深水基坑围堰设计

1、望虞河深水基坑围堰设计中交京沪高铁项目三工区王付方摘要：工程中一般将水深在56m以上，不能采用普通的土围堰、木桩围堰、钢板桩围堰等 防水技术施工的桥梁基础称为桥梁深水基础。跨望虞河连续梁水中墩基坑深达13.6m， 施工围堰必须精心设计，确保施工安全可靠、经济合理、操作方便。本文主要主要阐 述了该处深水基坑的设计过程。关键词：深水基坑、围堰设计1、工程概况1.1桥梁特征京沪高速铁路在DK1217+268处跨越望虞河，跨越处河宽125m。跨望虞河梁跨布置为 48+80X2+48米预应力混凝土连续箱梁，其中靠上海侧80米主跨跨河，有2个墩位于水中， 墩位处水深约7米。所跨河流望虞河为五级航道，且航运

2、较繁忙，桥梁水中墩施工干扰大， 被铁道部列为重点工程。跨望虞河连续梁立面图位于河中的苏州西桥段35#、36#墩，墩身为圆端型实体墩，墩高13.5米；承台横桥向 宽18.2m，顺桥向宽10.4m，高4m，承台底位于水面下12.5m，位于河床下4.5m ；每个墩15 根 1.5m钻孔桩基础，桩长83.5m。1.2河流地貌及水文特征望虞河线路经过处为苏州和无锡的界河，连接太湖和漕湖，下游直通长江，是太湖流域 重要的防洪河道，且为五级通航河道，通航净高为5.5m，净宽为50m。桥位处河流水面宽度 125.3米，主河槽最大水深9.38米，线路法线与水流夹角为5。因此段已处于长江下游地 区，地面高程仅23

3、米，水流落差小，流速低（桥址处水文资料Q1%=575m3/s，H1%=2.82m， V1%=0.70m/s）。经调查，桥位处枯水季节水位标高为0.653米，最高通航水位标高为2.623米，变化幅度较小。下图为京沪高速铁路跨望虞河河貌:京沪高速铁路跨望虞河河貌照片1.3工程地质特征本段地处长江三角洲平原区，均为第四系地层覆盖，系江河、湖泊、海相沉积形成，为 黏土、粉质黏土夹粉细砂层，广泛分布淤泥质土，桩基础由上至下依次穿过淤泥质黏土 （1.7m）、淤泥质粉砂（1.9m）、粉细砂（7.2m）、淤泥质粘土（10.8m）、其下为淤泥质粉砂 和粘土互层。2、承台基坑围堰设计2.1方案比选备选方案主要有三

4、种，筑岛围堰方案；钢套箱方案；钢管桩（用钢管和型钢焊接加工而 成，详情见下图）围堰方案。筑岛方案费用较低，但由于望虞河为太湖的一个主要泄洪通道，防洪评价中要求避开汛 期施工水下基础，筑岛围堰方案占用河道面积较大，在和太湖局协商后无法实施。钢套箱方案钢材投入多、回收率低，下沉时设备及人员投入多，工序复杂；钢管桩围堰方案能够迅速展开施工，速度快，周期短，且支护材料可回收利用，经济性 较钢套箱方案好，只是必须加强止水和支撑措施，所以选用钢管桩围堰方案。经过比选，本段桥梁水中墩施工采用钢管桩围堰施工方案。2.2围堰结构设计主墩深水基础采用钢管桩围堰进行支护施工，钢管桩采用直径529毫米螺旋管和型钢焊

5、接而成，长22m，围堰尺寸为13.8mX21.2m，比承台周边尺寸大1.7m。桩间周圈咬合紧密， 有止水措施。围堰内侧四周圈采用H型钢分四层以围檩形式支护，围檩采用双列I50a型钢， 中间纵向支承采用外径529mm壁厚8mm圆钢管，按一定间距布置，四角采用2HZ450斜撑。 基底采用C20混凝土封底，封底厚度100cm。围堰结构见下图：13割铜管桩囹堰平面图7373钢管桩围、本图尺寸贝13割铜管桩囹堰平面图7373钢管桩围、本图尺寸贝!计,跨望虞河连续梁水中墩围堰结构设计图2.3围堰结构检算 2.3.1钢管桩结构计算采用理正深基坑软件计算: 支护方案排桩支护基本信息内力计算方法增量法规范与规程

