武漢新村大橋11號橋墩深基坑支護方案比選

0多級支護技術(shù)隨著地下空間的逐步開發(fā)，基礎(chǔ)設施規(guī)模逐漸增大，基礎(chǔ)設施形狀也越來越不規(guī)則。在緊張的周邊環(huán)境條件下，施工過程中既要保證基坑的安全，還要為土方開挖創(chuàng)造有利條件，傳統(tǒng)的圍護體系往往不能滿足工程所需，人們開始把目光轉(zhuǎn)移到多級支護體系中，這是近年來提出的一種新型支護形式。目前，多級支護技術(shù)已經(jīng)成功應用于全國20余項大面積深基坑工程。在實踐中，可以根據(jù)實際情況在各級支護中選擇單排樁、地連墻、雙排樁、放坡、重力式擋土墻、反壓土等多種型式進行合理靈活的組合本工程將多級支護體系的型式從深基坑支護中引入到橋墩基坑的圍堰工程中，針對水土空間分布不均條件，在武漢新河大橋橋墩深基坑工程中設計了“外圍雙排鋼板樁組成圍堰、中部高壓旋噴樁加固土體過渡、內(nèi)部鋼板樁結(jié)合三道鋼管支撐”的多級梯次聯(lián)合支護體系，以期為類似工程提供參考。1下部結(jié)構(gòu)橋墩武漢新河大橋段為武漢市漢口至陽邏江北快速路的重要組成部分，按雙向八車道設計，全長928m，拱肋高42m。主橋11號和12號下部結(jié)構(gòu)橋墩為主橋主拱座，拱座下設置承臺，左右承臺設置成啞鈴型，單個承臺平面尺寸為13.5m×18.5m×5m。左右拱肋承臺凈距為24.02m，單個承臺下設12根直徑2m的鉆孔灌注樁。橫向兩個承臺采用鋼筋混凝土系梁連接，其下設置6根直徑2m的鉆孔灌注樁。11號墩位于新河北岸，其結(jié)構(gòu)型式和位置如圖1所示。11號橋墩基坑呈長方形，寬約18m，長約66m，面積約為1188m1.1基坑設計方案基坑東北側(cè)為新河，新河岸邊為整平的填筑土，作為后期的施工平臺使用?；訓|南側(cè)為新河河岸，岸邊為整平的填筑土，作為后期的施工平臺使用?；游髂蟼?cè)為正在建設的新河大橋的引橋結(jié)構(gòu)，引橋結(jié)構(gòu)距離基坑最近約為39m?；游鞅眰?cè)為既有魚塘，魚塘右側(cè)為既有的魚塘堤壩。具體周邊環(huán)境如圖3所示。1.2粉質(zhì)黏土細砂深基坑場區(qū)從上至下主要分布有人工填土、全新統(tǒng)沖湖積物及上更新統(tǒng)沖積層。和工程相關(guān)的土層的具體埋藏條件和特征見表1。人工填土：雜填土，主要由砂、碎石、粉質(zhì)黏土及建筑、生活垃圾組成?；靥顣r間不等，結(jié)構(gòu)松散，強度低，無利用價值，厚度小；素填土，主要由粉質(zhì)黏土、粉土組成，少量黏土、碎礫石土，回填時間大于10年，黏性土可塑狀，局部見少量上更新統(tǒng)沖積層黏土填土，呈可塑至硬塑狀，粉土呈稍密狀為主。粉砂：松散—稍密，稍濕—濕，分布不連續(xù)，工程性質(zhì)一般，局部地震液化等級為中等。粉質(zhì)黏土：軟塑—可塑，夾薄層或條帶狀細砂、粉土，層位穩(wěn)定，分布連續(xù)，屬高壓縮性土層，為軟弱下臥層。粉細砂：松散—稍密，稍濕—濕，分布不連續(xù)，工程性質(zhì)一般，局部地震液化等級為中等。黏土：含鐵錳質(zhì)結(jié)核及灰白色網(wǎng)紋狀高嶺土，硬塑，分布連續(xù)，層厚穩(wěn)定，承載力較高，屬于中等壓縮性土層。1.3洪水期土體地下水勘察期間，鉆孔中地下水位與新河水位相差不大，枯水期賦存于砂層中的孔隙水一般不具承壓性，在洪水期堤防內(nèi)側(cè)地下水具有一定的承壓性，堤外岸坡部分地下水與長江水持平。