锁口钢管桩在桥梁基础工程施工中的应用研究

'同许文学中请工程硕士学位论文V785630锁口钢管桩在桥梁基础工程施工中的应用研究一级学科：土木工程二级学科：结构工程研究生：曹国银指导教师：朱慈勉教授崔文鉴教授同济大学土木工程学院建筑工程系二00五年六月 锁口钢管桩在桥梁基础工程施工中的应用研究摘要本文阐述了桥梁基础施工中围堰、基坑围护的常用施工方法及其实施手段，介绍了锁口钢管桩在该领域的应用现状、发展动态以及广阔的应用前景。结合宁波市芝兰大桥水中墩锁口钢管桩围堰设计与施工实践，通过结构计算、结果分析，发现了等值梁理论在不对称侧压下的不适用性，提出了等值梁法理论在特殊工程条件下结构计算模型的修正方法及施工对策，不仅完善了等值梁理论的工程适用范围，而且克服了施工过程中河床管涌、锁口漏水、支撑平面失稳等困难；等值梁计算理论在宁波市芝兰大桥中的发展完善和成功实践，为同类工程的设计计算和工程施工具有参考价值。通过对国p龟#l-桥梁基础施工领域各种方法的比较，得出了基于环保、安全、经济、文明、快速的全新施工理念和革命性的施工方法是当今桥梁基础施工发展方向的结论；对广大工程技术人员更新观念，发展绿色、环保的施工方法与实施手段具有现实指导意义。关键词：桥梁基础：锁口钢管桩；围护结构；等值梁计算方法；施工对策。 同济大学硕士学位论文Researchontheapplicationoforifice--lockedsteel--pipepiletobridgefoundationconstructionAbstractThispaperexpoundsthefrequently-usedmethodsandoperationwaysofconstructingcofferdamandfoundationditchenclosureduringbridgefoundationconstruction．Presentstate，developmentandthepromisingfutureoforifice-lockedsteel-pipepileconcerningitsapplicationinthisindustryarealsointroduced．Takingthecofferdamdesignandconstructionoforifice—lockedsteel-pipepileofZhilanBridge(Ningbo，China)in-waterpierasapracticalcaseplustheoreticalstructurecalcuiationandmsuitanalysis，itisfoundthattheequivalentbeamtheorybecomesinapplicableunderasymmetricsidepressurecondition．ToSOlyetheproblem．constructioncountermeasuresandmodific撕onmethodsforstructurecomputingmodelarepresented，whichnotonlyimprovesapplicabilityoftheabovebeamtheorybutalsoovercomesamong-constructiondifficultieslikebedriverpipingeffect，waterleakageoflocked-orificeandbearingsurfaceinstability．ThedevelopmentandsuccessfulapplicationoftheeqmvalembeamtheoryonZhilanBridgeconslructionprovidereferenceforfuturesimilarengineeringdesignandconstruction．Acomparisonamongbridgefoundationconstructionmethodshomeandabroadconcludesthatrevolutionaryconstructionmethodch缸acterizedbythefull·曲shconcept；environment-protected，secure，economical，civilized,fastpresentsthefuturedevelopmentofbridgefoundationconstruction．Thiswillhelptechniciansrenewtheirthinkingandhaveaneffectondevelopingenvironmentprotectionconstructionmethodsandtheresponsibleoperationways．Keywords：bddgefoundation；orifice—lockedsteel-pipepile；enclosureconstruction；equivalentbeamcomputingmethod；constructionCOuntermeasures． 学位论文版权使用授权书本人完全r解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学雠文储繇嘲司银彬年占月j护日 声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究J二作所取得的成果，撰写成博十／硕士学位论文!继旦翅筻蕉查援粱基础王猩旌王生的座旦婴筮：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：絮、翘银2005年6月28日 同济大学硕士学位论文引言围堰作为一种临时结构常应用于桥梁、建筑物等的工程建设中，尤其在修建桥梁水中基础时更是作为一种辅助施工手段得到广泛地应用。桥梁工程不仅造价昂贵，而且工程规模往往十分巨大，某些复杂水文、地质条件下的大跨度桥梁，往往是全线的控制工程。而基础施工又常成为制约桥梁工程的关键工作，作为实现基础工程的必要措施的围堰的设计、施工自然成为人们关注的焦点。因此，认真研究基础施工问题就显得特别重要。桥梁基础施工是一项枝术复杂而涉及面很广的工作，需要有周密的计划，完善合理的施工设计和方法，否则即使是再优秀的设计、先进的结构也难以实现。在长期工程实践中，人们先后采用土围堰、草麻袋围堰、钢围堰(包括钢板桩、钢套箱、钢吊箱等)、薄壁沉井围堰等措施。随着社会的发展，科技的进步，在大江大海中修建大桥日益增多，如何快速、经济、安全可靠地在深水中进行桥梁基础施工是广大工程技术人员面临的一项重要课题。锁口钢管桩以其刚度大、变形位移小、施工简便快速、安全可靠、经济环保等诸多优点在众多的围堰结构形式中脱颖而出，在国外已得到广泛应用，在国内也开始应用于工程实践，且越来越引起大家的重视。