武漢樞紐江岸特大橋深基坑設(shè)計與施工

1梁的承臺和地下工程布置合武鐵路進入武漢樞紐，江岸特大橋224227號為一墩，橫跨河南河（48.80和48）m的連續(xù)梁。河南河改造后，原渠道流經(jīng)該段的連續(xù)梁。這條河是第二個航行模式。因此，有必要在河流河床的高度小于鐵路橋的前端。本橋主墩設(shè)計承臺底面標(biāo)高為5.360m,地面標(biāo)高為21.360m,基坑開挖深度為16m,屬超深基坑。承臺截面尺寸為12.60m×15.20m×4m。承臺開挖地段地質(zhì)狀況:上層為粉質(zhì)黏土,褐黃色,軟塑,夾有鐵、錳結(jié)核,厚度在7～8m;下層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,褐灰色,軟塑,局部夾有少量粉土,分布不均,易鉆,有縮孔現(xiàn)象。地形地貌情況:超深基坑位于府河河灘上,地面基本為平地,226#墩向大里程方向20m為既有河道,在線路左側(cè)10m左右修建了一條施工便道,跨越河流修建了一座施工便橋,其他地段均為種植土。2鋼板樁圍堰的開挖對于深基坑施工,一般有以下施工方法:(1)不受地形、地貌限制的,可采用擴大明挖方式,分層分臺階放坡進行開挖。但由于本橋深基坑開挖深度為16m,下層存在軟塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,開挖后極易坍塌,因此不能采用此種施工方法。(2)采用鉆孔灌注樁全圍護后,垂直開挖加設(shè)內(nèi)支撐的施工方法。本方法屬剛性圍護,一般能夠比較容易完成深基坑的施工,但圍護成本比較高,比較適用于城市人口密集區(qū)或大型建筑、重要結(jié)構(gòu)附近的深基坑開挖。(3)采用多排粉噴樁結(jié)構(gòu)的圍護方式進行開挖。此種方法比較適用于軟基地層、且開挖深度小于10m的深基坑結(jié)構(gòu),因為基坑過深,土壓力偏大,粉噴樁難以抗擊土壓力的剪切應(yīng)力而易發(fā)生破壞,且需要多排樁基,圍護成本較高。(4)先降低一層土體,再打入鋼管樁,開挖后加設(shè)內(nèi)支撐的開挖方式。此種方法適用于有現(xiàn)成鋼管樁材料、不用重新加工的施工企業(yè),否則會因為圍護成本過高而放棄該方法。(5)先降低一層土體,將深基坑變淺后打入鋼板樁圍堰,在開挖后加設(shè)內(nèi)支撐,形成鋼板樁圍堰的圍護體系。由于鋼板樁一般有現(xiàn)成的,可以租用和倒用,因此在深基坑的施工中經(jīng)常使用,特別對于土體變形要求不是很嚴(yán)格的深基坑開挖中經(jīng)常使用。綜合以上幾種方法的優(yōu)缺點和本項目實際情況,決定采用鋼板樁圍堰的圍護方式。3鋼板樁支護方案本橋超深基坑總體上采用明挖法開挖,開挖到一定深度后,再采用鋼板樁圍堰加設(shè)內(nèi)支撐(內(nèi)支撐道數(shù)視基坑深度而定,本方案采用3道)圍護的施工方案,即先通過放坡開挖的方式,開挖基坑上層6m的土層后,預(yù)留施工平臺(8m),再打入鋼板樁支護,并加設(shè)型鋼內(nèi)支撐(見圖1),確?；釉陂_挖過程中的穩(wěn)定性,再開挖下部基坑。3.1邊坡分層開挖根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探情況,本層土層為粉質(zhì)黏土,滲透系數(shù)小,因此在施工時,上層土方按照1∶1的邊坡開挖,挖除深度為6m,為保證邊坡的穩(wěn)定性,采用噴射C20砼,厚度為10cm,對邊坡進行防護。開挖的基坑頂面尺寸應(yīng)滿足承臺結(jié)構(gòu)尺寸及施工作業(yè)所需要的寬度。開挖方式為挖機開挖,自卸汽車運輸?shù)街付ǖ攸c堆放;采用分層法開挖,分2層進行,每層3m,隨挖隨修整邊坡,同時在開挖過程中,在開挖尺寸線以外挖1道排水溝,將地表水排到既有河道中;基坑底同樣挖1道排水溝,將基坑滲水匯集到角處的積水井,采取高壓抽水機強排出基坑外,避免基坑遇水坍塌。