高攀 李小兔
中铁一局集团有限公司勘察设计分公司 西安 710054
摘要：某特大桥连续梁主墩承台尺寸长10.8m×宽6.8m×高2.5m；基坑深度为7.869m（包含0.8m封底混凝土厚度）；水深4.5m，河床底为粉土，基坑底为淤泥质粉质黏土；基坑防护采用拉森IV型钢板桩围堰结构；通过有限元软件MADIAS Civil对钢板桩及围囹进行建模计算分析，通过计算对常规围堰支撑设计施工步骤进行优化，进而可优化围囹支撑层数；优化后提高了钢板桩围堰施工的安全经济性能。
关键词：拉森IV型钢板桩；水中深基坑；软弱地层；水下封底；
0引言
伴随着国内基础建设事业的飞速推进。桥梁施工技术也取得了良好的发展，其中桥梁基础施工中的深基坑施工是一种重要的施工方法。在深基坑施工过程中对于南方沿海地区软弱地层区域内的水中基坑围堰施工，常规的顺作法施工中随着基坑内水位的逐步降低设置围囹及内支撑，本次防护设计中对设计施工工序进行调整，在不降水的情况下进行水下开挖，开挖至封底混凝土底后进行水下浇筑封底混凝土，待封底混凝土强度达到设计强度后再进行基坑降水及围囹内支撑施工；通过计算可得出调整后的施工方法可有效的减小钢板桩应力及变形，提高围堰施工的安全经济性能。
1工程概况
某大桥8#墩位于河中，承台底标高-6.089m；承台尺寸为：长10.8m×宽6.8m×高2.5m；水面标高+0.98m，水深4.5m。
根据地勘资料，地质情况如下：
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地质说明：
（2）3 Q4 m+al 粉土，褐黄色，稍密，饱和，层厚 1.6~2.5m，局部分布；
（3）1 Q4 m 淤泥质粉质黏土，灰色，流塑，含腐殖质，层厚约 3.0~10.0m，普遍分布；
（3）2 Q4 m 粉土，灰色，松散~稍密，饱和，含云母，夹薄层粉砂、粉质黏土，层厚约
2.2~9.1m，局部分布；
（4）Q4m 淤泥质黏土，灰色，软塑~流塑，含腐殖质，层厚约 5.05~12.55m，普遍分布；
（5）1 Q4 m+h 粉质黏土，褐灰色、灰色，软塑，层厚约 1.1~17.6m，普遍分布。
2设计参数
（1）基本组合的荷载分项系数：1.25，基坑安全等级二级；
（2）拉森IV型钢板桩抗弯强度设计值：fy=295MPa，抗剪强度设计值：fv=155MPa；
（3）Q235抗弯强度设计值：fy=215MPa，抗剪强度设计值：fv=125MPa；
（4）C25混凝土：轴心抗压强度设计值fc=11.9MPa，轴心抗拉强度设计值：ft=1.27MPa。
3结构设计概况
（1）8号墩钢板桩桩长采用24m拉森IV型钢板桩，嵌固深度不小于15.131m，钢板桩底标高不高于-20.02；
（2）8号墩设置二道围囹及内支撑，围囹采用双拼I40a型钢，内支撑及斜撑采用Φ426×8mm钢管；围囹与内支撑接头应在内支撑端部与围囹接触部分满焊之后，在接头两侧各焊接三块定位板，焊缝高度1cm，接触部分满焊；围囹的牛腿支撑钢板采用1cm厚钢板制作，间距2m设置一道，且端头必须设置；
（3）钢板桩顶面标高高于水面以上1.0m。第一道围囹设置于钢板桩顶面以下0.55m处，第二道围囹与第一道围囹间距3.5m；
（4）钢板桩插打位置距承台周边0.9m，确保施工工作面；
（5）基坑抗隆起、抗渗透、抗倾覆及基坑圆弧滑动稳定性均满足要求，80cm厚封底混凝土抗浮及抗弯均满足要求；
（6）拆除内撑前必须做好换撑结构，已浇筑承台与围堰空隙间填土夯实，夯实度不得小于90%，并在钢板桩与承台顶面之间采用方木支撑，方木支撑间距不大于2m，或者浇筑20cm厚混凝土。
4常规顺做法结构施工存在问题
