PC工法桩在水上深基坑工程中的应用

赵豫鄂，曹 杰，彭韬宇，成怡冲，龚迪快

(浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江 宁波 315012)

0 引言

PC工法桩是一种可回收式钢质连续墙，具有较好的抗侧刚度和止水效果。目前，PC工法桩施工技术趋于成熟，在基坑支护工程中的应用也日渐广泛[1-2]。金小荣等[3]介绍了PC工法桩的理论计算和施工工艺。许海明等[4]介绍了PC工法桩的设计计算方法，并与监测数据进行对比分析。邓帅等[5]采用理论计算和数值模拟的方法研究PC工法组合钢管桩的支护体系刚度，为设计计算提供参考。但现有工程实例中尚无PC工法桩在水上深基坑工程中的应用研究，缺乏PC工法桩水上施工经验及设计计算方法。

宁波西洪大桥项目基坑支护设计采用PC工法桩，并结合PC工法桩做施工平台，解决了余姚江水上深基坑施工中的诸多难点。该工程是全国首个采用PC工法桩的水上深基坑工程，可为类似工程提供经验参考。

1 工程概况

西洪大桥及接线工程是宁波市中心城区“四横五纵”快速路网的重要组成部分。西洪大桥南起环镇北路，北至北环快速路互通立交，连接江北区和海曙区，横跨余姚江。工程效果如图1所示。

图1 西洪大桥及接线工程效果

余姚江属平原型河流，河床平坦，水面比降<0.1%，桥址处水面宽约300m，水流稳定，航道顺直，桥轴线法线与水流方向夹角约10°。余姚江宁波段水位由余姚江大闸控制，闸上游控制水位台汛期为1.22～1.32m，梅汛期为0.92～1.02m，正常水位0.92m，警戒水位1.32m。水深3.0～6.0m，平均水深约5.0m。

西洪大桥有3座水中桥墩位于余姚江内。主桥墩长43.5m，宽12.0m，高4.5m；2个辅桥墩长43.75m，宽6.25m，高3.50m。基坑开挖深度为9.02～12.02m。

工程沿线场区主要地貌为第四纪冲湖积平原。该区域土层由上至下依次为①3a淤泥、①3b淤泥质黏土、②2b淤泥质黏土、②2c淤泥质粉质黏土、②2d粉质黏土、③2粉质黏土、④1b淤泥质粉质黏土、④2a黏土、⑤1a黏土、⑤2粉质黏土。开挖范围内淤泥质软弱土层厚15.0～18.0m，土性相对较差，易产生蠕变及剪切破坏等现象，对基坑支护结构变形控制不利，基坑坑底位于该层土中。③2粉质黏土、④2a黏土、⑤1a黏土、⑤2粉质黏土土性相对较好，桩底能进入该土层一定深度。

2 基坑支护设计

主桥墩基坑开挖深度为12.02m，采用PC工法桩+3道钢支撑形式，平面支撑布置须避开工程桩(见图2)。PC工法桩采用φ630×14钢管桩和小企口IV型拉森钢板桩组合而成，钢管桩长29m，IV型拉森钢板桩长18m。第1道支撑中心标高为1.670m，第2道支撑中心标高为-2.980m，第3道支撑中心标高为-7.130m。辅桥墩基坑开挖深度为9.02m，采用PC工法桩+2道钢支撑形式，平面支撑布置须避开工程桩(见图3)。钢管桩长23m，拉森钢板桩长16m。第1道支撑中心标高为0.870m，第2道支撑中心标高为-3.130m。

图2 主桥墩支护结构

图3 辅桥墩支护结构

采用理正软件进行计算，每根钢管桩的内力和位移包络图如图4所示。由图4可知，支护桩最大水平位移值为44.1mm，桩身弯矩和剪力均满足钢管桩承载力计算要求。

图4 计算包络图

PC工法桩采用钢管桩与IV型拉森钢板桩组合连接，形成一个整体钢质连续墙体组合结构，桩与桩之间采用止水锁口连接，同时具备挡土和止水功能。两根钢管桩间用钢板桩或调节钢板相连，可改善传统围护桩的桩间距局限性，经济性好，具体组合形式如图5所示。该组合桩采用专用设备施工，施工效率高，无泥浆污染，是一种绿色施工的可回收式钢质连续墙。钢管桩对接焊缝按II级焊缝质量标准检查验收，其余均按III级焊缝质量标准进行外观检查，要求饱满、无裂纹、不漏水。因桥墩基坑位于余姚江中心，基坑止水效果关系到基坑安全和施工便利。在PC工法桩基础上增加止水施工措施，采用木屑填充钢管桩与拉森钢板桩锁扣缝隙，并涂抹黄油。