3.2進入安裝有鋼渣的水池(1)鋼板樁長度不足根據(jù)本橋深基坑實際情況以及市場調(diào)查鋼板樁情況,本橋深基坑采用拉森Ⅲ型鋼板樁,長度為12m。入土深度為18m,當(dāng)鋼板樁長度不足時,采用焊接方式加長鋼板樁,以滿足施工要求。拉森Ⅲ型鋼板樁寬度400mm,高度145mm,鋼板厚度t2為13mm、t1為8.5mm,每延米重量為60kg,截面抗彎模量為1600cm3。(2)打樁坑周邊鋼板樁開挖采用專用打樁機打入,鋼板樁堆放在基坑邊緣,利用打樁機頭上的夾持器將鋼板樁夾持后送到樁位,利用打樁機自身重量的壓力和打樁機振動力將鋼板樁打入到土層,當(dāng)鋼板樁樁頭打到基坑頂面后,采用焊接方式加長鋼板樁,保證鋼板樁入土深度為18m,一根打入后再依次打入相鄰位置的鋼板樁,整個深基坑鋼板樁打完形成基坑整體圍護后再進行深基坑下部開挖。3.3內(nèi)支撐安裝及封底鋼板樁打入后,采用長臂挖機開挖下層基坑土方,當(dāng)開挖到設(shè)置內(nèi)支撐標(biāo)高時,采取掏槽開挖,先進行第一層腰梁及內(nèi)支撐安裝,安裝好后利用千斤頂頂緊,使整個內(nèi)支撐形成加固體系后再向下開挖基坑土體,如此循環(huán),直至開挖到坑底進行封底。3.4表1中鋼渣結(jié)構(gòu)的壓力分析3.4.1基坑土體對樁的壓力和內(nèi)支撐采用鋼板樁圍堰加設(shè)內(nèi)支撐的方式施工深基坑,基坑開挖后,土體存在下滑趨勢,受到鋼板樁約束,土體對鋼板樁的作用力為主動土壓力(Ea),隨著開挖的進行,地下水也對抗滑樁有一個靜水壓力,當(dāng)開挖深度不斷加大,樁對基坑底土體存在壓力,基坑土體對樁有一個反作用力,當(dāng)達(dá)到極限平衡狀態(tài)時,基坑底面以下土體對樁存在被動土壓力(Ep),采用內(nèi)支撐時,內(nèi)支撐對鋼板樁有一個支撐反力。鋼板樁的受力情況見圖2。由于本地段至深基坑基底土層分成兩部分,上層土方開挖后,基本上只有下層土體,為簡化力學(xué)計算,將基坑土體理想化為一種均質(zhì)土體。根據(jù)設(shè)計勘察提供的地質(zhì)鉆孔資料,上層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,土體飽和重度γ=19.8kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=13.2°,黏聚力c=11kPa。在放坡開挖后,適當(dāng)留施工平臺(8m),使整個邊坡位置的土體對基坑開挖深度范圍內(nèi)的土壓力沒有影響,土體對基坑的影響范圍按45°+13.2°/2=51.6°計算,影響點到基坑的深度為10m以下。3.4.2鋼板樁結(jié)構(gòu)性能測定設(shè)鋼板樁自由長度為h,當(dāng)上部基坑開挖完后主動土壓力全部由鋼板樁抗彎性能承擔(dān),其受力情況見圖3。σmax=MmaxW=Ea1×(h?h0)3Wσmax=ΜmaxW=Ea1×(h-h0)3W式中,W為鋼板樁的截面抗彎模量,取1600cm3;Ea1為主動土壓力。Ea1=γ?h2?Ka2?2chKa???√+2c2γEa1=γ?h2?Κa2-2chΚa+2c2γ主動土壓力系數(shù)Ka=tan2(45-φ/2)h0=2cγKa√=1.4mσmax=Ea1×(h?h0)3W≤[f]=200×106MPah0=2cγΚa=1.4mσmax=Ea1×(h-h0)3W≤[f]=200×106ΜΡa通過三次方程求解得到h≤6.76m,即當(dāng)h取值小于6.76m時,鋼板樁結(jié)構(gòu)性能滿足要求。在本深基坑施工中,根據(jù)內(nèi)支撐設(shè)置及其受力狀況的分析,鋼板樁自由長度取3m。3.4.3鋼板樁抗傾覆力分析為節(jié)約支撐材料用量,充分考慮鋼板樁的結(jié)構(gòu)性能,采用等彎矩的支撐形式,即根據(jù)土壓力的情況,適當(dāng)調(diào)整支撐的間距,使得鋼板樁在各支撐點處的彎矩相等。