悬臂式灌注桩与矮钢板桩组合式深基坑防护

李鹏飞

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）



悬臂式灌注桩与矮钢板桩组合式深基坑防护

李鹏飞

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）

摘要：为确保大广（大庆—广州）高速公路的行车安全，新建石济客运专线衡景特大桥114#、115#墩承台基坑采用高桩防护加低钢板桩防渗的组合方法，靠近大广高速公路及乡村公路侧分别布置23、40根ϕ1.25 m钻孔灌注桩，中心间距1.5 m，内侧插打拉森Ⅳ型钢板桩防止漏水。文中介绍了该防护方案的设计、验算及施工技术，根据观测结果分析了其处理效果。

关键词：桥梁；悬臂式灌注桩；钢板桩；深基坑

1　工程概况

新建石济客运专线衡景特大桥于114#、115#墩处与大广（大庆—广州）高速公路斜交，斜交角度36°34′，采用（72+128+72）m连续梁跨越，桥梁下部结构为双线圆端形实体墩、钻孔桩承台基础。

根据现场调查，大广高速公路路幅宽42 m，路基填筑高度1.4 m左右，路基边坡坡度1∶1，地下水位较浅且水源丰富。衡景特大桥114#、115#墩承台基坑开挖深度分别为6.833和6.961 m，距路肩线最近间距、坡脚距离分别为4.29、2.89、3.98、2.58 m。115#墩大里程侧有一乡村公路。基坑开挖深且场地狭小，是一典型的深基坑防护问题。

2　防护方案设计

2.1工程方案比选

（1）钢板桩方案。优点：施工简单，工期缩短，环保且施工速度快，施工费用低，具有很好的防水功能；能降低对空间的要求；可大量减少开挖土量和砼使用量，有效保护土地资源。缺点：基坑较深时，内支撑较大，占用基坑的有效空间，减小了基坑的工作面；钢板桩需拆除且拆除过程中基坑变形较大，临近重要构筑物时防护受限制。

（2）放坡开挖+防护桩方案。临近重要构造物处采用防护桩，其他方向放坡开挖。优点：使用安全，可操作性强。缺点：空间要求较大，开挖土方及防护桩工程量较大，地下水位较高时需采取其他防排水措施。

（3）悬臂式灌注桩与矮钢板桩组合方案。优点：能充分发挥灌注桩和钢板桩的各自优势；灌注桩刚度大，可防护重要构造物，最大限度地减小影响；钢板桩具有很好的防水功能，且施工简单，工期缩短，环保，施工速度快，施工费用低。缺点：工序较多，较为复杂；部分防护重叠，存在一定的浪费。

（4）推荐方案。综合以上施工方法的优缺点，从安全、进度、造价、环保等方面考虑，推荐采用悬臂式灌注桩与矮钢板桩组合方案。

2.2方案布署

为确保大广高速公路的行车安全，114#、115#墩承台基坑采用高桩防护加低钢板桩防渗的组合方法。靠近大广高速公路及乡村公路侧分别布置23、40根ϕ1.25 m钻孔灌注桩，中心间距1.5 m，内侧插打拉森Ⅳ型钢板桩防止漏水。插打钢板桩时，先进行适当减荷，开挖成台阶状，台阶开挖深度不宜过大，以不超过2 m为宜。防护桩侧低打，超过地下水位1～2 m即可。钻孔防护桩、钢板桩防护立面如图1、图2所示。

图1　114#、115#墩防护桩平面布置示意图

2.3钻孔桩验算

下面以115#墩为例进行防护桩验算。防护桩按直径1.25 m设置，桩间距1.5 m；砼强度C25，钢筋采用HRB400，保护层厚度为70 mm；土力学参数如下：摩擦角φ=30°，饱和重度γ=18 k N/m3；按桩身最大外露7 m计算（如图3所示）。主要计算结果如表1所示。

图2　钻孔防护桩、钢板桩防护立面示意图（单位：mm）

图3　钻孔桩计算简图

表1　钻孔桩主要计算结果

为节省钢筋，钢筋笼按照等效矩形截面配置钢筋：主筋23根，直径22 mm；受力面18根；其他三面5根（如图4所示）。

2.4钢板桩验算

验算参数：渗水土，φ=30°，γ=18 k N/m3，主动土压力系数Ka=0.33，被动土压力系数Kp=3.00；车辆荷载按公路-Ⅱ车道荷载计算，车辆荷载标准值为550 k N，采用拉森Ⅳ型钢板桩。钢板桩受力结构及受力如图5所示，主要验算结果如表2所示。