我国于上世纪50年代在前苏联专家指导下，中铁大桥工程局负责做过装配式钢筋混凝土锁口管桩试验，并将这～成果应用在丹江口水库大坝的防渗墙基础中，达到了防渗要求。在修建湖北省明山水库时，将有锁口的直径为1．55m的钢筋砼管柱联成一排作为防渗墙。当时还想将这～新技术推广应用到水利工程中的大坝防渗墙、码头岸墙、码头基础和桥梁基础。由于砼抗拉性能差，钢筋砼锁口管柱制造工艺要求高，加上当时国家钢材缺乏的制约，这一技术未继续进行研究和应用，但上述工程实践也是我国锁口钢管桩应用研究的雏形。上世纪90年代中期，我国在宁波市甬江口修建的宁波大桥主塔桥墩基础采用了锁口钢管桩作为防水围堰，这也是我国桥梁基础施工中第一次采用这种基础施工方法。以后在江西鄱阳湖修建湖口大桥东塔基础工程施工、上海外高桥造船基地18、2“船坞 l司济大学硕士学位论文坞室倾《墙、宁波市奉化江上芝兰桥水中墩施工中、桂林解放桥改建等工程中推广应用。在施工机械方面，以上锁121桩施工多采用震动锤或柴油锤击沉桩，搭设施工平台或打桩船，安装临时围檩限位等普通手段，无专用设备。在国外，日本是研究应用锁El钢管桩时间早、应用领域广、机械配套综合程度高的国家。上世纪60年代以后，日本发展的锁口钢管桩围堰是将钢管桩联锁成为一个整体，可建成任何形状。若将它作为永久基础使用，则称钢管板柱井筒基础。1978年开始建造的大和川斜张桥，水中三个主墩采用了锁口钢管柱围成直径30．33m井筒基础，入土深达40．50m。日本将锁口钢管桩用于桥梁基础的还有很多，如1985年施工的大黑大桥，围堰平面尺寸为24．6m×17．4m，桩长65m：1986年旌工的生月大桥，平面为圆形巾25．2m：1996年施工的美原大桥，平面尺寸为62．3m×36．2m，桩长66．Om；2000年旌工的古字利大桥，为巾15．3m圆形，桩长80．5m，入土达66．5m；1999年10月至2002年7月施工的千叶县利根川大桥，莛8个墩，除2个墩用钢管桩基础外，其余6个墩均采用锁口钢管桩基础，钢管直径巾1．0m～1．2m，桩长40m，共用钢材9500t。日本还将锁口钢管桩用于其它广泛领域，如道路拓宽、旧桥修复、铁路沿线工程、抗震加固、河道改造、防洪岸墙、码头、地下工程等。日本关东50万伏地下五层变电所、东京铁路桥梁修复、大阪铁路跨线桥、长椅航空港等及香港铁路车站、新加坡Jurong岛等广泛应用了锁口钢管桩技术。在施工机械研制方面，13本走在了前列。1988年日本GIKEN公司首先研制成功了第一台专用于锁口钢管桩施工的打桩机，该桩机利用已打入桩作反力支撑，利用液压原理将桩压入地基。无震动、无噪音，而且该桩机在己成桩上自行移动，因此，无需搭设临时工作平台或便道。在硬质地基中还配备了射水或桩内设螺旋钻机钻进等辅助措旋，使入桩阻力大大减小，这种环保、无需箍时设施可适用于狭窄空间的新技术是对传统施工方法的一场革命。2002年8月至2003年12月，笔者参加了宁波市芝兰桥工程施工，任项目总工，负责技术工作。该桥位于奉化江上，主桥为75m+120m+75m三跨变截面预应力钢筋混凝土连续箱梁，其中94、10。墩位于奉化江水中，采用锬口钢管桩围堰旌工。因9。、10。墩与河流斜交、河床坡度大。两围堰的平面尺寸均为41．8mX18．8m，水深达9m。且每天受二次涨落潮影响。由于围堰面积大且与水流斜交使局部冲刷加剧，上述诸多不利 同济大学硕士学位论文因素使得旌工极为困难，但也为笔者提供了十分难得的实践机会。本文主要研究内容：(1)锁口钢管桩围堰(支护)的原理、特性及适用范围；(2)在特殊地形、不平衡侧压力下，应用等值梁方法设计时的计算修正：(3)施工对环境影响的评估；(4)探讨在我国推广机械化施工的途径。本课题的研究方法、技术路线：回顾我国工程领域基础施工的历史，分析研究我国桥梁基础围堰、工民建深基坑围护设计、施工现状，通过借鉴国外先进经验，提出改善我国在基础施工方面的设想。本课题的研究目的：以宁波市芝兰桥工程中锁口钢管桩围堰工程实践为基础，通过分析研究设计施工中存在的问题，提出针对性措旖。验证等值梁理论在特殊地形、不平衡侧压条件下存在的缺陷，提出修正思想，避免因机械地套用等值粱方法而导致围堰、支护结构工程事故，可为以后的围堰、支护设计施工作借鉴指导。此外，借鉴国外先进的施工机械和施工方法，在我国基本建设中引进、推广应用无震动、无噪声、无需临时工作平台且能在狭小空间中作业的锁口钢管桩施工方法，充分发挥其潜在的经济效益和社会效益，开辟一种新颖的、环保的围护结构施工方法。 同济大学硕士学位论文1水中基础围堰工程及施工方法桥梁、建筑物等的基础施工中，经常要进行除土或在无水环境下施工，为保证施工安全需要进行临时围护。围护形式种类繁多．其分类方法也各式各样，各有利弊。习惯上将水中围护称围堰，而将陆上围护称为基坑围护，本文按此分类进行叙述。1．1围堰工程概述、水中基础施工时一般要修筑围堰工程，以便进行排水挖基和砌筑基础圬工。围堰作用是防止水和土进人建筑物的修建位置，以便在围护结构内排水，开挖基坑，修筑建筑物。除设计规定作为永久性防护结构外，一般在墩台身修出水面以后，基坑回填完毕时即予拆除，以免妨碍水流畅通、加剧河床的局部冲刷。可见围堰一般属于临时性结构。以前，由于材料和施工技术的制约，围堰法通常只适用于水不深，基础较浅，并且地质不太复杂的情况。如水深超过6m(钢板桩围堰除外减挖基深度超过8～lOm，或地质较复杂时则应考虑采用其它旌工方法。但近年来随着施工工艺水平的提高、施工机械的改进和施工方法的进步，钢围堰也已广泛地运用在深水基础施工中，特别是本文重点讨论的锁口钢管桩技术的应用，使得在超深水中修建基础成为可能【4】。围堰按其受力特点可分为重力式围堰和轻型围堰；也可按构成材料分类，如草麻袋围堰、钢板桩围堰、钢筋混凝土(薄壁沉井>围堰、双壁钢围堰等。常用的围堰有下列几种。1．1．1土石围堰和草麻袋围堰用土堆筑成梯形截面的土堤，借它进行挡水，以便进行水中基坑的开挖和墩台基坑施工，通常用砂质粘土填筑。土围堰仅适用于浅水、流速缓慢及围堰底为不透水土层处。为防止迎水面边坡受冲刷，常用片石、草皮或草袋填土围护，若采用草麻袋进行围护即为草麻袋围堰。在产石地区可做堆石围堰，外坡用土层盖面以防渗漏水。但由于这种围堰需土方量大、施工时大大压缩河流断面且工后拆除效率低，不利于环保及水利要求，应慎重选用。1．1．2木板桩、木笼围堰深度不大、面积较小的基坑可采用木板桩围堰。为了防渗漏，板桩间应有棒槽相 同济大学硕士学位论文接。当水不深时，可用单层木板桩，内部加支撑以平衡外部压力；水较深时，可用双壁木板桩，双壁之间用铁拉条或根木拉紧，中间填土。其高度通常不超过6～7m。若挖基较深，而条件又许可时，可采用多级木板桩围堰。在河床不能打桩、河水流速较大，同时盛产木材和石料的地区，可用木笼做围堰的堰壁。最常用的形式是用方木做成透空式木笼，迎水面设多层木板防水，就位后，在笼内填土石。