深水基坑围堰设计.docx

1、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+802+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

2、，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米，水

3、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

4、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

5、22m，围堰尺寸为13.8m21.2m，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 JGJ 120-99基坑等级一级基坑侧壁重要性系数01.00基坑深度H(m)13.760嵌固

6、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6.1810.00.00.000.012粘性土1.9018.08.040.0012.003粉砂9.3518.08.00.0130.004粘性土4.7018.08.0-层

7、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)10.10.000.00分算18.48-240.040.0012.00分算18.48-340.00.0130.00合算7.50-450.020.003.00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5.4600.500-2内撑5.4602.500-3内撑5.4602.500-4内撑5.4602.500-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(

8、kN)调整系数10.0011.71-2-1767.701.0020.0011.71-4-1767.701.0030.0011.71-6-1767.701.0040.0011.71-8-1767.701.00- 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: 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1.0001.0001.00010000.0002粘性土分算1.0001.0001.00010000.0003粉砂合算1.0001.0001.00010000.0004粘性土分算1.0001.0001.00010000.0

9、00- 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

10、 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 = 1.11.2)，注：安全系数取自建筑基坑工程技术规范YB 9258-97(冶金部): Ks = 0.839 = 1.151.25)，注：安全系数取自建筑基坑工程技术规范YB 9258-97(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

11、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=ghs=11013.7713.8721.17=40432(KN)封底混凝土自重: G=V=24113.8721.17=7047(KN)封底混凝土与钢护筒、围堰内壁间的粘结力（=100kN/m2）：N钢护筒=dhn=3.141.8115100=8478(KN)S=13.8721.171100=29363(KN) G+ N钢护筒+ N围堰壁=7047+8478+29363=44888P 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）1、 抗弯计

12、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(KNm) 单位宽度混凝土截面抗弯模量: W=1/6bh2=1/6112=0.167(m3) 混凝土截面抗弯拉应力为: =M/W=191.60.167=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=/64（D4-d4） =3.1415964(0.5294-0.5134) =4.443910-4(m4)截面抵抗矩W=（D4-d4）/（32D） =3

13、.14159(0.5294-0.5134)(320.529) =1.6810-3 (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/1680cm3 =128.5MPa =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=205MPa。 Mmax=ql2/8 =193.29

14、KN/m5.462m2/8=720.29KN.m、强度检算单根围囹最大拉应力=1/2M/W =1/2720.29KN.m1860cm3 =193.6MPa =205MPa 围囹工字钢强度满足要求。 2 扰度计算f= 5ql4/(384EI)= 5193.29KN/m5.464m4/(384210GPa46500cm4)=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=（D4-d4）/64 =3.1415964(0.5294-0.5134) =4.443910-4(m4)截面抵抗矩W=（D4-d4）/（32D） =3.14159(0.529

15、4-0.5134)(320.529) =1.6810-3 (m3)1 直撑该内撑受轴心压力，轴心压力容许值为：F =s =135MPa（0.26452-0.25652） =1767.7(KN)其实际最大轴力为527.67KNF,强度满足要求。压杆稳定性计算:压杆失稳临界力Fc=2EI/(l)2 =3.1415922.110114.443910-4(0.7*12.67)2 =11709(KN)实际轴压力为527.67KNFc,故支撑杆稳定。2 、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=205MPa。截面积

16、为98.8 cm2,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 =s=205MPa98.8 cm2=2025.4(KN)其实际最大轴力为746.24KNF,强度满足要求。压杆稳定性计算:压杆失稳临界力Fc=2EI/(l)2 =3.1415922.110113.374110-4(0.73.8)2 =98836(KN)实际轴压力为746.24KNFc,故支撑杆稳定。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。