把鋼板樁當(dāng)作一個承受三角形荷載的連續(xù)梁,各支點近似地假定為不轉(zhuǎn)動,即將每跨均視作兩端固定,按照一般力學(xué)計算原理,采用盾恩近似法計算原理,根據(jù)等彎矩計算各支撐層高為:h1=1.11×h=3.3m,h2=0.88×h=2.6m。即設(shè)置3層內(nèi)支撐,層高分別為3.3m和2.6m。根據(jù)等彎矩條件,以支反力Rp1與Rp2處彎矩相等的條件,計算出Rp1=53.4kN/m;采用同樣的方式,以支反力Rp3處為計算基點,計算出支反力Rp2=137.6kN/m。為確保鋼板樁的穩(wěn)定性,基坑開挖面以下被動土壓力按照一半計算,以確保穩(wěn)定。此時,根據(jù)抗傾覆力矩和傾覆力矩相等可得支反力Rp3值,經(jīng)計算得到Rp3=277.9kN/m。根據(jù)上述計算情況看,第1、2層內(nèi)支撐上受到的壓力比較小,第3層內(nèi)支撐受力情況明顯較大,這與現(xiàn)場實際情況也是相符的。3.4.4表1和室內(nèi)支撐疲勞分析腰梁和內(nèi)支撐平面布置如圖4。(1)抗彎模量計算腰梁采用2Ⅰ50a工字鋼,其可根據(jù)四等跨連續(xù)梁進行檢算,其彎矩、剪力查表可得計算系數(shù),最大彎矩位于1中,最大彎矩計算系數(shù)Km=0.077;最大剪力位于B左,系數(shù)Nv=0.607;最大支撐反力系數(shù)為Vmax=1.143,則:σmax=Mmax/W=0.077ql2/W=132.5MPa≤[f]=200MPa查表得到抗彎模量W=1860cm3,截面積A=119.304cm2。τmax=Vmax/A=0.607ql2/2A=33.9MPa≤115MPa從以上計算結(jié)果來看,腰梁受力滿足要求。(2)機械穩(wěn)定性檢驗當(dāng)采用4.8m跨度時,穩(wěn)定性分析如下:最大支撐反力V=1.143ql=1524.7kN。查表:Ⅰ50a工字鋼截面積A=119.304cm2,回轉(zhuǎn)半徑i=197mm,長細(xì)比λ=92.4≤150,對x軸屬a類截面,折減系數(shù)φx=0.699。穩(wěn)定性檢算結(jié)果為:N2?yA=91.4MPa≤215MPaΝ2?yA=91.4ΜΡa≤215ΜΡa小于穩(wěn)定性要求215MPa,因此結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。受力最大的下層截面穩(wěn)定,則上層支撐截面經(jīng)過結(jié)構(gòu)檢算,也能滿足要求。同時,將整個結(jié)構(gòu)模型輸入MIDAS計算軟件,計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)是安全的。3.5正常施工程序封底深基坑開挖完成,坑底采用碎石換填后,采用C20混凝土封底,封底厚度為30cm,然后按照正常施工程序施工承臺、墩身。承臺采用組合鋼模板拼裝,墩身采用定制定型鋼模板拼裝,在施工過程中必須注意排水措施,確保基坑穩(wěn)定。3.6基坑坍,基坑坍內(nèi)支撐和鋼板樁圍堰的拆除是施工中安全控制的一個重要環(huán)節(jié),稍有不慎就可能導(dǎo)致基坑坍塌,造成巨大的安全事故。鋼板樁圍堰拆除采取邊回填邊拆除的方案,即先用土回填到內(nèi)支撐位置后,切割內(nèi)支撐,使內(nèi)支撐與腰梁脫離后,拆除腰梁,再進行回填,直到基坑頂面后,采用振動打樁機振動拔樁,拆除鋼板樁。4預(yù)防事故發(fā)生深基坑施工,特別在不斷向下開挖過程中,應(yīng)加強施工觀測,發(fā)現(xiàn)事故苗頭后,及時采取措施進行處理,防止事故的發(fā)生。在施工過程中,主要采取位移觀測、沉降觀測、地表沉陷觀測、地下水位觀測和應(yīng)力應(yīng)變觀測,對施工過程加強