为减少与河床接触处的漏水，一般用麻袋盛土或混凝上堆置在木笼堰壁外侧。也有用钢筋混凝上预制构件装配的笼式围堰【4】。木板桩、木笼围堰除因其自身的强度、刚度原因制约了其应用外，还因其消耗大量自然资源，对环境的负面影响大而被逐渐弃用。1．1I3钢板桩围堰钢板桩围堰是水中基础施工时最常用的一种板桩围堰。钢板桩是带有锁口的一种型钢，可以认为它是木板桩的～种发展。早在十九世纪，人们就已设法寻找木材的代用品，那时曾制造了一些铸铁的桩。但铸铁有脆性，显然不能成为令人满意的制桩材料，直到本世纪初制造出热轧型钢以前，很少取得进展。早期获得成功的钢板桩是用铆钉锁合的，随着轧钢技术的进步，后来制成了更好的截面型式。其截面有直板形、槽形及Z形等，有各种大小尺寸及联锁形式。常见的有拉尔森式，拉克万纳式等。其优点为：强度高，容易打人坚硬土层；可在深水中施工，防水性能好，能按需要组成各种外形的围堰，并可多次重复使用。因此，它的用途广泛。在桥梁施工中钢板桩常用于承台旌工围堰、沉井顶的围堰、管柱基础、桩基础及明挖基础的围堰等。这些围堰多采用单壁封闭式；围堰内有纵横向支撑，必要时加斜支撑构成一个围笼。如中国南京长江大桥的管柱基础，曾使用钢板桩圆形围堰，直径21．9m，钢板桩长36m。待水下封底混凝上达到强度要求后，抽水筑承台及墩身，抽水设计深度达20m[4119]。1．1．4锁口钢管桩围堰锁口钢管桩围堰是一种近年来发展起来的围堰形式。由于它刚度大、承载力高，又有锁口止水、土，安全可靠，施工简单，是一种较好的基础施工手段。其原理是先在要修建的基础周围打入大型锁口铜管桩，形成一个围堰，再以砂浆将锁口处封闭：然后进行堰内除土，到设计深度后灌注水下混凝土进行封底，待封底混凝土达到要求强度后在围堰中抽水后郎可灌筑承台及墩身混凝土，直到水面以上。在围堰内回灌水以后，用水下切割机将承台以上的锁口钢管桩切除或用机械拔出，以便重复使用。锁口钢管桩围堰适合于超水深条件下的基础施工，工后可拔除重复使用，不留任 同济大学硕士学位论文何痕迹，因此不仅经济，且利于环境保护，符合当今可持续发展的要求，本文将作重点论述。1．1．5钢筋混凝土(或预应力混凝土)板桩围堰一般在围堰建成后仍需长期保留时才使用。板桩截面两侧用榫槽或钢件连接，桩底部向一面倾斜，便于打人土层内，同时易使两相邻桩密合。主要用于港湾码头的驳岸及水工建筑的截水墙等。1．1．6钢筋混凝土地下连续墙钢荔混凝上地下连续墙是用特制挖槽机械自地面向下在泥浆护壁的条件下进行开挖，形成一定槽段长度的沟，再将在地面上制作好的钢筋笼放入槽段内，采用导管法进行水下混凝土浇筑，完成一个单体的墙段，各墙段之间用特定的接头方式(如用接头管或接头箱做成的接头)连接，使其相互联结形成一道连续的地下钢筋混凝土墙。这种方法应用于城市土建工程中，作为开挖基坑的围堰，可以靠近已有建筑物施工，平面形状不受限制，已广泛应用于民用建筑、水工建筑物如码头、防渗墙及桥梁工程中。地下连续墙围护呈封闭状，在基坑开挖后，加上支撑或锚杆系统，就可挡土和止水，便利了深基础的施工。如将地下连续墙作为建筑的承重结构则经济效益更好。但地下连续墙施工时产生大量泥浆，污染严重，处理困难，在城市施工中问题更加突出。1-1．7钢筋混凝上薄壁沉井围堰钢筋混凝上薄壁沉井围堰区别于沉井基础主要是其仅作为基础施工的一种临时结构。它的主要特点是耐冲刷，安全性大，防透水性好，尤其适合于地下水位高、透水性强的砂砾土层中，且施工时不需大型设备，对于具备条件的多个基础可同时施工，有利于抢工期。如广东三水沙头大桥1～甜墩基础采用早强钢筋混凝土薄壁沉井围堰同时施工：在上世纪90年代京九铁路湖北省境内巴河特大桥施工中，在河流水位高、土层为中粗砂条件下全面采用这种围堰，大大缩短了工期。但由于薄壁沉井截面普遍较小(否则不经济)、自重轻，下沉系数不足，常需采用辅助措旌下沉，增加了施工难度。另外因薄壁增大了基础截面，压缩有效过流面积，在水利要求严格的工程中不得不考虑河床以上部分拆除所需费用。在京九铁路山下渡大桥旌工中采用水中爆破手段拆除沉井，费用较大。 同济大学硕士学位论文当然可以将其考虑作为永久性结构物的一部分，但在实际施工中由于薄壁沉井与基础沉降不协调、受力不均，有时对永久结构承载起负面作用。如其与承台混凝土粘结，反而增加了承台荷载，对结构不利。实际施工中常采用井壁涂隔离剂或设隔离薄膜方法，使其与承台隔离。在深基础施工中因井壁与土层摩阻力聚增，下沉极其困难，且因井壁薄，排水时需在井内设多道强大内支撑，压缩作业空间，施工极为不便，故在深基础施工中受到限制。1_1．8钢吊箱、钢套箱围堰钢吊箱是悬吊在水中的有底围堰，它可在桩基施工完毕后在底板的箱应位置开孔下沉，至设计位置后在桩周与孔周设卡夫止水，再封底抽水，灌注承台混凝土；也可先下沉再施工桩基，利用底板上的预留孔控制桩位。钢吊箱可用作承台模板且可减少潜水工作量，笔者任宁波永丰桥工程技术负责人其间，五个水中墩承台采用了可拆卸钢吊箱围堰，箱壁兼作外模板，承台完成后拆除倒用，仅弃用底模。钢套箱则是沉入河床的无底围堰，沉至设计标高后封底、排水再进行基础旌工，排水时作用于套箱外壁的水平水土压力则由内水平支撑承载，作业空间受影响，工后进行水下切割，潜水工作量大。在刚建成的芜湖长江大桥的深水航道中，主跨斜拉桥基础采用了直径达30．5m双壁钢围堰结构，其抽水深度达43m，是我国桥梁建设中抽水最深的深水基础。钢吊箱与钢套箱围堰可在岸上制作整体拼装，故施工方便且防水性能好。因钢吊箱钢套箱悬吊在水中，故仅适用于承台底高出河床的基础功臣，而且仍需搭设水中定位平台，在深水急流中施工难度大。钢套箱围堰不仅在水中下沉，而且还要入土下沉，其入土下沉原理与沉井基本相同，但其重量轻，沉降系数小，仅靠自重难以克服周边土摩阻力，需要#HJn荷载方能满足施工要求，因此常做成双壁围堰，在内外壁间灌砂或混凝土助沉，但这也增加了拆除难度。另外钢套箱拆除后一般不能重复使用，一次性摊销费用大，在吊装时还需用大型起吊设备。1．2围堰工程施工设计大型桥梁、水工港口等工程不仅造价昂贵，而且工程规模十分巨大，某些复杂水文、地质条件下的基础工程往往是整个工程控制点。而围堰经常作为基础施工的一种临时结构，其成败往往决定了能否保证工程质量、节约投资、缩短工期、提高综合效益的关键。成功的围堰工程首先要从施工设计着手。在围堰设计过程中，一般应考虑下列因素： 同济大学硕士学位论文围堰的高度：一般情况下，围堰顶面应比施工期间可能出现的最高水位高出0．5～0．7m，以免淹没基坑，因此，施工前应向桥位附近的水文站、航运部门和当地居民了解和收集水位变化情况及有关水文资料。围堰的布置：围堰的总体布置应与水流情况相适应。其原则是尽量减少压缩流水断面，因为河流断面被围堰挤压缩小，会使流速增大，从而使引起河床的局部冲刷的可能性增大。在旋工时应严格按照计划安排，分期分批地修建水中基础。