・３２・ 北 方 交 通 ２０１１ 海城河大桥水下承台钢管桩围堰施工设计 王立忠 （中铁十九局集团有限公司二公司，辽阳１１１０００） 摘要：以盘营高铁客运专线海城河大桥水下承台钢管桩围堰施工实例为背景，介绍了钢管桩围堰设计计算 的理论与方法，针对基坑开挖过程进行了钢管桩围堰结构验算，总结了钢管桩围堰施工设计经验。 关键词：水下承台；钢管桩围堰；最小入土深度；反弯点 中图分类号：Ｕ４４３．２５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—６０５２（２０１１）１０—００３２—０３ １ 工程概况 盘（锦）营（口）高铁客运专线海城河大桥主桥 ４７７＃～４７９＃墩承台台址处水深约３ｍ，施工期间水位 相对稳定，出于该台址附近河域后期新建港口码头、 河道通航需要，承台底部设计在水下埋深９．０６５～ ９．８４０ｍ处，承台高度３．５ｍ，河底土质基本为渗水性 粉细砂。 ２ 施工方案确定 盘营高铁客运专线本施工单位管区内与海城河 大桥水下承台施工的同类施工点有多处，其他施工 点各桥墩的承台底部设计标高在水下埋深较浅（均 在７．５ｍ以内），且河底地层土质多为分布比较均匀 图１ 钢管桩围堰施工方桑立面 ３ 围堰结构验算 ３．１ 计算资料 ３．１．１ 地质资料 墩位处筑岛面以下地质资料： （１）筑岛回填土：厚度３．６ｍ，内摩擦角（ｐ＝１４。， 容重 。＝１８．０ｋＮ／ｍ ，Ｋ ＝１．４，主动土压力系数Ｋ ＝ｔｇ （４５一‘Ｐ／２）＝０．６１，被动土压力系数Ｋ ＝ ｔｇ （４５＋‘Ｐ／２）＝１．６３８。 的渗水性粉细砂，基本采用吊装方便、插打快速、封 水性良好的拉森钢板桩围堰进行承台施工。 在施工过程中发现，随着承台底部在水下埋深 值的加大，虽然增加了围堰内支撑的数量，拉森钢板 桩围堰依然呈现出不同程度的局部变形，严重的甚 至由于承台开挖过程中流沙反涌、拉森钢板桩外侧 土体流失严重而发生板桩锁口局部撕裂现象。为保 证施工的科学合理与安全性，对于承台底部在水下 埋深较大的４７７＃～４７９＃墩承台由原拉森钢板桩围 （２）粉细砂：内摩擦角‘ｐ＝３２。，容重 ＝ １９．５ｋＮ／ｍ ，Ｋ２＝１．８，主动土压力系数Ｋａ２＝ｔｇ。（４５ 一（Ｐ／２）＝０．３０７，被动土压力系数Ｋ ２：ｔｇ （４５＋ 堰施工方案改为钢管桩围堰施工。水深约３ｍ范围 内采用回填高度３．６ｍ的渗水性填料筑岛，围堰平面 尺寸为２１．６×１７．６ｍ，围堰桩顶标高为＋０．２００ｍ，设 置四道内支撑，第一道内支撑标高为一０．３００ｍ，第 二道内支撑标高为一３．３００ｍ，第三道内支撑标高为 一ｑｏ／２）＝３．２５５。 ３．１．２ 结构参数 钢管桩采用ｑｂ６３０×１０×１８０００ｒａｍ型，１６Ｍｎ 钢，抗弯容许应力［盯 ］＝２５０ＭＰａ；弹性模量Ｅ＝ ２１０ＧＰａ。 ５．８００ｍ，第四道内支撑标高为一８．３００ｍ。封底混 ３．２ 结构验算 凝土厚度为２ｍ，基坑底标高为一１１．８４０ｍ（即封底 混凝土底面标高）。 计算过程中土压力的计算采用水土分算原则， 忽略粘聚力影响，同时，土层的物理力学特征值参考 第１０期 王立忠：海城河大桥水下承台钢管桩围堰施工设计 式中：ｈ一基坑开挖深度； ・３３・ 《公路桥涵地基与基础设计规范》（ＪＴＪ０２４—８５）。 ３．２．１反弯点位置计算 工况Ｉ：第１道内支撑安装完后，围堰内开挖至 标高一３．８００ｍ处（第２道内支撑下５０ｃｍ），准备安 装第２道内支撑时，此时第１道内支撑受力处于最 不利状态。 ｈｉ一第ｉ道内支撑段开挖深度，（ｉ＝１～４）； ｈ 一水面到基坑底深度。 