按照常规的顺作法施工：随着钢板桩插打完成后进行基坑降水开挖，围囹安装前确保基坑降水或开挖至每道支撑底下50cm，为围囹安装提供足够的操作空间。第一道围囹及内支撑设置于钢板桩顶面以下55cm处。第一道围囹及内支撑安装完成后基坑内降水3.5m后设置第二道围囹及内支撑；第二道围囹及内支撑安装完成后降水开挖至封底混凝土底（若抗隆起不满足要求，则必须进行带水开挖，水下浇筑封底混凝土），封底混凝土浇筑完成后待强度达到设计要求后可进行后续承台施工。
常规顺做法工况：
工况一：安装第一道围囹及内支撑后，基坑降水3.5m至第二道围囹内支撑以下50cm；
工况二：第二道围囹安装完成，基坑内降水开挖至封底混凝土底面；
工况三：浇筑封底混凝土，待混凝土强度达到设计值后进行承台施工。
通过有限元软件MADIAS Civil对钢板桩及围囹及内支撑进行建模计算分析。其中钢板桩建模计算基坑以下的钢板桩上的弹性支座取0.5m/个，计算宽度b取0.8m，地基弹性刚度根据m法分层计算。
围囹及内支撑结构布置图如下：
图4-1 围囹及内支撑结构平面布置图 图4-2 围囹及内支撑结构立面布置图
采用有限元软件计算工况一、工况二及工况三的钢板桩强度及变形，结果如下：
图4-3 工况一钢板桩弯曲应力图 图4-4 工况一钢板桩变形图 图4-5 工况二钢板桩弯曲应力
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根据计算结果在两种工况下得出如下结论：①结构强度满足规范要求，但弯曲应力偏大；②工况一情况下钢板桩变形超限，工况二情况下钢板桩变形也接近限值偏大；③围囹的钢板桩支撑反力较大，对围囹及内支撑结构强度要求增大，施工成本增加；④若要满足变形要求，则需调整围囹间距，缩小第二道与第一道围囹间距，增加第三道围囹。
根据上述计算结果，常规顺做法不能有效的满足施工技术要求。若增加第三道围囹则一定程度上增加施工成本，降低施工效率。
5优化解决方法
经过分析计算，提出如下解决方法：第一道围囹及内支撑安装完成后带水开挖至封底混凝土底，浇筑封底混凝土，待封底混凝土强度达到设计值后降水至第二道支撑以下50cm，安装第二道围囹及内支撑，安装完成后基坑降水至封底混凝土顶面，进行承台施工。
优化后工况分析：
工况一：安装第一道围囹及内支撑后，基坑基坑带水开挖至封底混凝土底，保证基坑内外水位平衡；
工况二：封底混凝土已浇筑，基坑内水位降至第二道围囹以下50cm；
工况三：第二道围囹及内支撑安装完成，基坑内水位降封底混凝土顶面，准备承台施工。
采用有限元软件计算工况一、工况二及工况三的钢板桩强度及变形，结果如下：
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根据计算结果在优化后的工况下得出如下结论：①结构强度满足规范要求；②三种工况下钢板桩强度及变形都得到有效的控制；围囹的钢板桩支撑反力减小，围囹材料截面减小，施工成本降低；③避免了因钢板桩应力及变形偏大而调整结构增加围囹道数，提高了结构的安全性及经济性。
6 结语
随着全国基建工程的增多，桥梁工程中水中深基坑施工也会越来越多，对于水深在3m～5m左右基坑底部为软弱地层的深基坑而言，常规依次降水顺做法过程中钢板桩应力及变形偏大，或需设置多层围囹支撑；在结构相同的情况下按照本文的调整优化施工方式可避免钢板桩应力及变形偏大，提高结构施工的的安全性，降低施工成本。综合考虑，此结构优化施工方式可为同类基坑施工提供有效参考价值，提高施工的安全经济性能。
参考文献
[1]《钢结构设计标准》（GB50017-2017）
[2]《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）
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