除非确有把握，不可同时作几个围堰，也不可将两个或两个以上的基坑一起围起来而形成“大围堰”，否则会大大减小流水断面，抬高水位，加剧河床的冲刷，同时也会给抽水带来严重的困难，这是设计、施工时必须考虑的问题。因此，必须按旌工季节，结合河水流量及各墩台基础工作量大小和难易程度、工期的长短，现有的机具设备、材料、劳动力等。确定先作深水基础，还是由浅水向深水推进，在施工顺序的确定上，要慎重选择。围堰内侧轮廓尺寸与基坑的关系：围堰内、外侧轮廓尺寸应分别与基础轮廓及水流状况相适应。设计时应尽量少压缩流水断面，但围堰内侧工作面的大小，也必须满足基坑开挖排水、砌筑圬工等施工活动的需要。对重力式围堰，为了确保围堰的稳定，围堰内侧坡脚至基坑顶边缘之间应保留不小于1．0m的距离。如基础较深、坑壁土质不良、渗水量大、边坡(坑壁)容易坍塌，则围堰内侧坡脚至基坑顶边缘之间的距离应适当增大，以策安全。围堰的断面与稳定性：确定围堰断面时，应满足防止滑动及倾覆的要求。土、草(麻)袋，竹笼卵石等围堰均靠本身自重来抵抗外侧水压力对它造成的倾覆与滑移；板桩围堰(木板桩，钢板桩)由板桩打入土中的部分和板桩支撑来抵抗外侧压力。围堰外侧水压力的大小，由水的深度来确定。所以士、草(麻)袋，竹笼围堰的断面尺寸应按水位高低确定，而板桩的入土深度及是否使用支撑，需通过力学检算来决定。防渗漏：围堰的渗漏应尽量减少，因为渗漏易发展扩大，往往影响基础的施工进程，所以，旌工时应特别注意围堰的质量。围堰漏水，对于土、草(麻)袋，竹笼卵石等围堰主要是填料时夯填不密实、填土中混有其它杂质造成韵；有时是因为围堰底部与河床覆盖层之间或与河床岩石之间，由于石块、树根及其他杂物未清除干净，造成围堰底部与河床接触不密贴，产生漏水。此时应检查确定漏水部位，拟定处理的办法。一般在围堰的外侧，抛撒锯木屑、煤屑、泥土等，使其随水流入渗漏的空隙，将空隙绪塞，达到不漏水或减少渗漏。而对于有锁口的板桩，可能是由于锁口错位或锁口止水材料失效引起的，这时也可采用以上方法处理，但对于动水作用下的围堰，作用难以持久，可以考虑外侧围土工布。如漏水严重，以上方法不能奏效，就需考虑外侧子 同济大学硕士学位论文围堰方案。总之，应根据各种不同情况，采取相应的惜施进行补救。防冲刷：筑堰后流水断面缩小，形成上游雍水。为了减缓急流直冲围堰，围堰上游应作分水尖，以减轻急流冲刷。同时采取适当措施，增强围堰抵抗外侧水流的冲刷能力。若围堰外侧为填土的坡面，为避免水流冲击造成流失，可用草袋、竹席、树枝等铺在坡面上，防止冲刷。若流速大，由于围堰的阻挡，有可能掏空围堰底脚，危害围堰的稳定，可根据具体情况，在围堰外侧抛填大卵石或用竹笼卵石进行防护。若无效时，可在上游适当的地点作导流堤，将急流引开，不宜直接冲击围堰。1．3围堰工程实例1．3．1湖北钟样汉江桥59号墩钢吊箱围堰设计r11工程概况汉江桥59号墩位施工水位为39．8m，河床面标高33．7111左右，施工水深6～8m。承台底设计标高为35．28m，承台厚3．Om，顺桥向8．29m，横桥向12．94m。承台支撑在6根直径2．2m的钢筋混凝土钻孔灌注桩上。在钢管、工字钢搭设的钻孔平台上，振入钢护筒，采用正、反循环旋转钻孔并浇筑灌注桩。承台的施工是在拼装焊接的带底钢吊箱围堰内进行的。59号墩位于汉江特大桥主航道右侧，水流急，施工作业面狭小，采用吊箱围堰施工的难度较大。(2)钢吊箱围堰的组成及构造59号墩钢吊箱围堰由吊箱框架、内支撑、吊点、导向撑、底板五个部分组成。吊箱框架为矩形结构，短边厚度1．2m，长边厚度为1．45m，矩形内净空平面尺寸为8．35mX13．Om。吊箱框架由120a工字钢，[20槽钢、Z75X75×6角钢焊接组成框架结构。框架间距1．Om。框架间以[20a槽钢、6mm厚钢板、Z63×63×6角钢、[10槽钢连接而成。框架总高8m，根据施工时水位先安装7m高框架。若水位上涨，再加高lm框架。内支撑由130a工字钢组成的工字钢组梁分剐于第四道、第六道、第八道框架处设内支撑三层。底板由框架梁分隔成六个区格，每格焊结120a工字钢形成底板受力框架，以6mm厚钢板作底板、隔板。底板在钻孔桩位预留m2．8m的孔，以便能套入钻孔桩钢护筒。制作喇叭状的封底盖板套在钢护简上，以封堵吊箱底板与钢护筒之间的缝隙。其结构形式如图1．1。 同济大学硕士学位论文×＼／、／＼／＼／’／＼／I／∥4＼／、／1、／＼，，l彳巨＼。／<—可主／＼＼／＼／＼一————一><——————————≤～———一—————————————／＼／＼／，＼／i＼X／Zk，7＼／／I／／、／＼／j?＼／＼／、／＼／?∥?、／＼X图1．1底节围堰构造示意图f31钢吊箱围堰的设计钢吊箱围堰是为承台施工而设计的临时阻水结构，其作用是通过吊箱围堰侧板和底板上的封底混凝土阻水，从而为承台旌工提供无水的施工环境。a设计的工况条件根据钢吊箱围堰施工作业时段，设计受力状态可按以下。3个工况进行分析：①拼装下沉阶段；②封底混凝土施工阶段；③抽水后承台施工阶段。b围堰计算根据围堰结构的受力特点，在分析时取横向框架按平面体系用SuperSAP93进行计算。设计时考虑到施工时水位可能出现的变化，按10m水位进行计算，因为在高度方向上各框架的受力随着高度的增加而减小，故在设计时考虑在下5层框架内设内支撑。在实际施工时，因水位仅在7m右，故仅设如前所述的三道内支撑。在框架受力合格的情况下，还对竖向槽钢、钢板、支撑角钢和吊耳等进行检算。该围堰在2000年底顺利完工，根据现场实侧数据与计算数据比较。发现两者十分接近，表明设计是成功的。1．3．2武汉军山长江公路大桥桥墩异型钢围堰设计(1)工程概况武汉军山长江公路大桥主桥为48m+204m+460+204m+48m的五跨连续双塔双索面半飘浮体系钢箱梁斜拉桥。桥位处多年年平均水位17．49rn(黄海高程，以下同)，桔水期平均水位14．18m，历年最大水位差17．96m，施工水位为22m，设计断面平均流速为2．21m／s。主桥5号、6号墩江底标高分别为一5．Om和一5．3m，5号墩河床表层为松散状粉细砂层，局部地段底部夹少量砾石，厚约O．75～1．30m，下伏基岩为粉砂质泥岩，岩面平缓；主6号墩河 同济大学硕士学位论文床表面平缓，下伏自留系中统坟头组浅灰～灰色泥质粉砂岩，其间夹薄层钙质细砂岩、泥岩，具纹层构造。(2)围堰设计A一一A585815G0广三ii订嘲o——————————‘‘}———{’●。。’‘●’‘——‘1÷———～图1．2钢围堰一般构造图1．3基础及围堰构造图一1～I一{烈 l司济大学硕士学位论文钢围堰一般构造、基础构造示如图1．2、1．3所示。主塔墩基础采用19根由2．5m的钻孔桩。由于主塔墩处河床无覆盖层，初步设计阶段通过对钢管桩平台钢吊箱、钢围堰等施工方案的综合经济技术比较，决定主塔墩基础采用钢围堰方案施工。由于桥面很宽(不含斜拉索锚固区宽度33．5m，居国内同类桥梁宽度之首)，按常规设计，钢围堰的直径将达到44m。