图5 PC工法桩组合形式

3 施工平台设计

结合基坑支护设计中的PC工法桩进行施工平台设计，施工平台由H400×400型钢、贝雷梁、I56b、满铺I10组成。顶面满铺I10，可分块制作、分块安装，I10与I56b分配梁不焊接，根据桩基施工要求，可将桩基孔位处I10吊移，施工完成后重新吊回。施工平台主要功能为：①停放钻机，施工钻孔灌注桩；②行走混凝土罐车、80t履带式起重机及50t履带式起重机。

采用MIDAS Civil 2019 建立有限元模型对施工平台进行计算分析，计算模型如图6所示。次分配梁、分配梁、贝雷梁、承重梁及钢管柱均采用梁单元模拟，结构体系自重由程序自动计算，将荷载转换为质量。荷载工况如表1所示。

图6 施工平台计算模型

表1 荷载工况

边界条件遵循“力的来源是约束”的原则，次分配梁与分配梁间采用一般连接(场外整体拼装焊接成块吊装)；分配梁与贝雷梁间采用一般连接(对工字钢翼缘板开孔，通过M18螺栓栓接固定)；贝雷片与主横梁间采用一般连接，贝雷片每3m分段销接释放梁端约束；支撑架与贝雷梁间采用两种连接方式线性叠加。钢管柱底部约束x，y，z方向自由度。

采用MIDAS移动荷载追踪器，查询荷载组合作用下结构构件产生的组合应力。输出结果如表2所示，结构构件强度均满足规范要求。

表2 构件应力输出结果

PC工法桩中钢管桩最大支撑反力为230kN。根据JTS 167—4—2012 《港口工程桩基规范》中桩基承载力计算公式如式(1)所示，钢管桩满足承载力要求的计算长度为28m。

(1)

式中：Qd为单桩轴向承载力设计值(kN)；γR为单桩垂直承载力分项系数，取1.45；U为桩身截面周长(m)，φ630×14钢管桩周长为1.978 2m；qfi为单桩第i层土的极限桩侧摩阻力标准值(kPa)li为桩身穿过第i层土的长度(m)；qR为单桩极限桩端阻力标准值(kPa)；A为桩端截面积，A=0.054 8m2；η为承载力折减系数，取0.70。

4 施工顺序

围堰内支撑施工与抽水按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行[6]。具体步骤如下。

1)栈桥施工完成后，采用80t履带式起重机插打钢管桩及IV型拉森钢板桩形成围堰，组装桩基施工框架。

2)施工完成围护桩及第1道腰梁和支撑后，安装操作平台，施工工程桩。

3)拆除施工平台，降水挖土至第2层圈梁及内支撑底以下0.5m，拼装第2层圈梁及内支撑；降水挖土至第3层圈梁及内支撑底以下0.5m，拼装第3层圈梁及内支撑。

4)围堰内降水挖土至封底底标高，浇筑封底混凝土，封底混凝土达到强度后，拆除第3道圈梁及支撑。

5)施工承台，承台混凝土达到强度后，四周填砂密实，设置素混凝土换撑板带，拆除第2道圈梁及支撑。

6)施工桥墩。

7)拆除局部第1道支撑，桥墩继续向上施工。

8)施工墩身出水面，基坑内灌水，拆除剩余第1道支撑，拔除PC工法桩。

5 施工效果

典型位置深层土体位移随时间变化曲线如图7所示。由图7可知，因余姚江水位位于第2道支撑位置，所以第2道支撑以上土方开挖阶段土体位移变化较小；第2道支撑以下为18m深厚淤泥质土，由于软土层较厚，土方开挖阶段土体位移发展较快，最大值为39.5mm。理论计算值为44.1mm，考虑到设计计算中仅考虑钢管桩刚度，未考虑IV型拉森钢板桩和钢管桩的组合刚度，计算变形值略大于监测值，相对合理。施工平台沉降监测累积最大值为-6.1mm，监测数据持续稳定，充分说明结合PC工法桩施作施工平台，结构安全可靠。

图7 深层土体位移随时间变化曲线

工程桩及施工平台施工效果如图8,9所示。钢管桩与IV型拉森钢板桩连接紧密，无渗水现象，为基坑开挖和基础结构施工创造了良好的工作环境。

图8 工程桩施工效果

图9 施工平台施工效果

6 结语

采用PC工法桩进行水上深基坑支护设计，并结合PC工法桩施作施工平台，可解决水上深基坑工程的诸多难题，得出以下结论。

1)PC工法桩整体刚度大，可承受3～6m的水压力、涨潮、落潮及台风影响。在深厚软土层中变形控制效果较好，支护结构安全可靠。

2)钢管桩和IV型拉森钢板桩间采用小企口连接工艺，并用木屑填充钢管桩与IV型拉森钢板桩锁扣缝隙，涂抹黄油，止水效果好，坑壁无渗水。

3)结合PC工法桩施作施工平台，解决了水上桩基施工困难问题。

4)施工完成后可将PC工法桩进行回收，施工过程中无泥浆、无污染，绿色环保，避免对余姚江水质产生影响。