6、建筑基坑支护技术规程JGJ 120-99基坑等级一级基坑侧壁重要性系数Y 01.00基坑深度H(m)13.760嵌固深度(m)5.730桩顶标高(m)0.000桩直径(m)0.530桩间距(m)0.730混凝土强度等级C25有无冠梁无放坡级数0超载个数0土层信息土层数4坑内加固土否内侧降水最终深度(m)13.760外侧水位深度(m)0.000内侧水位是否随开挖过程变化是内侧水位距开挖面距离(m)0.000弹性法计算方法m法土层参数层号土类名称层厚(m)重度 (kN/m3)浮重度 (kN/m3)粘聚力 (kPa)内摩擦角 (度)1水6.1810.00.00.000.012粘性土1.9018.08

7、.040.0012.003粉砂9.3518.08.00.0130.004粘性土4.7018.08.0层号与锚固体摩 擦阻力(kPa)粘聚力 水下(kPa)内摩擦角 水下(度)水土计算m值 (MN/m4)抗剪强度 (kPa)10.10.000.00分算18.48240.040.0012.00分算18.48340.00.0130.00合算7.50450.020.003.00分算10.00支锚信息支锚信息支锚道数4支锚道数4支锚道号支锚类型水平间距 (m)竖向间距 (m)入射角( )总长 (m)锚固段 长度(m)1内撑5.4600.5002内撑5.4602.5003内撑5.4602.5004内撑5.

8、4602.500支锚道号预加力 (kN)支锚刚度 (MN/m)锚固体 直径(皿)工况 号锚固力 调整系数材料抗力 (kN)材料抗力 调整系数10.0011.7121767.701.0020.0011.7141767.701.0030.0011.7161767.701.0040.0011.7181767.701.00土压力模型及系数调整弹性法土压力模型:经典法土压力模型:弹性法土压力模型:经典法土压力模型:q。“规程”“规程”km忧 I蛆形分布层号土类名称水土水压力 调整系数主动土压力 调整系数被动土压力 调整系数被动土压力 最大值(kPa)1水分算1.0001.0001.00010000.00

9、02粘性土分算1.0001.0001.00010000.0003粉砂合算1.0001.0001.00010000.0004粘性土分算1.0001.0001.00010000.000设计结果结构计算376n 包络图(-63.0E)W.06)(D.OD)(0.00)(-cM4.bDy-C341.hl：C-25.3D-(W9.37)整体稳定验算计算方法：瑞典条分法应力状态：总应力法条分法中的土条宽度：0.40m滑裂面数据整体稳定安全系数Ks = 0.735 圆弧半径(m) R = 13.207圆心坐标X(m) X = -1.113圆心坐标Y(m) Y = 4.735抗倾覆稳定性验算抗倾覆安全系数：M

10、p被动土压力及支点力对桩底的弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力P决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。M主动土压力对桩底的弯矩;序号支锚类型材料抗力(kN/m)锚固力(kN/m)1内撑323.755-2内撑323.755-3内撑323.755-4内撑323.755-1366.070 + 19736.079K =s 6770.524Ks = 3.116 = 1.200,满足规范要求。祁：r抗隆起验算祁：rPrandtl(普朗德尔)公式( = 1.11.2)，注:安全系数取自建筑基坑工程技术规范YB 9258-97(冶金部):KsDNq+eNc(H + D )+ q(