为了减小钢围堰的规模、方便施工、节省造价，同时又能保证索塔造型的美观，设计首次创造性地提出了异型钢围堰结构，即在圆形钢围堰上焊接2个簸箕形构造。围堰内径为30m，外径达33m，钢围堰顶标高25m，高出7月份多年平均水位2．34m，刃角底标高一5．5nl，总高度30．5m，共重1200t，为防止在最大抽水状态下封底混凝土与钢围堰之间发生渗漏，并使封底很凝土与钢围堰作为整体抵抗浮力的作用，在钢围堰刃脚段内壁板上设置了抗剪环板。考虑到吊装能力和施工工期要求，整个钢围堰分6节组拼，顺序为6．1m+6m+4．2m+4．5m+5．5m。(31围堰施工钢围堰采用双壁自浮式，钢围堰每沿环向分为8片，每片重8．1～2lt，工厂制造，现场水上平台拼装。水上平台由3艘400t方驳联成长40m、宽34m的整体平台，吊装用30～60t浮吊靠泊于拼装平台外侧。每节钢围堰在捞装船上完成后，解除临时锚定系统，用2条1000t级拖轮顶推拼装船平台至墩位就位，用250t大型浮吊就位、起吊钢围堰后，撤出拼装平台回岸边准备拼装下节钢围堰，浮吊下放钢围堰入水。钢围堰入水后利用隔仓水调平，利用自重和加水进行水中下沉。着床后采用吸泥下沉，用沙石泵、吸泥机抽出刃脚下覆盖层，同时浇注两壁间混凝土。钢围堰下沉到位劳清基后用导管发进行水下混凝土封底施工，厚6．7m。双壁钢围堰封底混凝土完成后，钻孔桩、承台以及塔墩下部结构的施工均在围堰防护下进行，不再受到深水的影响。1．3．3广东三水沙头大桥钢筋混凝土薄壁沉井围堰1～4撑墩设计为咖200era钻孔桩，每墩2根。由于特殊要求，桩帽和系梁埋深较大，约为4．5～5m。桩帽和系梁所处地质均为细砂层。根据桩帽和系梁结构尺寸，拟定沉井尺寸为12．OmX4．4m，高4m，井壁厚25em。C25混凝土，主筋由22分布筋由8。见沉井构造图。沉井下沉至设计标高后，地表0．5～1．Ore厚土层放坡开挖。 同济大学硕士学位论文2．0～2．5m平面(单位cm)图1．4沉井构造示意图为争取工期，在4个墩位上采用早强混凝土同时就地浇注钢筋混凝土薄壁沉井。沉井取土采用履带式挖掘机和人工相结合的方式，即挖机于沉井中部的工字钢横撑两侧对称取士，形成较低的深坑，四周砂土以“流砂”形式流入中部深坑内。沉井最快在4小时内沉至设计标高。1．4基坑工程基坑工程是基础和地下工程施工中一个。传统课题，近年来我国大量兴建高层建筑，基坑工程正向大深度、大面积方向发展，其支护设计、施工、监测技术是我国是近十多年来逐步涉及的技术难题。基坑工程是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了交形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。对这些问题的认识及其对策的研究，是随着土力学理论、分析技术、测试仪器以及施工机械、施工技术的进步而逐步完善的。深基坑围护，不仅要保证基坑内能正常安全作业安全，而且要防止基底及坑外土体移动，保证基坑附近建筑物、道路管线的正常运行。基坑工程虽是临时性工程，但技术复杂、造价高、工期长，往往成为整个工程的关键。基坑围护形式较多，但常用的有以下几种。广厂矧≯ 同济大学硕士学位论文1．4．1水泥搅拌桩围护水泥土围护结构由于具有既能挡土，又能防渗等多种功能，因而已在基坑工程中得到广泛应用，并取得了良好的技术经济效益和让会效益。利用深层搅拌机，以水泥作为固化剂与地基土进行原位强制搅拌，待搅拌体固化后形成不同形状的、连续搭接的墙体，作为基坑工程的挡土和防渗止水的支护结构，其计算理论按重力式刚性挡士墙计算，同时按刚性挡土墙验算其变形，并需满足基坑整体滑移稳定和基坑底抗管涌及承受承压水的局部稳定要求。水泥土围护结构的特点是：a。固化的桩与其所包围的土体构成一体，改善原状土弹性模量和承载力；b．能依靠自身的重力保持平衡，自立围护挡土，不需要支锚结构；c．可采用块式、空腹格栅式等截面形式，来满足自立式围护结构受力、变形要求；d．施工时无振动、无噪音，对周围环境影响小；e．施工机械简单、操作方便、造价低；f．就围护结构而言，同其他方法比较，占地比较大，但就开挖而言，因无内支撑，施工较方便；g．水泥土加固体的渗透系数不大于10—7cm／s，围护墙可兼作隔水帷幕。水泥土重力式挡土结构适用于淤泥、淤泥质土、粘土、粉土，具有薄夹砂层的土，素填土等地基承载力标准不大于140kPa的土层。但由于其强度不高，一般仅适用于深度不大于6m的浅基坑支挡。1．4．2板桩式围护板桩也广泛地应用于围护结构中，它包括钢板桩和钢筋混凝土板桩两种，其中以钢板桩应用较广。钢板桩一般用于开挖深度大于3～4m的基坑，多为企口连接的钢板桩。在基坑工程中，采用钢板桩围护，具有施工简便、速度快，材料可以重复使用等优点。钢板桩围护有时同钢支撑结合应用，例如上海第一条隧道开挖段及暗埋段工程，宝钢初轧一号铁皮坑工程等。根据上海经验，拉森3．(长12～15m)，可用于无支撑开挖深4～5m的基坑，或单支撑开挖5～6m的基坑。而拉森5”或∥(长18～20m)钢板柱，可考虑用于7～8m深的基坑，但需二道支撑，并有加固措施。由于钢板桩与钻孔排桩或地下连续墙相比刚度较小，为控制其变形和减少拔除时 J司跻大学硕士学位论文对相邻建筑的影响，可在钢板桩外侧作深层搅拌桩加固，局部注浆处理，基坑底另作加固处理，钢板桩顶部作钢筋混凝上顶圈梁，例如上诲中区广场钢板桩围护结构便是如此。钢板桩在拔桩时应有填充措施。例如上海中区广场采取了跟踪注浆措施。钢板桩与钢围檩及钢支撑形成受力体系。在基坑开挖过程中可根据设计工况受力及变形要求，采取对钢支撑预加轴力的方式控制其变形值，例如上海浦东世界厂场基坑即采取了预加轴力的措施。1．4．3钻孔灌注排桩围护排桩式围护结构是指以排桩作为主要承受水平力的构件，并以水泥土搅拌桩、压密住浆、高压旋喷桩等作为防渗止水措施的围护结构形式。在高层建筑基坑工程中，排桩主要采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩等桩型。排桩中桩的直径通常以采用600ram或大于600mm为宣。密排式排桩每根桩的中心线间距一般应为桩直径加10～15cm，即两根桩的净间距为10～15cm，以免钻孔时碰及邻桩。分离式排桩的中心距，应由设计根据实际受力情况确定。桩的埋入深度由设计根据结构受力和基坑底部稳定以及环境要求确定。由于排桩要承受地面超载和侧向水土压力，其配筋量往往比一般工程桩大。尤其当挖土面及其背面配有不同数最钢筋时，施工必须严格按受力要求采取技术措施保证钢筋笼的正确位置。排桩施工时要采取间隔跳打，防止由于土体扰动对已挠注的桩带来影响。按照工程经验，当距排桩外侧lOcm作双钻头排列(宽度120cm)制作搅拌桩，作为防渗止水用时，其深度应满足基坑底防止管涌的要求。如果采用注浆(一般对粉质土或砂质土)，也必须满足形成防渗帷幕墙体的要求。对于砂质土，可采用套排桩的型式，即对有严重液化砂土地基先进行搅拌桩加固，然后在加固土中制成钻孔排桩以保证成孔质量。