珠三角滨海地区桥梁承台支护结构若干技术问题的分析与探讨

张 涛

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

珠江三角洲地区表面软土层深厚，一般为第四纪淤积土，其具有高含水率、高压缩性、低渗透性、低承载力等特点[1],是一种高灵敏性的土，当受到扰动时，其强度迅速降低。软土的力学特性造成了在深厚软土地基上进行基坑的设计和施工难度大、造价高、易发生工程事故。广州、深圳和珠海是珠江入海口的典型城市，其软土的特性具有代表性，表1是广州、深圳、珠海地区软土力学性质的指标统计。

表1 珠江三角洲典型区域软土力学性质的指标统计[2-4]

随着大湾区基础建设的规划，在珠江口需要修建大量的桥梁连接珠江口东岸与西岸。珠江三角洲滨海地区表层淤积层强度低、厚度大，在进行桥梁基坑支护设计和施工时所需考虑的因素较多，也较为复杂。在该地区的基坑支护中常常由于设计和施工不当、现场环境变化等因素造成支护结构变形过大、失稳，支护结构局部破坏等事故时有发生。

1 滨海地区地基上常见桥梁承台围堰支护形式

由于珠江三角洲滨海和浅海区域大量的桥梁承台基坑存在地表潜水或位于淤泥吹填区范围内，因施工条件和地质条件所限，放坡、土钉墙、水泥搅拌桩悬臂支护等支护形式往往难于实施且经济性较差。考虑到桥梁承台施工的安全、便捷和经济性，目前在国内外常选择以可进行垂直开挖土层的支护形式为主，主要有：钢板桩围堰、钢管桩围堰、双壁钢围堰和钢吊箱等支护形式(图1)。

由于软土层的特性，在深厚软土中采用拉锚式支撑较难得到足够的锚固力，以限制基坑支护的变形，因此多采用内撑式的支护形式。

图1 软土地基上桥梁施工常用的基坑支护形式

2 软土地基上桥梁承台基坑支护常见的破坏和失稳形式

位于滨海区的桥梁承台基坑往往受到潮汐的影响，水位随时间的变化较大。当采用钢板桩围堰和钢管桩围堰，由于勘察、设计、施工的误差，在基坑开挖和施工过程中，常存在围堰体沉降、变形过大侵入承台，钢板桩和钢管桩桩体或连接部位局部破损导致涌水、围堰整体或局部失稳等情况。软土地基上桥梁承台围堰失稳破坏的主要类型如图2所示。

图2 软土地基上桥梁承台围堰失稳破坏的主要类型

3 深厚软土地基上桥梁承台基坑支护插入深度的确定

3.1 基坑支护插入深度的确定方法[5]

对于悬臂支护和单一支撑的支护的插入深度常用等值梁法确定，对于多层支撑支护的插入深度常用等值梁法或盾恩近似法确定。以上方法均是采用力的极限平衡原理所推导出来的，未考虑支护结构的变形。

珠三角滨海区域表层淤积土通常为淤泥或淤泥质土，其饱和度接近100%，强度指标较差，具有触变性和高灵敏性。表层淤泥受到扰动后，强度急剧下降，淤泥的内摩擦角近似于零，作用于支护上的主动土压力与被动土压力均接近于淤泥土的竖向应力。对于表层淤泥土层深厚地质条件下的桥梁承台支护结构，基坑开挖后主动土压力大，被动土压力不足，支护结构内力和变形大，支护结构的设计需要考虑支护结构的强度、变形和稳定性，可采用平面地基梁法和空间地基梁法(即m法)对支护结构的稳定性和变形进行验算。

3.2 基底垫层施工方法对桥梁承台基坑支护埋入深度的影响

对处于滨海软土地基上的基坑，由于软土的蠕变性，当基坑开挖到位后，应及时进行垫层的施工。桥梁承台基坑常用的基底垫层施工方法有排水封底法和水下封底法。

排水封底法需要基坑开挖到坑底后排干基坑内的水进行封底混凝土的浇筑。对于多层内撑支护的结构，底层支护距离坑底的距离越小，对支护结构的变形和稳定性越有利。对用于桥梁承台施工的基坑，通常考虑到内撑的设置不干扰承台的施工，采用排水封底法，基坑开挖到坑底排干基坑内的水未进行混凝土的工况往往是控制支护结构埋深的工况。

