承台是桥梁工程的常见基础形式。随着我国高速公路与高速铁路的迅猛发展, 目前在国内大跨度桥梁基础工程施工领域中, 大体积、超深度是承台的发展方向。陆地施工中承台基坑以钢板桩围堰支护为主要方式, 可作为防水防土的屏障为承台施工提供有效作业面。当面临诸如开挖深度大、地质情况差等施工条件时可采用超长钢板桩, 目前超长钢板桩常用规格为15, 18, 21m, 在特殊的施工环境下已得到广泛应用。本文介绍超长钢板桩在低桩承台基坑中的支护设计与应用。

海华大桥工程是广佛同城建设项目的重点工程, 工程建设规模大, 技术难度高, 是实现顺德陈村与广州南站两地快速连接的重要交通运输通道, 对推进广佛同城建设具有重要意义。如图1所示, 海华大桥主桥桥型为预应力混凝土单塔双索面斜拉桥, 桥跨布置为 (56+94+180) m, 全长330m。利用主跨180m横跨陈村水道, 主塔塔高105.5m, 主梁梁宽38m, 全桥共104根平行钢丝斜拉索。结构体系为塔梁固结体系, 桥塔处固结, 辅助墩、过渡墩顶设纵向、双向活动支座。

如图2所示, 主桥主塔基础采用分离式承台, 每个承台下设12根ϕ2.8m 钻孔灌注桩, 桩型均为端承桩, 群桩按4排3列的矩阵布排, 桩间中对中间距为 5.6m。单个承台尺寸为 (21.6×16×5.5) m 的矩形体, 为低桩承台设计类型, 承台上设 2m 高的塔座, 底部为50cm厚C15素混凝土垫层, 单个承台C40混凝土方量约1 901m³。

10号主墩场地属珠江三角洲冲积平原地貌, 场地原为花卉苗圃地, 地形平坦且开阔。主墩处地面标高约+1.500～+2.300m, 河堤坡脚标高+2.700m, 河堤坡顶道路标高+5.900m。根据地质情况最不利的SZK38钻探孔揭示, 场区内钢板桩深度范围内土层描述如下:①₂ 杂填土 主要由混凝土、石块、粗砂等组成, 含少量黏粒及砂粒。②₂ 淤泥 灰黑色, 饱和, 软塑。②₄粉质黏土 褐黄色, 湿, 可塑, 土质土均匀, 切面不光滑, 土芯呈柱状。②₅ 淤泥、淤泥质土 灰黑色, 饱和, 软塑, 土质土均匀, 土芯呈柱状。②₆粉质黏土 褐黄色, 可塑～硬塑。地质情况分布如图3所示。

场区地处南亚热带海洋季风气候区, 雨量充沛, 地表水丰富, 水系较发育, 主要河流为陈村水道 (三级航道) 及与之相贯通的涌沟水, 为地下水渗入补给提供了充足条件。勘察期间测得地下水稳定水位埋深0.20～1.70m, 水位埋藏较浅。

主墩承台上塔座为埋地式设计, 导致基坑最大开挖深度达8.9m。桥址处临近陈村水道, 地表水系发达, 地下水丰富且补给条件充足, 坑内管涌风险高。根据主墩地质情况最不利的SZK38钻探孔揭示, 该处共有②₂淤泥与②₅淤泥、淤泥质土2层不利土质, 基坑支撑体系底部需穿透第2层②₅淤泥、淤泥质土进入②₆粉质黏土后, 方可保证支护体系的整体稳定性。②₅淤泥、淤泥质土为软塑状且黏性较差, 透水性较好, 易形成管涌通道, 进一步增大了基坑的管涌风险性。根据上述特点, 本工程主墩承台基坑施工拟采用止水钢板桩围堰支护体系, 钢板桩桩型比选如表1所示。

经分析比选, 采用18m长拉森六型SP-4W钢板桩。

基坑安全等级为二级, 设计使用时间为75d;水位: 陈村水道300 年一遇设计水位4.826m, 最高通航水位4.136m。顺德岸百年一遇设计水位2.156m, 番禺岸百年一遇设计水位2.586m;基坑平面尺寸24.6m×19m;腰梁采用双拼I45a, 工字钢两侧焊接20mm厚钢板加固;直撑与角撑均采用ϕ630×8钢管, 2层直撑间采用ϕ325×6钢管作为竖向连接;钢板桩:采用18m长拉森六型SP-4W钢板桩, 各项规格参数如表2所示。

海华大桥主墩承台围堰采用左右分幅对称设计, 基坑钢板桩围堰设计为矩形, 围堰尺寸按照承台尺寸外扩1.5m设置。桥址处原地面标高为+1.500～+2.300m, 钢板桩施打前先进行降土处理, 地面标高调整至+0.500m。钢板桩设计桩顶标高为+1.000m, 桩底标高为-17.000m, 桩尖进入封底混凝土以下不少于11m且穿透淤泥、淤泥质土不利土层。围堰共设置3层支撑, 第1道钢管支撑标高为+0.500m, 第2道钢管支撑标高为-2.615m, 第3道垫层混凝土支撑标高为-6.115m。每层钢管支撑设置2根直撑与8根角撑, 2层支撑间于直撑居中部位设置竖向连接, 以增加围堰的整体刚度与压杆稳定性。钢板桩围堰支护体系平面与断面如图4所示。

根据围堰布置形式建立理正3D计算模型, 基坑内侧最大弯矩392kN·m, 坑外侧最大弯矩122kN·m;直撑最大轴力1 237kN;斜撑最大轴力891kN, 围檩最大弯矩9.83kN·m。