图4　桩基钢筋笼配置示意图

图5　悬臂式钢板桩计算简图

表2　悬臂式钢板桩主要验算结果

3　防护方案实施

3.1防护桩施工

为减少对高速交通的影响，采用反循环钻机+跳挖法施工。

（1）防护桩施工准备。清理、平整场地，测量放桩，埋设护筒，制备泥浆。钻机工班人员配置同一般钻孔灌注桩，每工班3～4人，钻孔司机1人，指挥记录1人，安全1人。

（2）成孔及检查。对钻孔统一编号，以防漏钻。根据护筒标高、桩顶设计标高及桩长，计算桩底标高，以便钻孔时加以控制。旋挖钻机就位后，利用自动控制系统调整其垂直度。钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度，由硬地层钻到软地层时适当加快钻进速度，由软地层变为硬地层时减速慢进；在易缩径的地层中适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进，提高钻进效率；砂层则采用慢转速钻进，并适当增加泥浆比重和粘度。钻孔过程中及成孔后实时用百米钢丝测绳测量深度，并观测自动深度记录仪，作好记录。终孔和清孔后，对成孔的深度、孔径、垂直度进行检查，保证符合规范要求。

（3）钢筋笼加工及运输吊装。为节省钢筋，钢筋笼钢筋按照等效矩形截面配置钢筋。为防止钢筋笼在运输和吊装过程中发生变形而影响工程质量，采用四点吊装法，在加强箍筋内加临时十字撑。钢筋笼吊装严格按照设计方向即受力钢筋坑壁一侧安装（如图6所示）。

图6　钢筋笼安装方向示意图

（4）灌注水下砼。砼采用导管法灌注，导管内径ϕ250 mm。接头采用丝扣长勾联结，拆装方便。导管应事先组拼、试验，并经仔细检查合格后方可插入孔中，做好防护，任何情况下不得掉落物体到管内，防止堵塞导管影响砼灌注。导管安装就绪并检查合格后进行二次清孔。清孔完毕，检查孔底沉渣厚度及孔内泥浆指标达到规范及设计要求并经工程师签字后，装上料斗，灌注砼。首批封底砼采用大容量料斗灌注，砼初存量满足首批砼入孔后，导管埋入砼的深度不小于1 m、不大于3 m。封底成功后改用输送泵进行连续灌注。砼浇筑过程中，测量孔内砼顶面位置，一般宜保持导管埋深在2～6 m，最小埋深不得小于1.0 m，浇筑速度较快时可适当加大埋深，但不宜超过8 m。浇筑中途不得间断，应一气呵成。灌注快完成时，控制好砼顶面标高，超灌高度控制在0.5～1 m。

3.2钢板桩施工

钻孔桩施工完一周后进行基坑开挖，按钢板桩设计高程分层开挖，以比设计高程低40～50 cm为宜，然后插打钢板桩。

（1）钢板桩的检验与矫正。对钢板桩外观表面缺陷、长度、宽度、厚度、高度、端头矩形比、平直度和锁口形状等进行检验，割除桩上影响打设的焊接件（有割孔、断面缺损的应补强）。若有严重锈蚀，量测断面实际厚度，予以折减。根据材料到场情况，对表面缺陷、端部矩形比、桩体挠曲、桩体扭曲、桩体截面局部变形、锁口变形等进行矫正。

（2）导架安装。导架由导梁和围檩桩等组成，该工程采用单层双面导架，围檩桩间距2.5～3.5 m，双面围檩之间间距比板桩墙厚度大8～15 mm。导架位置不能与钢板桩相碰。围檩桩不能随钢板桩打设而下沉或变形。导梁的高度适宜，要有利于控制钢板桩的施工高度和提高工效，用经纬仪和水平仪控制导梁位置和高度。

（3）钢板桩打设。采用1台20 t吊车加挂振动锤打设钢板桩。在桩锤和钢板桩之间设桩帽，以使冲击均匀分布，保证桩顶免遭损坏。为保证钢板桩打设精度，采用屏风式打入法。先用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩，插桩时锁口要对准，每插入一块即套上桩帽轻轻锤击。在打桩过程中，为保证垂直度，用2台经纬仪在两个方向加以控制。为防止锁口中心平面位移，在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移。同时在围檩上预先算出每块板块的位置，以便随时检查校正。打桩时，要确保第一、二块钢板打入位置和方向的精度，每打入1 m测量一次。