11、.(45。Nc=(Nq 1(.(45 +NcKs)12+ 2tan eH )tan安全系数取自建筑基坑工程技术规范e 3.142tan 3.0001.309=(1.309 - 1tan 3.00018.000 x 5.730 x 1.309 + 20.000 x 5.90015.463 x( 13.760 + 5.730 )+ 0.000K = 0.839 = 1.151.25),注:YB 9258-97(冶金部):EKsDL + KsD )+ q)tan)tanNe=(Nq-tan(P=1.347KsL 2 一 逆 L 3“ e 4/2、3.000 )cos 45 +2=(1.347 - 1

12、 )1= 6.624tan 3.00018.000 x 5.730 x 1.347 + 20.000 x 6.62415.463 x( 13.760 + 5.730 )+ 0.000Ks = 0.900 P.围堰封底混凝土厚度满足要求。、封底混凝土抗弯、抗剪检算(所有钢护筒位置均假定为约束)、抗弯计算钢护筒中心距(既单位混凝土跨度l=3.9m)混凝土受水头浮力及自重产生的弯矩为：M=1/8ql2=1/8X (120-19.2) X3.92=191.6(KN m)单位宽度混凝土截面抗弯模量：W=1/6bh2=1/6 X 1X 12=0.167(m3)混凝土截面抗弯拉应力为：a =M/W=191.

13、6：0.167=1.15(MPa) Q混凝土抗剪能力满足安全要求。2.3.3围堰支撑体系检算(1)、围堰钢管桩检算钢管桩强度检算：钢管桩外径？ 529mm，惯性矩I=n /64 (D4-d4) =3.14159：64X (0.5294-0.5134) =4.4439X 10-4 (m4)截面抵抗矩 W=n (D4-d4)/ (32D)=3.14159X (0.5294-0.5134)-4- (32X0.529) =1.68X10-3 (m3)根据软件计算结果,钢管最大弯矩Mmax=215.89KN.m 钢管桩最大拉应力。=M/W=215.89KN.m/1680cnP =128.5MPaa a

14、=205MPa.钢管桩强度满足要求。、钢围囹受力检算从围堰受力分析过程中的出，所有钢围囹中， 位于承台顶面的一道受力最大，其受力简图见右: 围囹采用双列I50a工字钢，加设内撑钢管，间距 5.46m。I50a工字钢惯性矩I=46500cm4，截 面系数W=1860cm3,弹性模量E=210GPa，钢材抗 弯许用正应力a =205MPa。M =ql2/8max=193.29KN/mX5.462m2/8=720.29KN.m、强度检算单根围囹最大拉应力a =1/2M/W=1/2X720.29KN.m41860cm3=193.6MPaa a =205MPa.围囹工字钢强度满足要求。扰度计算f= 5q

15、l4/(384EI)=5X 193.29KN/mX5.464m4/(384X210GPaX46500cm4)=0.023m工字钢围囹挠度值满足施工要求。、内撑受力检算内撑钢管桩外径？ 529mm，壁厚8mm，惯性矩 I=n (D4-d4)/64=3.14159464X (0.5294-0.5134)=4.4439X10-4(m4)截面抵抗矩 W=n (D4-d4)/ (32D)=3.14159X (0.5294-0.5134) 4 (32X0.529)=1.68 X10-3 (m3)直撑该内撑受轴心压力，轴心压力容许值为：F =9 s=135MPaX(n X0.26452-K X0. 2 5

16、652) =1767.7(KN)其实际最大轴力为527.67KNV F,强度满足要求。压杆稳定性计算：压杆失稳临界力Fc=n 2EI/(p l) 2=3.141592X2.1X 1011X4.4439X 10-4： (0.7*12.67)2=11709(KN)实际轴压力为527.67KNFc,故支撑杆稳定。、斜撑cm2=2025.4(KN)斜撑为双列HZ450型钢，惯性 矩 I=33741cm4,截面系数 W=1499cm3, 弹性模量E=210GPa，钢材抗弯许用 正应力9 =205MPa。截面积为 98.8 cm2，斜撑受力图见右图cm2=2025.4(KN)该斜撑受轴心压力，轴力 N=Rx/sin45=527.67/sin45 =746.24(KN)单根斜撑轴心压力容许值为：F =a s=205MPaX98.8其实际最大