奉化江大桥12#墩基坑支护验算与施工监测

成水武

奉化江大桥12#墩基坑支护验算与施工监测

成水武

（宁波交通工程建设集团有限公司，浙江 宁波 315000）

宁波市奉化江大桥主桥上部结构采用波形钢腹板连续箱梁，下部为灌注桩、柱式墩，其中12#墩基坑位于奉化江中，工程地质较差。拉森钢板桩围堰基坑采用理正深基坑软件验算，并进行位移检测，为工程施工安全和质量提供科学依据。工程建成后使用情况良好。

拉森钢板桩；基坑支护；受力验算；位移检测

1 工程概况

1.1 水文地质条件

奉化江大桥区内地势平缓，水网密布，田园成片，河渠水系十分发达，奉化江最大流速为1.04 m/s，断面平均流速为0.91 m，设计最高通航水位3.16 m，最低水位﹣0.7 m。12#墩处地质状况如表1所示。

1.2 基坑结构

宁波市奉化江大桥全长1 020 m，上部结构采用波形钢腹板连续箱梁＋小箱梁，布跨（11×30）m＋100 m＋160 m＋100 m＋（11×30）m，桥梁主跨、宽度为国内外最大跨径、跨度的桥梁之一。桥梁标准宽度为51.2 m，单幅宽度为 23.85 m，两侧宽度1.75 m侧分带以宽度0.75 m隔离防撞墙代替。下部为灌注桩、柱式墩，其中12#基坑位于奉化江中，工程地质较差。主桥12#墩承台尺寸为22.4 m×13 m×4.5 m，顶标高﹣2 m，底标高﹣6.5 m，分左右幅两个承台，如图1所示。枯水期施工常水位标高不超过1.5 m，采用VI型拉森钢板桩，长度为24 m，钢板桩施工采用履带吊+振动锤（DZ60）。围堰结构VI型拉森钢板桩+内支撑（Φ630×8 mm钢管），内支撑第一道标高2.1 m，第二道标高﹣1.6 m，第三道标高﹣3.2 m，第四道标高﹣4.8 m。围檩采用3拼的45a工字钢。基坑底部铺设1.5 m砼垫层，封底砼顶标高﹣6.5 m，角落处设置一个集水坑，及时抽水。

表1 12#墩处地质状况表

顶面高/m底面高程/m层深/m内摩擦角/°粘结力/kPa重度/（kN/m3）桩侧土摩阻力标准值/（kPa） （2-3）粘土、亚粘土0.1-5.05.18.310.2179～10 （3-1）淤泥质粘土夹砂-5.0-13.18.117.413.418.120 （3-2）淤泥质黏土-13.1-24.311.29.714.717.112

图1 VI型拉森钢板桩结构图

2 基坑支护受力验算

2.1 计算模型

结合相应的地质条件及参数，根据不同的开挖深度、基坑邻周环境及相应的施工工况，按最不利原则，采用理正深基坑软件7.0PB2验算，计算模型如图2所示。

图2 VI型拉森钢板桩结构模型图（单位：m）

计算工况、计算依据和方法如表2、表3所示。

表2 计算工况表

工况号工况类型深度/m支锚道号工况号工况类型深度/m支锚道号 1开挖0.900—6加撑—3.内撑 2加撑—1.内撑7开挖7.800— 3开挖4.600—8加撑—4.内撑 4加撑—2.内撑9开挖10.500— 5开挖6.200—

表3 计算依据和方法表

整体稳定计算方法瑞典条分法 稳定计算采用应力状态有效应力法 稳定计算是否考虑内支撑√ 稳定计算合算地层考虑孔隙水压力× 条分法中的土条宽度/m1.00 刚度折减系数K0.850 考虑圆弧滑动模式的抗隆起稳定√ 对支护底取矩倾覆稳定√ 以最下道支锚为轴心的倾覆稳定√