这就需要在搅拌桩结束后不久即进行钻孔排桩施工。钻孔排桩顶部一般需作一道顶圈梁，将桩圈成整体，便于开挖时整体受力和满足控制变形的要求。排桩法通常宜用于开挖深度7～12m左右，再深时需慎重行事。当钻孔排桩单桩成为受力单元，在开挖时需采用围檩以构成整体受力。围檩要有一定刚度。尤其对钢围檩、钢支撑，防止由于围檩和支撑发生变形而导致围护墙体变形过大或失稳破坏。多年的应用经验也证明，钻孔灌注排桩作为基坑围护结构往往容易发生下列问题： J司疥大学硕士学位论文(1)由于钻孔垂直度控制不好，桩的间隙过大，虽然其后有深层搅拌桩墙可防渗，但因搅拌的不均匀性，施工质量不佳等困素，经常发生地下水从桩之间的空隙中渗出，有时且携带泥砂，如不及时堵截，则渗透造成的空隙会越来越大，以致围护墙外地面沉降，建筑物或地下管道倾斜、断裂。(2)钻孔旌工时大量泥浆排放，对环境保护不利。钻孔桩一般均为天然泥浆护孔，一根桩的土方将有相当于3根多桩的泥浆需排放。(3)I困钻孔桩后多数精况下均要有深层搅拌桩作防渗墙，相对其他(如地下墙)结构而言，围护结构厚度加大，施工场地减少。今后的趋势应是选用相互搭接的结构型式，省去后面的深层搅拌桩。但是施工时应间隔着进行。每相邻两根结束后，要在其中间插入一根桩，这就要求较高的施工精度，而且钻孔机钻头需有切割刀具，对机械的扭矩要求也高，非一般的机械所能达到。国外已很普遍采用钻孔灌注排桩围护这类结构，实质上这种型式已属柱列式地下连续墙范畴了。1．4．4地下连续墙地下连续墙的种类较多，按成槽工艺，大致可分为抓斗式、冲击式和回转式。但广义而言，前所述排桩式挡墙亦属地下连续墙。在后面将要介绍的SMW工法加劲水泥土挡墙，则是另一种新颖的地下连续墙。地下连续墙按其用途可分为：④临时性挡土墙：②兼作主体结构用的挡土墙。地下连续墙按其工艺特点在成槽时是否使用泥浆护壁，又可分为有泥浆护壁的和无泥浆护壁的地下连续墙。开挖过程中随着深度的增加。一般要施作围檩和支撑，使得由基坑外侧水、土及地面荷载所产生的对竖向围护构件的水平作用力通过围檩传给支撑。围檩的设置使原来各自独立的竖向围护构件形成～个闭合的连续的抵抗水平力的整体，其刚度对围护结构的整体刚度影响很大。支撑是直接承受水平力的构件，不仅要满足强度要求，更要考虑刚度，当支撑跨越空间较大时应设置支撑的立柱或支托，以缩短水平支撑的跨度和受压杆件的计算长度。连续墙适用深度较大，国外已有深达150m墙壁厚达3．2m的实例。地下连续墙具有下列特点：(1)地下连续墙可采用一字形，T字形等槽段。以适应不同形状的地下建构筑物，包括圆形、方形、条形及各种异形的建构筑物的需要。(2)地下连续墙施工无噪音、无震动，对邻近的场地和建构筑物影响甚微，适宜在市区内建筑物和人群密集，车流多及管线多的地段施工。(3)地下连续墙旌工，由于是单一槽段工艺程序的重复作业，易于为操作人员所掌握， 同济大学硕士学位论文熟练和提高。(4)如旌工管理得当，可实现块速施工，缩短工期、降低成本。(5)地下连续墙适用范围较广，它具有防渗、截水、承重、挡土、抗滑等各种功能，既可用作临时施工措施，又可作为永久性结构。既可独立受力，也可与后浇的混凝上结构共同受力，故适用范围较广，除应用于高层建筑基础工程领域外，可用于地下铁道、地下停车场、船坞、港口驳岸、桥梁、水坝、地下油罐、竖井、深路堑和深开挖边坡的挡土墙等。但其缺点是泥浆排放大，环境污染严重，特别是城市中施工。此外，其成本一般也大于钻孔灌注排桩基坑围护体系。1-4．5加劲水泥土搅拌桩(S娜工法)围护加劲水泥土搅拌桩，在我国又称SMW工法地下连续墙。施工方法是先进行水泥搅拌桩施工，然后再插入型钢，前者作用是止水土，而后者是加强墙体以承受水土等侧压力，即起“加劲”作用。它早在1976年于日本研究开发成功。所谓SMW，是英文SoilMixingWall的缩写，意即“与土搅拌而成的墙体”。据史佩栋在1994年6月赴日考察后报道，日本在各类建(构)筑物深基坑工程、土体加固和防渗截水等工程中应用SMW工法地下连续墙，至1993年7月已达1216万In2，约合800万m3，约占全日本用各种工法施工地下连续墙实绩的50％左右；其施工最大深度巳达65m。20余年来，除日本外，该法己在美、法等国和新加坡、泰国等东南亚国家，以及我国香港、台湾地区广泛应用。我国对SMWI法的研究和应用始于20世纪80年代后期。1988年原冶金工业部建筑研究设计总院立题研究，并于1994年通过建没部技术鉴定。其所用加劲材料(或称芯材)，除国外常用的H型钢外，还根据国情研制了钢筋笼和轻型角钢组合骨架等，适用于开挖深度为6～lOm的基坑。与此同时，同济大学同建设计研究院等亦开始研究SMW工法，并于1993年应用于上海环球世界大厦开挖深度为8．65m的基坑工程，这是我国采用SMW工法的第一项工程。该工程用于加劲的型钢未拔出回收。上海隧道工程公司自1994年起对H型钢一水泥土复合结构进行了较系统的试验研究，并于1997年初将其研究成果首例应用于上海申海大厦。该课题于1997年通过上海市科委技术鉴定。上海隧道工程公司和同济大学及江阴建筑总公司机械旌工公司等单位合作，在上述课题中着重对H型钢的回收起拨技术(包括其减摩隔离材料及起拔机械)作了重点 l司济大学硕：}=学位论文攻关，获得成功，从而为降低SMW工法地下墙的造价开辟了途径。为适应工程需要，1996—1997年，武汉、上海二地先后引进了日本的三轴专用搅拌机数台。1998年，上海隧道工程公司等单位合作研制SIB．42／30×4型四轴搅拌机，获得成功。中国土木工程学会第七届土力学及基础工程学术会议(1994年10月，西安)的综合报告(四)对SMW工法在技术经济上的优越性作了较高的评价，认为此法在我国将有广阔的应用前景。表1．1是软上地区SMW工法地下墙与常规的地下墙、钻孔灌注排桩及拉森钢板桩四种围护结构的综合比较。据上海经验，SMW工法地下墙的造价约为钻孔灌注排桩的80％，为常规地下墙的60％。表1．1四种基坑围护结构比较经济开费抗瞎理场要设泥糌蜥刚拽械类型拄深取土支黻挖土结论度用漏求备理工喊度麴度∞黼大于复—_下撒高好高严格要慢柏道_收—般qm不透10-15杂般———_——觥6_10差—般要—般}3道—般威熟安鲤搓蝴般简鲫工法蚴低好低无快大1-2道方便威热安垒台适单拉森确高差钍越F倚瞒黼对钢臌撇茧无快小州遭难威热周边瞅1．4．6土层描杆、喷锚网、土钉墙围护土层描杆、喷锚网、土钉墙，它们的一端与围护墙体、喷射墙体等结构墙体联结，另一端锚固在土层中，用以承受基坑侧边土对结构墙体产生的推力，以维护结构物及所支护土层的稳定。土层锚杆是围护墙体(地下墙、钢筋混凝土板桩、钻孔排桩等)施工结束后，在开挖过程中，按设计工况要求敷设的一种锚杆支护体系，它起着改善围护体受力，增大围护体刚度，同围护体共同承受夕}来荷载，控制围护体变形，维护基坑整体稳定的作用。 