深水基坑围堰设计.docx
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深水基坑围堰设计
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5～6m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+80×2+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φ1.5m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2～3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接而成，长22m，围堰尺寸为13.8m×21.2m，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：
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
《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99
基坑等级
一级
基坑侧壁重要性系数γ0
1.00
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
重度
浮重度
粘聚力
内摩擦角
（m）
（kN/m3）
（kN/m3）
（kPa）
（度）
1
水
6.18
10.0
0.0
0.00
0.01
2
粘性土
1.90
18.0
8.0
40.00
12.00
3
粉砂
9.35
18.0
8.0
0.01
30.00
4
粘性土
4.70
18.0
8.0
---
---
层号
与锚固体摩
粘聚力
内摩擦角
水土
计算m值
抗剪强度
擦阻力（kPa）
水下（kPa）
水下（度）
（MN/m4）
（kPa）
1
0.1
0.00
0.00
分算
18.48
---
2
40.0
40.00
12.00
分算
18.48
---
3
40.0
0.01
30.00
合算
7.50
---
4
50.0
20.00
3.00
分算
10.00
---
[支锚信息]
支锚道数
4
支锚
支锚类型
水平间距
竖向间距
入射角
总长
锚固段
道号
（m）
（m）
（°）
（m）
长度（m）
1
内撑
5.460
0.500
---
---
---
2
内撑
5.460
2.500
---
---
---
3
内撑
5.460
2.500
---
---
---
4
内撑
5.460
2.500
---
---
---
支锚
预加力
支锚刚度
锚固体
工况
锚固力
材料抗力
材料抗力
道号
（kN）
（MN/m）
直径（mm）
号
调整系数
（kN）
调整系数
1
0.00
11.71
---
2～
---
1767.70
1.00
2
0.00
11.71
---
4～
---
1767.70
1.00
3
0.00
11.71
---
6～
---
1767.70
1.00
4
0.00
11.71
---
8～
---
1767.70
1.00
----------------------------------------------------------------------
[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:
层号
土类名称
水土
水压力
主动土压力
被动土压力
被动土压力
调整系数
调整系数
调整系数
最大值（kPa）
1
水
分算
1.000
1.000
1.000
10000.000
2
粘性土
分算
1.000
1.000
1.000
10000.000
3
粉砂
合算
1.000
1.000
1.000
10000.000
4
粘性土
分算
1.000
1.000
1.000
10000.000
----------------------------------------------------------------------
[设计结果]
[结构计算]
----------------------------------------------------------------------
----------------------------------------------------------------------
[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:
Mp——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
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。
Ma——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---
Ks=3.116>=1.200,满足规范要求。
[抗隆起验算]
Prandtl（普朗德尔）公式（Ks>=1.1～1.2），注：
安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97（冶金部）:
Ks=0.839<1.1,不满足规范要求!
Terzaghi（太沙基）公式（Ks>=1.15～1.25），注：
安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97（冶金部）:
Ks=0.900<1.15,不满足规范要求!
2.3.2封底砼抗隆起计算
由于河底较厚粉砂层，通过上面计算，围堰自身抗隆起性能满足不了规范要求，为此，须采用混凝土封底，砼标号按设计采用C20砼，采用水下灌注的方式施工，其抗隆起检算过程如下：
1、围堰封底混凝土厚度计算
通过试算，封底砼在1m以上才能满足要求，本设计按1m计：
内外水头压力:
P=ρghs=1×10×13.77×13.87×21.17=40432（KN）
封底混凝土自重:
G=ρV=24×1×13.87×21.17=7047（KN）
封底混凝土与钢护筒、围堰内壁间的粘结力（τ=100kN/m2）：
N钢护筒=πdhnτ=3.14×1.8×1×15×100=8478（KN）
Sτ=13.87×21.17×1×100=29363（KN）
∵G+N钢护筒+N围堰壁=7047+8478+29363=44888＞P
∴围堰封底混凝土厚度满足要求。
⑵、封底混凝土抗弯、抗剪检算（所有钢护筒位置均假定为约束）
1、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=1/8×（120-19.2）×3.92=191.6（KN·m）
单位宽度混凝土截面抗弯模量:
W=1/6bh2=1/6×1×12=0.167（m3）
混凝土截面抗弯拉应力为:
σ=M/W=191.6÷0.167=1.15（MPa）<[σ]=2MPa
满足安全要求。
2、斜截面抗剪验算：
混凝土所受的剪力为：
Q=1/2ql=1/2×（120-19.2）×3.9=196.6（KN）
截面抗剪能力：
Qcs=0.7ftbh=0.7×2×1×1=1400（KN）>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φ529mm，惯性矩I=π/64（D4-d4）
=3.14159÷64×（0.5294-0.5134）
=4.4439×10-4（m4）
截面抵抗矩W=π（D4-d4）/（32D）
=3.14159×（0.5294-0.5134）÷（32×0.529）
=1.68×10-3（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σ=M/W
=215.89KN.m/1680cm3
=128.5MPa
∵σ＜[σ]=205MPa
∴钢管桩强度满足要求。
⑵、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[σ]=205MPa。
Mmax=ql2/8
=193.29KN/m×5.462m2/8=720.29KN.m
①、强度检算
单根围囹最大拉应力σ=1/2M/W
=1/2×720.29KN.m÷1860cm3
=193.6MPa
∵σ＜[σ]=205MPa
∴围囹工字钢强度满足要求。
2扰度计算
f=5ql4/（384EI）
=5×193.29KN/m×5.464m4/（384×210GPa×46500cm4）
=0.023m
工字钢围囹挠度值满足施工要求。
⑶、内撑受力检算
内撑钢管桩外径φ529mm，壁厚8mm，
惯性矩I=π（D4-d4）/64
=3.14159÷64×（0.5294-0.5134）
=4.4439×10-4（m4）
截面抵抗矩W=π（D4-d4）/（32D）
=3.14159×（0.5294-0.5134）÷（32×0.529）
=1.68×10-3（m3）
1直撑
该内撑受轴心压力，轴心压力容许值为：
[F]=[σ]s
=135MPa×（π×0.26452-π×0.25652）
=1767.7（KN）
其实际最大轴力为527.67KN＜[F],强度满足要求。
压杆稳定性计算:
压杆失稳临界力Fc=π2EI/（μl）2
=3.141592×2.1×1011×4.4439×10-4÷（0.7*12.67）2
=11709（KN）
实际轴压力为527.67KN2、斜撑
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[σ]=205MPa。
截面积为98.8cm2,斜撑受力图见右图:
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]=[σ]s=205MPa×98.8cm2=2025.4（KN）
其实际最大轴力为746.24KN＜[F],强度满足要求。
压杆稳定性计算:
压杆失稳临界力Fc=π2EI/（μl）2
=3.141592×2.1×1011×3.3741×10-4÷（0.7×3.8）2
=98836（KN）
实际轴压力为746.24KN通过以上计算，围堰安全可靠。
3、结束语
深基坑设计要求安全可靠性、经济合理性、施工便利性和工期保证性。
在进行工程周围环境、工程地质及水文资料的、施工条件的调查后，根据设计依据（相关规范、规程、设计图纸），确定围堰结构型式尺寸，通过检算安全后方能实施。
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