拢时片数的确定

在即将合拢时，开始测量并计算出钢板桩底部的直线距离（X1），设钢板桩宽度为d，设原设计还剩N设片，N设=X1/d，

当N设+2>N>N设

增加两片钢板桩，并绕圆弧X2，使X2/d=N设+2

当N设-1

向外绕圆弧X3，X3/d=N设

5、合拢桩的处理

为了便于合拢，合拢处的两片桩应一高一低，合拢时往往出现“上小下大”或“上小下大”的情况，此时可用两个滑轮组向两边拉开或拉拢，直到合拢桩两边的桩顶距离等于d（钢板桩宽度），并且接近平行，将合拢桩插入，起动振动锤，将合拢桩打入到设计标高。

方形围堰有四个面，打完的每一片都要保证钢板桩沿导向架的法线和切线方向竖直，合拢应选择在角桩附近（一般离角桩4～5片），如果距离有差距，可通过调整相邻一边离导向的间距，直到合拢边的距离X=X设（仍然是以钢板桩底部为基准），为了防止合拢处两片桩成异面直线，角桩一定要调整好方向，让其一面锁口与对面的钢板桩锁口尽量保持平行，合拢时若两片桩不在一条直线上，可拔除几根，进行调整。

4深基坑土方开挖

钢板桩打入到位后，由测量队准确放出承台的中心及四角，并用护桩引到钢板桩外侧，以保证开挖施工中随时进行复测，同时测设好高程控制点，以便控制开挖深度。

在基坑周围适当距离（钢板桩外侧50-1cm）挖排水沟，防止雨水流入基坑。

基坑采用挖机机开挖，人工配合，当深度较深时采用长臂挖机。

施工时，先用挖掘机挖土至第一道支撑处，挖土用自卸汽车运至指定地点堆放。

如果设置有两道支撑，再挖至第二道支撑位置时，设置好第二道支撑后，再进行土方开挖，预留30cm厚人工清理至设计标高，即可进行封底施工。

然后凿除桩头，按要求进行桩身质量检测合格后，清理基底，施工垫层。

当开挖的土体较差，则在基坑四周采用压浆固结土体，使土体稳定性能达到施工的要求。

基坑开挖采取间隔开挖,不连续施工.

开挖基坑时，弃土应按指定地点堆放，基坑上口5m以内不的堆土，以免影响边坡稳定。

基坑开挖完成后立即进入下道工序施工。

机械开挖时设专人指挥，以保证施工安全和开挖准确，防止机械侵入既有线限界。

4.1基坑排水

在基坑周围设置集水井。

并在基坑顶部设置明沟截水，以防地表水流入基坑内，排水沟采用500×500，排水沟与施工便道主排水沟相连。

深基坑确保支护不渗漏，若有少量水渗漏到基坑，则在基坑四角设置集水坑（集水坑设置不影响支护安全以及承台施工），然后用潜水泵抽水，排入地面排水明沟。

4.2基坑封底混凝土

基坑开挖完毕后，对基底采用浇筑C30的混凝土进行封底，封底混凝土厚度为50厘米厚，并在混凝土加入早强剂，加速混凝土凝固。

4.3特殊情况处理

当基坑开挖时，无论采用放坡开挖或钢板桩支护开挖，遇有涌水、涌砂时，则采用特殊处理方式。

及时回填开挖的基坑，待基坑回填完毕后，根据涌水、涌砂的情况，确定采用岩溶注浆或高压旋喷桩加固基坑四周土体，改变土体结构，待加固完毕，土体固结后，方可开挖基坑。

基坑开挖时密切注意流水和流砂情况再次发生。

4.4基坑监测

1、钢板桩施工中监测

在钢板桩施工中，打设的允许误差一般为：

桩顶标高偏差±100mm；钢板桩轴线偏差±100mm；钢板桩垂直度偏差为1%。

在打设过程中，应监测是否在允许误差范围内，超出时及时纠正。

2、支撑系统的监测

在钢板桩施工完成、封底以后，就开始支撑的施工。

在施工支撑及承台的过程中，应对支撑系统进行监测。

主要监测支撑的变形、钢板桩的变形、基坑内流动水量及围堰的位移等。

在施工过程中可能出现如下的情况：

（1）钢板桩弯曲变形严重。

这主要是钢板桩断面选用偏小，土压力计算偏低，基坑超挖或支撑间距过大等原因造成的。

（2）基坑底部涌水严重。

主要是基坑封底时混凝土浇注质量不好，出现开裂、夹泥等情况引起的。

严重时可以致使封底混凝土不能发挥其作用，而须要进行二次封底。

（3）支撑弯曲。

这往往是由于支撑断面不够或受力不均造成。

可增加支撑以解决。

（4）围堰整体位移。

这主要是钢板桩入土深度不够，地质情况有较大的出入等原因-造成的

5钢板桩施工注意事项

1、钢板桩制作注意事项

钢板桩的机械性能和尺寸应符合规定要求。

经过整修或焊接后的钢板桩，应用同类型的钢板进行锁口试验、检查。

钢板桩有弯曲、破损、锁口不合的均应整修，按具体情况，分别用冷弯热敲（温度不超过800—1000c）焊补、铆补、割除接长等。

锁口、弯曲、扭曲、等曲陷经检查整修的必须达到技术要求。

板桩长度不够时可用同类型的钢板桩同强度焊接。

焊接时先对焊成将接口补焊合缝，再焊加板，相邻板桩接长缝应错开。

2、钢板桩插打注意事项

当钢板桩久打不下时，应停下来分析原因，看一看是否锁口变形，桩身变形，或钢板桩底脚有铁件等，不能一味蛮干，磨损了钢板桩。

定期检查振动锤，以防在振动锤长期振动下因松动而掉落，确保施工安全。

振动锤的夹板采用液压控制，必须经常检查液压设备，杜绝液压泵失灵，引起钢板桩掉落。

振动锤的电动机在长期超负荷运转时，容易发热烧毁，尤其在硬塑性粘土上打拔钢板桩时更应注意休息。

6结束语

钢板桩施工组织设计编制合理，技术控制到位是保证深基坑承台顺利施工的必要前提。

实践证明沪宁城际铁路既有线深基坑采用12米拉森Ⅳ型钢板桩施工深基坑是可行的，能满足基坑施工的需要，钢板桩具有可重复性，满足基坑支护的同时防护既有线路的路基稳定,还能为施工赢得时间，确保了施工工期。

参考文献：

[1]深水基础工程，中国铁道建筑总公司

[2]结构力学.清华大学出版社.