I司济大学硕士学位论文喷锚网是由喷射混凝土、钢筋网片和锚杆三位一体构成的结构体。它是根据设计工况要求，先开挖某一深度，土体形成悬臂(满足稳定要求)，施工一层锚杆，铺设钢筋网片，形成喷射混凝土，达到设计强度，进行预应力张拉。构成三位一体，然后重复上述工序，逐层开挖，逐层支护，尽可能利用基坑壁土体的力学性能，使之形成支护结构的一部分，满足基坑整体稳定的要求。土钉墙与喷锚网支护法在施工工艺上有相似之处。土钉与喷网相结合，但锚钉与锚杆的构造与机理，及使用条件均有不同，锚钉一般较短，较密，形成一种新的稳定体，即土钉墙体。由于土钉墙施工简便、造价低廉，已在北方和南方不少城市中得到应用。目前认为在软土地区采用土钉嫱时，应按开挖深度的大小分别采取竖向增强体的技术措旌，以使地基承载力得到满足，并且在软土地区当基坑开挖深度大于6．Om时，不宜采用土钉墙。1．5基坑围护工程实例1．5．I上海虹桥开发区太阳广场大厦一基坑水泥搅拌桩围护f11工程慨况太阳广场大厦东邻上海磁带厂主车间，最近处相距仅7．5m；北临仙霞路；西靠娄山关路，路面下均埋设有大口径(由1．5m)上水管、雨水管、污水管和煤气管，以及电力、电信电缆等重要公用设施。这些管线设旌对基坑开挖可能产生的位移和沉降十分敏感。大厦基坑开挖面积8700m2，深3．4～6．7m，曾是上海，也是我国在90年代初开挖面积最大的基坑，其单边最大长度为124m，周边长为413m。(2)地质条件该工程地质条件如1．2表。表1．2太阳广场大厦地基土物理力学性质指标重度含水量粘聚力内摩擦角序号土层名称厚度(m)(kN／m3)w(呦(kPa)中(6)1褐黄色粉质粘土1．2018．837．81912．12淤泥质粉质粘土3．7613。043．3811．43淤泥质粘土10．7417．347．51084粉质粘土9．7918．234．91013 同济大学硕士学位论文f31挡墙设计为确保基坑开挖期间邻近建筑物、道路和地下设施的安全，并减少基坑开挖时地下水渗流对旅工的影响，该工程经方案比较确定采用水泥搅拌桩作为侧向支护结构。对不同开挖深度(3．4～6．7m)采用了不同的格栅状挡墙断面，墙宽分别有3．9m，4．2m，4．7m，5．2m，5，7m和6．2m共6种，桩长分别有10m、12m和15m三种。设计选用425号硅酸盐水泥，水泥掺入比(12～15)％，室内试验水泥士无侧限抗压强度要求达1000kPa。采用1200mmX700mm的双头搅拌桩。支护墙顶部浇筑O．2m厚的混凝土(内含钢筋网)路面板，路面板与搅拌桩闻插巾12钢筋连接。路面板可使格栅型搅拌桩起整体作用，增加刚度，减少位移，又能在施工时跑运输机械。(4)施工方法采用SJB．30型深层搅拌机，桩与桩的搭接长度不小于200mm。相互搭接的两根搅拌桩施工间歇时间不大于1011，如因特殊原因超过上述时间，应对最后～根桩先进行空钻留出榫头，以待下一批桩搭接。如间歇时间太长，与下一根桩无法搭接时，经设计和建设单位认可后，采取局部补桩或注浆措施。(5)基坑开挖监测在基坑开挖全过程曾对挡墙的位移、沉降及土压力和孔隙水压力的变化进行了监测。图1．5为不同时间沿挡墙顶面各测点的位移曲线。至开挖结束时，各边的最大位移点大致发生在中间部位。最大位移182mm。位移量与下列因素有关：①边长，亦即挡墙受力跨度；②断面形状：③开挖深度；其中以边长为主要因素。从开始开挖至结束，墙体未发生错动或开裂，结构稳定。随着开挖进展，挡墙顶的沉降量增加，但变化平稳。最大沉降发生在基坑边长的中部，为64mm。图1．5太阳广场大厦基坑挡墙顶面实测位移曲线(测试1990年) 同济大学硕士学位论文土压力观测结果表明，基坑开挖前土压力近似呈直线分布，静止土压力系数k0=o．662；随着基坑开挖，主动土／玉JJ实测值与计算值较接近。被动土压力实测值在上部与计算值接近，在下部则比计算值小，这是由于墙体变形上部校大，下部较小之故。求得被动土压力系数为0．72。孔隙水压力仪埋设在挡墙壁后方。观测表明，在基坑开挖过程中孔压变化甚小，且与静水压力相近。这说明基坑开挖并未引起档墙后方地下水流失，搅拌桩支护结构具有良好的隔水防渗能力。f们方案实施效果本例基坑开挖时，坑底始终是干燥的，挡墙是稳定的，这说明了水泥搅拌桩的隔水性能良好，可允许坑内外存在水位差；整个支护结构设计是成功豹。1．5．2上海电视塔一深基坑半放坡半钢板桩围护(1)工程概况上海电视塔位于上海浦东陆家嘴地区原浦东公园地块。其基础平面呈Y形，埋深12．5m。地下室顶板有悬臂3．2～8m的梁板结构层。鉴于其挖深较大，工期较紧，而基坑四周施工环境较有利，场地宽敞等因素，并考虑到送桩深度达12m而难以保证精度，以及地下室顶板四周是悬臂梁板结构的特点(如图所示)，确定采用“三级支护，二级降水”的半放坡开挖，半钢板桩支护的方案。所谓“三级支护，二级降水堤指①先在地面设置第一级轻型井点，然后进行第一阶段挖土，向下以l：1．5放坡大开挖5．3m，并采用钢丝网细石混凝土护坡，此为第一级支护；②在一5．3m处进行工程桩和支护钢板桩打设，沿坡脚布置第二级轻型井点，并铺设7m宽的施工便道；③按先撑后挖原则，进行钢板桩支护部分土方开挖，即第=级支护；④对挖深达--20．Om的电梯井采用全封闭钢板桩围护，基图1．6地下室顶板悬臂结构底注浆加固，设置四道围檩拱形支承，为第三级支护，如图1．7。 同济大学硕士学位论文飞茂／／第一擐支护护坡钢筋厣混凝土”瓠‘吨x7㈨。。毽＼1⋯黼。&蚁⋯⋯隔5,30-550厂|笋蝴神／＼l捧水沟7U支柱Ⅻ米厚道渣j必}l／贮--醐神第二缓井点管挡土墙一一～l-1250{I／第二自1支护铜板桩川＼7【I霎蓥嚣蒜j锕撮桩、7{i、工程蛀洼莱加固萨图1．7基坑剖面(2)开挖旌工过程中几个细节的处理围檩与钢板桩之间用素混凝土填实，使钢板桩墙体受力均匀，符合设计计算模式：立柱与支撑节点用抱箍连接，以增强支撑稳定：每一层围檩连成整体，以保诞其整体性和相互平衡；坡面采用钢丝网细石混凝土护坡，坡顶及坡脚设砖砌排水沟，以防雨水等对土坡稳定产生危害；第二级采用拉森v钢板桩，第一道支撑采用300X300和350X350H型钢，第二道支撑采用400X400H型钢和母500钢管，挖土对遵循先撑后挖原则，开槽布撑，支撑施加预应力：第三级支护采用全封闭拉森IⅡ钢板桩，顶端制作一道400X600mm钢筋混凝土锁口梁，然后每挖2m左右设一道2[18围檩，坑底注浆加固。(3)施工监测结果本工程对钢板桩的变形、位移、立柱沉降、土体位移和沉降、钢支撑变形、内力、基底隆起等进行了监测，其结果如下：边坡位移不大于50mm，但坡面沉降在10mm以上，土体沉降量较大。地面裂缝较多，最宽达10mm；钢板桩顶部位移不大于50mm，但下部位移局部达40mm，表明支护变形较大。由于钢板桩在坑底处向坑内位移较大，因而使垫层鼓起、开裂，而基底土体并未隆起。通过加强垫层，消除了垫层隆起现象。