2.2 验算结果

2.2.1 土压力、位移、弯矩和剪力

为了节约篇幅，工况1土压力、位移、弯矩和剪力计算结果如图3所示，其余省略。

图3 计算工况1图

2.2.2 内力位移包络图

为节约篇幅，工况9内力包络图如图4所示，其余省略。

图4 工况9内力包络图

2.2.3 计算结果汇总

计算结果汇总如表4所示。

3 钢构件验算

3.1 VI型拉森钢板桩桩身强度验算

查相关规范可知，VI型拉森钢板桩每延米截面模量x=4 200 cm3。计算可得截面最大应力max=/x=145.10/ 4 200×10-6=35 MPa＜215 MPa，满足要求。

3.2 钢围檩强度验算

围护结构钢围檩采用3拼45a工字钢，材质为Q235钢材，截面系数x=3×1 430×103mm3，x=3×836.4× 103mm3，x=3×32 240×104mm4，w=3×13.5 mm。

表4 12#墩基坑支护计算结果汇总表

计算分区支护形式计算地面（水面）标高/m计算深度/m嵌固深度/m桩长/m最大支撑轴力/kN桩身最大弯矩/（kN/m）整体稳定性系数抗隆起系数最小抗倾覆系数桩身最大位移/mm 12#墩基坑VI型拉森钢板桩+4道钢支撑施工期高水位1.510.51222.5261.67145.104.01.651.2310.3

3.2.1 围檩抗拉验算

钢围檩所承受的所受的最大均布荷载为第四道支撑处，k=261.67 N/mm，设计值=1.25×261.67=327.1 N/mm。

最大弯矩设计值：

围檩翼缘处最大拉、压应力=/x=296 843 250/ （3×1 430 000）=69.19 N/mm2＜=215 N/mm2。

围檩抗拉设计强度满足要求。

3.2.2 围檩抗剪验算

=×x/（x×w）=327.1×（3 300/2）×3×836.4×103/（3× 32 240×104×3×13.5）=34.57 N/mm2＜v=125 N/mm2

围檩抗剪设计强度满足要求。

3.3 钢支撑的强度验算

内支撑采用630×8 mm钢管，截面面积=156.32 cm2，截面模量x=2 400 cm3。

最大轴力设计值：1.25×261.67×3.3=1 187 kN

钢管计算跨度取15.2 m，钢管每延米自重标准值1=156.32×7.85×1/10 000=1.227 kN/m。

钢管每延米施工活载2=1.0 kN/m。

自重及施工荷载产生的弯矩设计值1=1.25×15.22×（1.227+1.0）/8=80.4 kN/m。

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）4.9.7条，支撑的承载力计算应考虑施工偏心误差的影响，偏心距不宜小于支撑计算长度的1/1 000。

安装偏心产生的弯矩2=1.25×1 187×15.2/1 000= 22.6 kN/m，因此总弯矩=1+2=103.0 kN/m。

查钢结构规范表5.2.1可知，截面塑性发展系数x=1.15，max=/（xx）+/=103/（1.15×2 400×10-6）+1 187/ 156.32×10-4=113.25 MPa＜215 Mpa，满足强度要求。

每一段的防浪墙我们都进行了单独的深化设计，以契合每一段的主题，并与周围环境进行高度融合。考虑到夜晚的效果，在异型防浪墙底部增设灯带，使得其在夜晚也能形成一道优美的景观。左岸中大面积的景墙其实也属于防浪墙的范畴，但由于景墙后部为居住区，因此作为防浪墙的景墙设置了2m多高，如何利用这2m多高的景墙，将其做的有特色，并能成为河对岸的视觉观赏点是设计过程中的难点。因此，在这里也选用了可雕刻的异型混凝土，将滁河左岸“望山见水”景观主题刻画于此。

3.4 钢支撑压杆稳定验算

3.4.1 平面内的稳定性验算

X=7.561×108mm4，欧拉临界力cr=π2x/2= 3.142×206 000×7.561×108/（15.2×15.2×1×109）=6 653.6 kN。

查《钢结构设计规范》附录C，得轴心受压构件稳定系数为x=0.844。

挠度引起的弯矩增加系数为：

1－0.8×（/cr）=1－0.8×（1 187/6 653.6）=0.86

压弯构件的等效弯矩系数max取1.0，则平面内的整体稳定性系数为：

3.4.2 平面外稳定性验算

轴心受压构件稳定系数y=0.844，压弯构件的等效弯矩系数tx取1.0，截面影响系数取0.7, 均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数b=1.0，则平面外的整体稳定性系数为：