4　基坑变形观测

4.1监测方案

4.1.1基坑水平位移监测

（1）布点方案。在现场布设3个平面基准点，分别布设在基坑变形影响区以外、不受施工破坏的稳固地方，并便于联测。监测基准点布置在牢靠、通视条件好、比较隐蔽、人员和车辆不会经过的地方，以利于保护基准点。基坑土方开挖施工前，对所有基准点监测2次，以保证观测的正确性。根据相关规范和工程实际情况，在基坑边上布设14个变形监测点，布置位置如图7所示。

（2）仪器选择及观测方法。主要采用极坐标法进行水平位移观测，即在工作基点上安置全站仪，用四测回测定观测点的水平角度及水平距离计算观测点的坐标值，与上期观测值进行比较得出本次观测水平位移量，与其初始值比较计算出累计水平位移量。采用平行于基坑边的坐标系统。水平位移采用GTS-751全站仪检测，其望远镜放大倍数为30倍，测试距离（三棱镜）为4 km，测距精度为±（2 mm+2 ppm×D），D为测量距离（km），测角精度为1″。监测过程中，为保证数据的准确性，保持仪器固定、人员固定、监测方法和监测路线固定。

（3）监测周期。按照相关规范的要求，土方开挖深度5.0～10.0 m期间，观测频率为1次/d，若遇阴雨天气或出现异常情况，则增加观测次数。

（4）监测警戒值。根据GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》，该工程基坑为一级基坑，基坑水平位移累计报警值为30 mm，变化数率报警值为2～3 mm/d。

图7　基坑位移及沉降观测点平面布置

4.1.2基坑及大广高速公路沉降观测

（1）布点方案。以基坑水平位移监测点作为基坑及高速公路沉降监测点。

（2）仪器选择及观测方法。沉降观测使用天宝DINI03电子水准仪及铟钢水准标尺，放大倍率为32倍，1 km往返测中差0.3 mm，测距范围1.5～100 m。每次观测都采取单路往返闭合法，从基准点起测，依次测出每个监测点的高程，并与上次观测高程及初始高程进行比较。

（3）监测周期。开挖过程中及下部结构施工过程中，监测频率为1次/d，对现场沉降及位移情况有疑问时适当加测。直至基坑回填完成，沉降达到稳定（沉降量不大于0.2 mm/d）时停止监测。

4.2观测成果

通过连续观测，将数据收集整理后绘制位移-时间曲线和沉降速率-时间-沉降量曲线。根据检测结果，点1、点2、点3的沉降及位移变化极小，总体而言，开始开挖时位移和沉降量较大，随着时间的延续，位移和沉降量越来越小，且趋于稳定。到承台施工完成回填后，未发生明显沉降及位移变化，支护效果良好。

5　结语

该工程采用高桩防护加低钢板桩防渗的组合方法进行基坑防护，位移与沉降观测结果表明基坑位移与沉降及整体变形小，取得了良好支护效果。该防护方法具有以下优点：

（1）对紧邻道路及其他构筑物的影响小，同时防护桩刚性支护受力简单明确，易于设计，且实际使用安全可靠，对于安全要求等级较高的基坑防护有较高的应用价值，是值得普遍应用的支护方法。

（2）缩短了工期。灌注桩完成后，即可进行钢板桩侧土方卸载、插打钢板桩、土方开挖等施工，边坡支护与土方开挖几乎同步进行，各工序可实现最大限度的搭接，工期明显缩短。

（3）减少了挖填土方量。由于施工时只在钢板桩支护侧顶部进行部分台阶式开挖，降低了钢板桩支护长度及所受荷载，减少了土方开挖量。

（4）节约钢筋用量。采用矩形等效截面验算配筋与弯矩图圆截面配筋复核的方法计算配筋，虽然计算略显复杂，但极大地节约了钢筋用量，对于大型工程，是值得提倡的一种方法。

（5）解决了场地狭小给施工带来的不利影响，并保证了相邻构筑物、建筑物及地下管线的安全。

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中图分类号：U445.55

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0211-04

收稿日期：2016-01-04