水下封底法是水下开挖至基坑坑底后，采用水下浇筑混凝土垫层，混凝土垫层形成强度后再抽干坑内水分的施工方法。对于存在较深潜水的桥梁承台基坑，基坑开挖施工过程可通过围堰内外的水位差来保证围堰的稳定性。水下进行封底混凝土后，封底混凝土在坑底形成对支护结构的水平向支撑，可有效地限制支护桩体的位移。混凝土的自重及与支护桩体的粘结力限制了坑内土体的隆起。相较于排水封底法，通常水下封底法可用较浅的支护埋深满足桥梁承台基坑的使用要求。

4 珠三角地区含深厚软土桥梁承台基坑支护设计与施工需注意的问题

珠江三角洲地区含深厚软土区桥梁承台基坑支护设计和施工时，往往会忽视软土的特性以及浅海区环境的变化等一系列问题，易出现基坑失稳、变形过大等事故。

“老婆，咱们终于发达了！”他一边说，还一边打着嗝，隔老远都能闻到酒味，不一会儿酒味就充斥了整个屋子。看到他满脸潮红，我心里有说不出的滋味。

(1)注意土的力学参数的选择。在桥梁工程基坑支护结构设计过程中，设计人员往往选取勘察资料中对应承台桩位处土层的力学指标作为设计参数。在存在深厚软土的珠江三角洲地区进行桥梁基坑支护设计时，应注意勘察资料中取得力学参数的试验方法，需考虑施工扰动、水位变化等对软土层力学参数的影响。

(2)注意内支撑的设计。在深厚软土中，支护结构常常因基坑内土体的被动土压力不足而引起坑内土体隆起，踢脚内移，使得第一道内支撑处于受拉的状况。在基坑内支撑的设计中需考虑到这种状况，采用基坑尺寸较大或者温差较大时，内支撑结构需考虑温度应力的影响，并需加强节点强度。

(3)注意考虑支护沉降带来的风险。软土地基承载力低、压缩性大，对于钢板桩和钢管桩围堰，支护桩易产生不均匀沉降，对基坑的稳定性产生不利的影响。

(4)注意施工过程中临时荷载和环境变化对基坑安全性的影响。在浅海软土区进行基坑开挖施工，基坑周边情况的变化往往可能较大地影响到基坑的安全性。基坑在施工过程中周边情况的变化容易被忽略，在基坑开挖过程中，施工机械、临时道路、开挖土体的堆放等都直接关系到基坑的安全性，因此，在设计基坑支护结构时，应考虑基坑开挖各工况下周边情况对基坑安全的影响。

(5)注意施工过程的控制。应严格控制支护的施工质量，如进行钢板桩、钢管桩的插打时需保证钢板桩和钢管桩的质量，基坑开挖应严格按照设计的施工顺序进行开挖和降水，及时进行支护和封底的施工，必要时应考虑软土的蠕变效应等。

5 珠海市洪鹤大桥承台基坑支护设计及施工

5.1 工程概况

珠海市洪鹤大桥位于广东省珠海市珠江出海口西江流域，地貌单元属海陆交互相，地形平坦开阔，现状多为鱼塘、围堰区、海域及种植用地，地面高程介于-6.95～4.09m，各大水域水深0.40～9.10m。

洪鹤大桥由洪湾东引桥、洪湾水道主航道桥、磨刀门水道主航道桥、磨刀门水道辅航道桥、磨刀门非通航孔桥、鹤州南引桥等桥梁组成，其中洪湾水道主航道桥与磨刀门水道主航道桥为双塔双索面半悬浮式叠合梁斜拉桥，其跨径组合均为73m+162m+500m+162m+73m。磨刀门水道辅航道桥为连续刚构桥，磨刀门非通航孔桥为预应力悬拼节段连续梁，其他桥梁均为桥面连续预应力小箱梁。其中3#、4#、8#、9#墩为两座主桥索塔墩，3#墩位于吹填区，4#、8#墩位于浅水区，9#墩位于深水区。

5.2 场区地质状况及支护形式的选择

陆上承台及浅水区域由于基坑所需开挖深度不大，均采用钢板桩围堰作为支护。随着水深的不断增大，为满足承台围堰在最不利状况下的强度、刚度及稳定性要求，根据水深和现场实际情况，采用钢板桩围堰、锁扣钢管桩围堰和整体钢围堰。3#、4#、8#墩均采用钢板桩围堰，其中3#墩位于淤泥吹填区，8#墩位于浅水区，3#、8#墩均采用筑岛钢板桩围堰。9#墩水头差大，采用双壁钢围堰。对于辅航道桥等墩当水头大于9.5m时，考虑到水头高、地质条件差、钢板桩围堰施工风险大，采用锁口钢管桩围堰进行施工。钢管桩围堰的锁扣形式采用T-C型。