3.4.3 封底混凝土厚度验算

封底混凝土将受到可能产生的向上水压力作用，现以此荷载（即水头高度减去封底混凝土的重量）作为设计值。采用1.5 m厚的C25混凝土封底，取单位宽度1 m计算，水面至封底混凝土高度（按最不利原则考虑）：=1.5 m（常水位标高）－（－8.0 m）（封底混凝土底标高）=9.5 m，混凝土主要受向上的静水压力及自重作用。=10×9.5×1.0－25× 1.5×1.0=57.5 kN/m。

单元混凝土材料参数及指标：

力学模型按照简支梁计算得到=1/82=1/8×57.5× 162=1 840 kN/m，=/=0.49 MPa≤＜＞=1.54 MPa，封底混凝土厚度满足要求。

由以上验算可知12#墩承台基坑支护设计满足要求。

4 施工监测

4.1 监测方案

根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009）的规定，开挖深度大于等于5 m、或开挖深度小于5 m但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑工程以及其他需要监测的基坑工程应实施基坑工程监测。本工程委托专业第三方监测单位进行监测。12#墩基坑测点布置如图5所示。

图5 基坑测点布置图（单位：m）

4.1.1 支护结构顶部水平及竖向位移

监测点间距不大于20 m，基坑各边监测点3个，由于基坑尺寸限制，因而每个基坑布置8个监测点。随着开挖深度的增加，对监测点进行加密，沿钢板桩护墙壁下移，以保证支护结构深层的稳定性。

4.1.2 支护结构深层水平位移

12#墩基坑深层水平位移测点共布设3层，1、2层分别位于第一道与第二道、第二道与第三道钢管横撑中间，3层位于底板混凝土顶面以上0.5 m；每层布置4个监测点，均位于基坑边线中点处。

4.2 监测要求

4.2.1 基坑变形警戒值

根据深基坑变形控制保护等级标准，本工程基坑支护变形控制保护等级为二级。

基坑变形的监测标准：支护结构顶部侧向水平累计位移小于等于50 mm，变化速率为6 mm/d；支护结构沉降累计位移小于等于30 mm，变化速率4 mm/d；支护结构深层侧向水平累计位移小于等于85 mm，变化速率为6 mm/d。

4.2.2 监测周期及监测频率

从基坑支护施工开始至承台施工完毕后7 d为一个周期。监测频率要求如表5所示。遇特殊情况，如持续降雨、围堰内抽水除淤、围檁及支撑拆除等情况时，需要增加监测频率。

变形监测的精度要求及结果如表6所示，监测结果符合要求。

表5 基坑支护监测频率表

序号施工工况最小监测频率/d 1基坑支护施工1/3 2开挖1/0.5 3封底或浇筑垫层完毕1/0.5 4承台浇筑完毕7～10 d内1/2

表6 变形监测的精度要求及结果表（单位：mm）

监测内容量测要求监测结果 垂直位移中误差水平位移中误差垂直位移中误差水平位移中误差 监测数据±0.5±3.0±0.3±2.5

5 结语

拉森钢板桩强度高、耐久性好，可重复使用；采用锁扣连接形成围护结构，有效克服风浪或振动等外力影响，止水效果好；与传统钢筋混凝土板桩相比，其可节约资源；拉森钢板桩的安拆不会对江河造成污染，具有显著的环保效益。通过验算，并进行位移检测，为确保工程施工安全和质量提供科学依据。本工程2016-12开工，2017-06完工，具体如图6所示。

图6 工程施工照片图

［1］姜引利.深基坑支护钢板桩围堰仿真分析与监测［J］.公路与汽运，2015（4）：228-232.

［2］王青蕊.游荡性河床桥梁深水低桩承台拉森钢板桩围堰设计施工技术［J］.铁道建筑技术，2015（3）：54-58.

［3］卢涛，秦凤江.钢板桩围堰的仿真计算及施工关键技术［J］.广东公路交通，2014（1）：31-34.

2095－6835（2019）22－0035－04

U44

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.009

成水武（1974—），男，浙江宁波人，本科，高级工程师，从事交通建设工程施工管理工作。

〔编辑：严丽琴〕