σ_max=M/W_x=145MPa<[σ]=295MPa, 满足要求。

取最不利的ϕ630×8钢管直撑作验算, 最大轴力为1 237kN, 钢管A=156.33cm², 几何长度l=18.1m, 回转半径i_x=219.9mm, 长细比计算得λ=l/i_x=82.3, 查表得折减系数φ=0.635, 则:σ_max=R/φA=125N/mm²<[σ]=210N/mm², 强度与稳定性满足要求。

σ_max=M/W_x=3.4MPa<[σ]=215MPa, 满足要求。

综上所述, 钢板桩支护结构强度与稳定性满足受力要求。

海华大桥工程主墩承台基坑总开挖深度大, 受地下水影响管涌风险高, 面临超厚淤泥不利土层, 施工难度高且工期紧迫。在钢板桩桩型选择上, 通过比对分析15, 18, 21m 3种长度钢板桩的施工可行性与经济合理性, 确定18m钢板桩为最优方案, 该方案的实施效果如下。

本工程主墩承台基坑采用“超长钢板桩+双层钢支撑”的支护体系, 有效保证了深基坑施工所需的作业面, 满足了总开挖深度大的施工要求。支护体系钢支撑内力合理可控, 其良好的稳定性确保主桥顺利完成节点工期目标。

主墩承台基坑临近陈村水道顺德岸河堤, 钢板桩围堰角点距离河堤背水坡坡脚的最小距离不足8m, 属于典型的临近重要结构物施工。该方案支护体系牢固可靠, 且实施过程中制定了详细的河堤位移沉降观测制度, 有效地保证了临近既有结构物的安全稳固。

方案编制阶段综合考虑结构体系、施工可行性及经济合理性, 确定18m钢板桩为最优方案。该桩长既满足了最不利地质的入土深度要求, 也提高了钢板桩施打的施工工效, 减少了非正常所需的成本投入与施工难度, 达到了“技术合理、经济可行”的目的。

本工程桥址处地表水发达, 地下水系丰富, 对围堰的止水效果提出了严格要求。基坑开挖前为防止出现带水开挖的情况, 通过设置降水井与观测井对围堰内地下水进行监控, 于降水井井内抽水使水位降低, 48h后观测水位未发现明显变化。后续开挖过程未出现带水开挖工况, 承台施工过程中基坑无渗漏水情况发生。

桥址处临近陈村水道, 基坑开挖后底标高已低于河道的常水位标高, 面临较大的管涌风险。施工中桩尖穿透黏性差且透水性强的淤泥层, 进入硬塑状的粉质黏土层, 有效防止了管涌通道的形成。同时基坑开挖至设计底标高后及时浇筑封底混凝土, 通过上述两步措施消除了坑内管涌风险, 达到了良好的施工效果。

随着现代桥梁施工技术的不断发展, 超长钢板桩已得到广阔的施展空间。以海华大桥主墩承台深基坑施工作为依托, 提出超长钢板桩支护体系的几点技术与建议。

目前, 拉森六型SP-4W钢板桩的常用规格为15, 18, 21m。桩长最长可达24m, 但已属于非常规型号, 在基础工程领域市场上租赁困难且价格高昂。此外, 随着钢板桩桩长的增加, 对施打设备的要求则更高。目前针对超长钢板桩的插打与拔除, 普遍采用大功率挖掘机底座辅以长臂进行改装, 于长臂前端安装液压振动锤夹头组成施打设备, 该种设备同样存在租赁困难的情况。

超长钢板桩的桩长选择与入土深度要求, 须根据设计资料、地质情况、开挖深度及施工难度综合考虑。随着钢板桩入土深度的增加, 土层对桩体的侧摩阻力也在不断加大。尤其针对珠三角地区的可塑或硬塑的粉质黏土, 饱水状态下其桩周摩阻力特征值可达35kPa。海华大桥主墩承台处地质情况复杂多变, 存在不连续的大范围淤泥层, 因此围堰设计中以最不利地质状况为条件。设计桩顶标高为+1.000m, 部分钢板桩施打至标高约+2.200m时已存在无法下沉的情况, 此时可根据施打设备连续高频振动下压3min内, 桩顶标高下沉不超过1cm作为终孔标准, 进一步判断桩尖已穿透淤泥层并进入粉质黏土层。由于前期施工经验不足, 继续对无法下沉的钢板桩进行强行施打, 造成设备油管多次爆裂。后期改进工艺后达到了较好的施工效果, 同时也验证了选用18m长钢板桩的施工可行性与经济合理性。因此, 根据各项条件合理选择桩长是超长钢板桩应用的关键环节。

临近河堤施工是一般跨度桥梁的常见问题。由于临近河道, 地表水系发达且地下水丰富, 须预防基坑开挖过程中可能发生的带水开挖、坑内管涌情况。针对上述问题, 基坑土方开挖前可于坑内设置一处降水井与一处观测井, 降水井用于抽取地下水, 观测井用于观测水位变化。降水井抽水后可通过观测井观测水位标高是否下降, 由此判断围堰支护的止水效果。基坑开挖至设计基底标高后, 须立即浇筑水下封底混凝土。对于管涌风险较高的桥址位, 同时存在淤泥等不良地质时, 桩尖需穿透透水性较好的淤泥层且封底混凝土厚度不宜小于50cm。此时垫层混凝土可视为围堰的最后1道刚性支撑, 增加了支护体系的整体稳定性。