5.3 洪鹤大桥4#墩承台围堰的设计

洪鹤大桥的地理位置处于含深厚软土的珠江三角洲珠江入海口。为了介绍该地区桥梁基坑的设计与施工，本文选取采用拉森Ⅵ型钢板桩围堰的4#墩围堰为例。

洪鹤大桥4#号墩承台为洪湾水道主航道桥主塔承台，尺寸为42.1m×22.6m×6.5m。承台基础为24根φ2.8m钻孔灌注嵌岩桩，采用搭设水上钻孔桩平台、埋置钢护筒的方式进行桩基施工。承台分两次浇筑，第一次浇筑3.5m，第二次浇筑3m。4#墩承台底标高为-9.0m，根据勘探报告和区域水位历史资料，波浪水位以20年一遇考虑，设计施工水位为2.2m，施工考虑水深13.2m。

表2 4#墩承台处岩土参数

根据4#墩所处位置的地质状况，表层的淤泥层和淤泥质较厚，采用水下封底法可有效地减少钢板桩的插入深度。

(1)进行钢板桩插打前的施工准备并拆除承台围堰范围内的钻孔平台。

(2)对部分施工桩基的钢护筒进行接高，在接高护筒上焊接临时牛腿并安装吊挂系统。

(3)拼装内支撑，利用吊挂系统下放内支撑并利用内撑系统为导向插打钢板桩。

(4)对围堰内的淤泥进行吸泥或挖泥，达到指定标高后进行水下封底混凝土的浇注。

(5)当水下封底混凝土形成强度后，抽围堰内的水至内支撑可进行固定施工的标高处，进行内支撑的固定。

(6)抽干基坑内的水，进行承台施工。

为了使基坑在开挖和降水的过程中位移较小，布置内支撑时尽量使最下一道支撑靠近底部。考虑到施工的便捷性和经济性，避免在施工承台的过程中进行内支撑的拆除，将最下一道内支撑设置在承台顶面并预留必要的施工间隙。基于该承台围堰的使用要求，对围护顶的变形要求不高，则考虑只设置一道内支撑。钢板桩考虑插入淤泥质土层中，钢板桩长24m，围堰平面尺寸45.6m×25.2m。围堰顶标高为+3.22m，封底混凝土厚为2.8m，采用水下C30混凝土封底。基础施工设计水位为+2.220m。圈梁采用型钢3HN800×300，正交对接为等强坡口焊接；内支撑采用φ1000×12的钢管，采用螺栓与圈梁进行连接。

图3 钢板桩围堰平面

图4 钢板桩围堰立面

确定了钢板桩围堰的施工工序，按照4#墩施工过程的各工况，采用平面地基梁法进行钢板桩插入深度稳定性、变形及强度的验算。

表3 钢板桩验算工况

根据建筑基坑支护技术规程，围堰土压力采用土弹簧法模拟计算，内支撑采用只受压弹性连接模拟，取每延米建立有限元模型，其中工况三、工况四封底混凝土强度已达到设计强度，不需对钢板桩的插入深度进行验算。各工况验算结果见表4。

表4 围堰各工况下验算结果

6 结语

珠江三角洲地区存在深厚的淤积土，其具有高含水率、高压缩性、低渗透性、低承载力、高灵敏性等特点。本文对珠江三角洲地区含深厚软土桥梁承台围堰的设计和施工的若干技术问题进行了分析和讨论，以珠海市洪鹤大桥为例介绍了在珠江三角洲地区含深厚软土桥梁承台围堰设计施工中应注意的问题。

(1)在存在深厚软土的珠江三角洲地区进行围堰设计和施工时，应充分重视环境变化对软土力学参数的影响，对软土的强度参数进行折减。

(2)桥梁围堰设计应重视施工工序的设计，合理的施工工序可有效地降低施工成本。

(3)在深厚软土层上的桥梁基坑需考虑支护结构的变形时，可采用平面地基梁法和空间地基梁法(m法)。

(4)在深厚软土层上的桥梁基坑，当采用钢板桩围堰或钢管桩围堰且围堰桩体未插入坚硬土层的，需重视不均匀沉降对围堰稳定性的影响。