外侧与内侧土压力强度值相等：Ｐ ＝Ｐ： 得：Ｙ ＝１．１４ｍ 利用钢管桩内外侧土压力等于零的点作为反弯 点位置，假定其离基坑底面的距离Ｙ，在ｙ处钢管桩 主动土压力强度等于被动土压力强度： ｌ３．２．２内力计算 以第１道内支撑及开挖第１段基坑底为支撑 点，由土力学及结构力学常规计算理论建立钢管桩 简支梁受力模型，容易求得第１道内支撑处反力Ｒ ＝１４８．９ｋＮ（字母下标第一个数字为工况号，第二个 数字为内支撑号）、钢管桩最大弯矩为Ｍ。 ＝ ８９．６ｋＮ・ｍ。 ＫＫ ｙ＝Ｐｂ＋ ｌＫ Ｙ 式中：Ｐ 一基坑底面处钢管桩墙后的主动土压 力强度值； Ｋ一被动土压力修正系数。 因筑岛顶放坡开挖至第１道内支撑处（标高一 ０．３００ｍ），此时钢管桩外侧主动土压力值Ｐ 为： Ｐ ＝＂／１ｈｌＫ ｌ＝１８．５ Ｘ（０．６＋０．３）ｘ ０．６１＝ １０．１６ｋＮ 采用相同的分析计算方法，逐一计算工况２到 工况４反弯点位置及钢管桩受力情况如表１（这里， 工况２指第２道内支撑安装完后，围堰内开挖至标 高一６．３００ｍ处，即第３道内支撑下５０ｃｍ处；工况 ３、工况４同理）： 表１ 各工况内支撑反力及钢管桩最大弯矩值 基坑底面处钢管桩外侧主动土压力值为： Ｐｂ＝一ｙｗ（ｈ—ｈ Ｊ）＋（ ｌ一 ）（ｈ—ｈ ）Ｋ １＋Ｐ ＝１０×（４．４—０．９）＋（１８—１０）×（４．４—０．９） ６２．２４ｋＮ ×０．６１＋１０．１６ ＝假定反弯点进入细砂层内ｙ 处，则钢管桩外侧 土压力强度值（筑岛顶面至反弯点）Ｐ 与钢管桩内 侧土压力强度值（基坑底面至反弯点）Ｐ 分别为： Ｐｌ＝ （ｈ ＋ｙ ）＋（＾ｙ１一一ｙ ）ｈ２Ｋ １＋（ ２～ ｗ） （ｈ ２＋ｙ ）Ｋａ２＋Ｐ ＝３．２．３钢管桩最小入土深度 围堰开挖过程中，桩所受的外力主要包括桩侧 背的土体侧压力及停置于围堰外侧进行施工作业的 挖掘机具引起的土体压力。近似地将外力分配到围 堰的内支撑上，因为围堰的内支撑是逐层设置的，设 １０×（３．８＋ｙ ）＋（１８一ｌ０）×２．９ Ｘ ０．６１＋ ６４．０６＋１２．９２ｙ （１９．５—１０）×（０．６＋Ｙ ）×０．３０７＋１０．１６ ＝置好的内支撑将平衡下一层土体开挖时引起的附加 侧压力，因此，确定桩的最小人土深度可通过对基坑 面以下ｔ／２点处取弯矩平衡的方法求得。 Ｐ２＝＇ＹｗＹ ＋（ ２— ）ｙ Ｋ２ＫＰ２＝６５．６６ｙ ——Ｒｌ— 口 ——Ｒ２— ≥ 一Ｒ３．＿÷、 ＼ 一＼ Ｘ Ｒ４ ／基坑 桩 ＼ 、 吭 图２ 计算桩的最小入土深度示意图 ・３４・ 北 方 交 通 ２０１ｌ 对基坑面以下ｔ／２点处取矩列平衡方程： ５ ３ ∑Ｒｉ・Ｌｉ＝∑Ｓｊ・Ｆｉ 由表１及力学理论计算经验可知，工况４为最 不利施工情况，取表１中各工况下最大弯矩中的最 大值ＭＡＸ［８９．６，１８２．６，２８５．２，４０９．７］＝４０９．７ ｋＮ・ｍ作为钢管桩抗弯强度验算指标，钢管桩的抗 弯强度叮为： 仃： 式中：Ｒｉ一各道内支撑反力，即反力Ｒ ～Ｒ 的 数值； Ｌ；一各道内支撑到基坑面以下ｔ／２点处的距 离； Ｗ ２２６４ ×ｌ黑：１０ …’８０． 一９６ＭＰａ＜［ 叮 ］：： Ｓｉ一桩侧背分布力面积所代表的各个合力，即 图中所示的两个梯形、一个矩形所代表的分布力的 合力； ２５０Ｍ。Ｐａ 验算结论：钢管桩围堰施工方案安全可行。 ３．２．５内支撑强度验算 Ｆｉ一桩侧背分布力的合力到基坑面以下ｔ／，２点 处的距离。 由此求得桩的最小人土深度理论值ｔ 为： ｔ１＝３．