2基坑支護方案設計結(jié)合工程特征、周圍環(huán)境條件以及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，本基坑工程具有如下特點：(1）屬于超深基坑工程，基坑開挖施工具有明顯的空間效應。(2）基坑周邊需進行橋墩結(jié)構(gòu)的吊裝，需要在基坑周邊設置一定寬度的施工平臺，基坑周邊施工超載非常大。(3）支護體系必須考慮新河汛期水位對基坑工程的影響。(4）基坑側(cè)壁不僅有易發(fā)生管涌滲透破壞的吹填砂土，還有承載力很低的軟土?；又ёo設計中緊扣上述主要特點，經(jīng)過多種設計方案的技術(shù)、經(jīng)濟、工期和土方平衡等方面的綜合對比分析，最終比較設計出了各方面優(yōu)勢均衡的多級梯次聯(lián)合支護體系的設計方案，該支護體系平面圖和典型剖面見圖4和圖5。多級支護體系結(jié)合基坑中間深周邊淺的特點，將基坑工程劃分為：（1）基坑外側(cè)擋水圍堰；（2）深基坑與圍堰間基坑坡頂施工道路，也稱過渡體系；（3）橋墩深基坑三個主要部分，對三個部分在豎向共采取了三級聯(lián)合支護體系。3多層防護體系的設計3.1樁擋水圍堰體設計西北側(cè)利用既有魚塘堤壩進行一側(cè)擋水，另外三面將引橋基礎(chǔ)開挖的大量土方作為圍堰體填料。為保證堆填土壩體的穩(wěn)定性和隔水性，又由于水域基坑圍堰是臨時水工建筑，使用期較短，為方便拆除，在壩體插入一定間距的雙排鋼板，雙排鋼板樁之間通過鋼筋橫拉連接，形成樁擋水圍堰體系，并在圍堰體迎水側(cè)邊坡鋪設防水土工膜圍堰體的高填方的穩(wěn)定性和隔水性由過渡體系來輔以控制。在堰體內(nèi)側(cè)設置采用土體放坡反壓來增強圍堰的抗隆起能力。3.2加固方案設計圍堰填方，為了保證其穩(wěn)定性和隔水性能，在圍堰體迎水側(cè)邊坡鋪設防水土工膜。同時堰體內(nèi)側(cè)設置加固的放坡反壓體，即過渡體系。對于最內(nèi)部的橋墩深基坑來說，過渡段為土壓力主動區(qū)，對于圍堰體系來說，過渡段為土壓力被動區(qū)，對圍堰體系的穩(wěn)定有利。為滿足后期橋基施工空間的要求，在擋水圍堰體系和橋基基坑支護體系間設置坑內(nèi)反壓土體，并采用ue788500mm、間距400mm的咬合高壓旋噴樁對高度漸變區(qū)進行加固，在臨近橋梁基坑區(qū)域采用ue788500mm、間距2m、長為10.0m梅花型布置的高壓旋噴樁加固土體，形成寬12m的施工平臺。樁頂設置300mm厚C30鋼筋混凝土壓頂板，壓頂板配筋采用ue78814@250mm的雙向配筋。由于反壓土采用高壓旋噴樁加固，圍堰體的被動區(qū)的抗力得到提高，從而對基坑周邊軟土的變形起到了很好的控制效果。3.3鋼管對撐與支護橋墩深基坑形狀為長方形，采用拉森-Ⅳ型鋼板樁進行支護，盡管內(nèi)坑基坑開挖深度約8.2m，但場地土質(zhì)較軟，為控制支護體系位移量并考慮到工期緊張，豎向布置三道鋼管對撐結(jié)合角撐。4協(xié)同計算模塊的計算分析對三級支護體系的穩(wěn)定性、整體位移，選取工程主要部分———橋墩深基坑為例。本基坑工程規(guī)模較小，具有空間效應，采用“理正深基坑”協(xié)同計算模塊進行計算分析基坑整個開挖過程的受力、變形性狀，其計算結(jié)果見圖6。正常工況狀態(tài)下鋼板樁圍護墻三維計算的最大變形為29mm。正常工況狀態(tài)下鋼板樁圍護墻三維計算的彎矩和剪力，分別為243.9kN·m和219kN。可以發(fā)現(xiàn)：由于空間效應的作用，三維計算的鋼板樁圍護墻的變形較小。由于空間效應的影響，支護構(gòu)件與土體之間的相互作用更加的明顯，進而圍護構(gòu)件更能發(fā)揮其抗力。5有限元模型及支護結(jié)構(gòu)體系PLAXIS巖土工程有限元分析軟件是用于解決巖土工程的通用有限元系列軟件。HardeningSoilModel(HS）模型為PLAXIS軟件內(nèi)嵌的一種土體本構(gòu)模型，該模型為等向硬化彈塑性模型，即適用于軟土也適用于較硬土層。基坑邊至模型邊界的距離取為5倍開挖深度，模型大小取為220m×55m，計算模型的上邊界為自由邊界，兩側(cè)邊界限制其法向位移，底部邊界全約束。其中，鋼板樁用板單元模擬，并采用線彈性模型，泊松比為0.2。土體采用精確度較高的15節(jié)點土體單元模擬，并通過使用Goodman接觸面單元考慮土體和地下結(jié)構(gòu)之間的相互作用。水平鋼支撐采用承受彎矩和軸力的梁單元模擬。樁間拉筋采用土工格柵模擬。所選計算斷面有限元模型見圖7。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算參數(shù)見表2?；娱_挖至基底時，土體臨空面及卸荷量達最大，此時支護結(jié)構(gòu)體系將承受由水土壓力和周邊附加荷載產(chǎn)生的最大側(cè)向荷載作用，支護結(jié)構(gòu)體系處于最大負荷狀態(tài)。選取基坑開挖第一層土施工鋼板樁和開挖至基坑底兩個不利工況進行分析。見圖8和9所示。基坑水平位移最大處發(fā)生開挖至基坑底時，在鋼板圍堰樁之間。垂直位移最大發(fā)生在基坑底鋼板樁側(cè)，兩種工況下基坑變形的模式由牽引向整體；同時，由于基坑開挖產(chǎn)生墻后土體變形影響范圍在3～4倍基坑深度區(qū)域。開挖后過渡體系被動區(qū)對基坑底部變形起到了很好的控制效果。鋼板支護樁最大位移是28.34mm，圍堰內(nèi)最大沉降量15mm，滿足基坑設計規(guī)范關(guān)于變形控制的要求。說明本工程的支護體系與圍堰體系間設置高壓旋噴樁加固和反壓土堤過渡體系，具有良好的控制基坑變形的能力。6施工階段監(jiān)測結(jié)果分析監(jiān)測的主要項目包括土體測斜、立柱樁的沉降或隆起、圍堰體系和支護結(jié)構(gòu)的水平位移以及支撐梁軸力。各個施工階段各部位的監(jiān)測結(jié)果見表3。在整個開挖過程中，支撐梁的最大軸力1878.5kN，在預警值3000kN之內(nèi)。選取橋墩基坑從開挖到挖至基底時間段內(nèi)鋼板樁的位移為代表，初期開挖時，支護鋼板樁的位移較小，隨著開挖施工的進行，變形逐漸增大，開挖至基底時位移達到最大，變形均在控制范圍內(nèi)。7支護體系穩(wěn)定性的確定針對新河大橋11號橋墩深基坑工程中水土分布不均勻的特點，采用了“雙排鋼板樁結(jié)合樁內(nèi)填土形成圍堰”、“高壓旋噴樁加固過渡區(qū)”和“鋼板樁結(jié)合三道鋼管對撐和角撐組成主橋橋墩支護結(jié)構(gòu)”相結(jié)合的多級梯次聯(lián)合支護體系，通過協(xié)同三維計算，確定了支護體系的穩(wěn)定性。借助利用有Plaxis2D限元模型，模擬了圍堰體系在不同工況下的