３７５ｍ 为防止钢管桩围堰在施工过程中整体与局部失 稳，在围堰内设置４道内支撑，内支撑结构参数为： 内支撑为４道２ Ｉ ４０ｂ型及３ Ｉ ５０ｂ型工字钢组合受 压构件，轴向容许应力［ ］＝１６０ＭＰａ，抗弯容许应 力［盯 ］＝１７０ＭＰａ，剪应力［，『］＝９５ＭＰａ。 由表１中各道内支撑处反力及材料抗压指标， 利用轴心或偏心受压构件基本计算公式，易得内支 撑满足受力要求。 ４ 结论 说明：这里所得的最小入土深度ｔ是充分考虑 了围堰开挖施工过程中挖掘机等机具设备作业荷载 以及逐层开挖、逐道设置内支撑的实际施工情况而 得到的相对准确值。由于在开挖过程中还有许多不 定因素的影响，比如，丰富的地下水容易导致流砂情 况发生而改变围堰开挖过程中的受力状态；桩在基 坑以下部分的真实嵌固点与假定的基坑面以下ｔ／２ 点处存在一定的小偏差；基坑内的水头与围堰外侧 水头差随开挖及特殊工序的回注水导致围堰内外侧 水头差的不定性影响等，所有这些对最小人土深度 盘营高铁客运专线海城河大桥主桥４７７＃一 ４７９＃墩承台钢管桩围堰开挖、支护施工过程中，围堰 结构稳定，构件无明显局部变形，进一步证明了上述 设计计算方案的合理性。 参考文献 ［１］盘（锦）营（口）高铁客运专线海城河大桥施工设计图［Ｒ］．天津： 值都是有影响的。因此，取安全系数Ｋ：１．５，修正 最小入土深度得到最终的人土深度值ｔ为： ｔ＝Ｋ・ｔ１＝１．５ ｘ３．３７５＝５．０６ｍ 中铁第四勘测设计院，２００９． ［２］赵志缙．简明深基坑工程设计施工手册［Ｍ］．北京：中国建筑工 业出版社，２０００．４． ｆ３１凌治平，易经武．基础工程［Ｍ１．北京：人民交通出版社，２００４．７． 承台钢管桩围堰高１８ｍ，实际人土深度为 ５．９６ｍ，满足要求。 ３．２．４钢管桩抗弯强度验算 Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ Ｐｉｌｅ Ｃｏｆｆｅｒｄａｍ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ Ｈａｉｃｈｅｎｇｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｃｏｆｆｅｒｄａｍ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ Ｈａｉｃｈｅｎｇｈｅ ｒｉｖｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ Ｐａｎｙｉｎｇ ｈｉｇｈ——ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｌｉｎｅ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｃｏｆｆｅｒｄａｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｃｏｆｆｅｒｄａｍ ｉｓ ａｆｆｏｒｄｅｄ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｃｏｆｆｅｒｄａｍ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ；Ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ ｃｏｆｆｅｒｄａｍ；Ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｄｅｐｔｈ ｉｎｔｏ ｓｏｉｌ； Ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