上海电视塔工程基坑采用半放坡开挖、半钢板桩支护的方案，证明了具有施工方 J司济大学硕士学位论文便，工期较短，基坑稳定及节省费用等特点。同时，从旌工变形监测结果看，其变形较大，这在不危及基坑安全的基础上，在施工环境较好的地区可以不予重视；但在周围建筑物及地下管线较密集地区，采用此种支护形式时，对其较大的变形量必须加以考虑，因为此时基坑开挖本身安全已非考虑的唯一因素，而变形对周围环境的影响可能占更重要的位置，故必须采用其它刚度较大的支护体来满足对变形控制的要求【16】。1．5．3上海富豪大厦一基坑钻孔排桩围护(1)工程概况富豪大厦位于上海浦东南路浦电路口，占地面积约2100m2，主楼24层，裙房3层，主楼与裙房下有两层连体地下室，采用桩基础。基坑开挖深7．8m，地下室外墙离红线，靠浦东南路、浦电路及北侧均为7m；东侧结构墙外缘离红线为5m，最近处仅3．5m。浦东南路为主要交通要道，各种地下管线较多，对控制沉降位移要求较高。东侧红线边缘为部分民房，非常简陋，稍有不慎就会带来险情，环境较复杂。该地地质状况，一层为杂填土，二层为褐黄色淤泥质粘土，三层为灰色淤泥质粉质粘土夹砂质粉土，四层为灰色粘上，五层为砂质粘上。地下水静止水位在一O．8～1．0m之间，基坑开挖底面在3～4层土中。各土层物理力学性质指标如表1．3所示。表1．3土层物理力学性质表重度层底标层底埋y(1c含水量摩擦角内聚力层序土层名称层厚㈤数值类别高(m)深(m)NtmJw("句巾(。)e(kea)13．32～1．30～l30～(1)杂填土1．95l|601．60最大值18．O40．117．512褐黄色淤泥I．Ol～2．50～I，00～0)算术平均值18．039．716310质粉质粘土0872．70I．40最小值17．939．41508灰色淤泥质最大值18．347．516010一472～8．30～5．60～(3)粉质粘土算术平均值17．942．413．69一4．嬲8．505∞夹砂质粘土最小值17，536．310。89最大值17456．7810灰色淤泥--9．85～134～5．00～(4)_l算术平均值17．15208410质粘土一9．9812．65．20最小值16，849．48．09 同济大学硕士学位论文虽大值17946l1285～16．5～310～(4)-2灰色粘土算术平均值177532一13．9816731014．08最小值17．5408最大值18742212．0ll1925～228～630～(5)灰色粘土算术平均值18．138．910，O1119．3823．0630最小值17．535．58010(2)基坑基坑围护方案选择根据该工程的开挖深度、地质条件及周围环境，并考虑工期和经济效益，经多方案论证比较，确定采用900mm钻孔排桩为主要受力墙体，水泥土搅拌桩止水。地面下1．7m处(支撑轴线标高)设置一道1000mmX800mm钢筋混凝土支撵，并采用控制墙体位移变形较好的井字型支撑，支撑最大间距为15m，设置左右对称的两个空问，以利于开挖。参见平、剖面图1．8、1．9。搅拌桩浦东南路图1．8平面图 同济大学硕士学位论文图1．9剖面图由于只有一道支撑，支撑到开挖面的距离较大(6．1m)。为减小墙体变形需增强墙体刚度，故采用900mm直径的钻孔排桩，桩间距1000mm，入土深17ra，桩端进入土质较好的第五层土，外侧双幅水泥土搅拌桩止水，入土深12m。为满足止水和防止管涌要求，在基坑开挖面以下4m，搅拌桩与排桩之间进行高压旋喷注浆，孔距lm，长约30m。如只就7．8m开挖深度考虑，一道支撑应布置在地面下2．5m处最合适，但因在一3．5m标高(即地面下2．3m)处为楼板，无法布置支撑，只能将支撑抬高到楼板上部，即地面下1．7m处，满足了基坑开挖及楼板施工要求，但增大了支撑与坑底之间的距离，增大了风险性。(3)施工过程中的围护支撑情况本基坑开挖分四个阶段，第一阶段：开挖至地面下2．1m处布设支撑：第二阶段：开挖至坑底，迅速浇注素混凝土垫层及钢筋混凝土垫层，第三阶段：完成地下二层楼板施工，拆除支撑；第四阶段：完成地下一层楼板施工。在整个基坑开挖过程中，观察到的围护墙体变形及支撑轴力基本与设计相吻合。在完成第一阶段施工，进行第二阶段开挖过程中，曾出现一些险情。由于开挖阶段正值雨季，并且首先在最危险的东南角开挖到底，一连几天的大暴雨，无法继续开挖来完成素混凝土垫层浇注。这样开挖至一半的基坑长时间暴露，影响其受力性能，而且此处有两根排桩施工质量较差，出现凸肚，垂直度达不到要求，影响到后排高压旋喷桩的止水效果，局部出现渗水，后流砂，造成局部地面沉降，部分围护墙开裂。经及时采取双液注浆加固，堵住了流砂，阻止了更大的险情发生。为保证基坑后续开挖过程万无一失，采取了先两端开挖到底完成素混凝土垫层施工，形成支撑力再在中间开挖，使围护墙体逐步受力，保证墙体与支撑的安全。从实施情况看，达到了理想效果，支撑与开挖面处大跨度的墙体没有出现突变，内力控制 同济大学硕士学位论文在计算范围内，从而保证了周围道路和地下管线的安全。1．5。4上海莱福士广场一基坑地下连续墙围护(1)工程概况上海莱福士广场位于黄浦区中心地带，基地南北方向长150m，东西向宽约100m。拟建建筑物地上塔楼46层，裙房8层，地下3层，基础承台埋深13．9m，裙房基坑挖探14．1m，塔楼部分挖深16．8m。塔楼上部采用框筒结构，裙房为框架结构，地下结构为桩一箱基础。工程桩为钻孔灌注桩，裙房区桩长36．6m，塔楼区桩长56m，主楼底板厚4．0m，裙房底板厚2．0m。根据工程地质条件、基础埋深和环境保护要求，基坑围护结构采用28m深、O．8m厚的地下连续墙，围护结构和地下室外墙合一。采用三道钢筋混凝土内支撑，每道支撑杆件截面尺寸有400ramX1000ram、800ram×1000ram、1000mmX1000mm、1200mmX1000mm、1500mmX1000mm五种，围檩截面尺寸1000mmX1500mm，支撑中心相对标高分别为一2．10m、--7．50m和一11．10m(室内标高0．00m，自然地坪一O．6m)。在挖深16．8m部分进行了基底以下0．6m宽7．0m深的压密注浆加固处理。该施工场地为典型的软土地基，且位于上海市区繁华地段。四周均为交通干道，施工场地狭窄，周围环境极为复杂，地下管线繁多。北面的沐恩堂又为上海市二级文物保护建筑，与菜福士广场基坑边缘的最近距离约16m。在云南路对面另有一基坑施工，开挖深度约为10．0m，在菜福士广场基坑开挖时，该基坑已封底。(2)施工与监测在基坑施工过程中，从1997年8月中旬开始对基坑围护结构、支撑、立柱、基坑外地下水位、土压力和周围环境进行了较为详尽的监测工作，主要监测成果如下：围护结构最大侧向位移72．29mm(向坑内)；最大垂直位移11．6mm(沉降)：立柱最大沉降20．2mm；支撑最大轴力约为；第一道8400kN，第二道9300kN，第三道9700kN；基坑外侧土压力均小于初始值(视为静止±压力)。在沐恩堂房屋上共设置了22个沉降观测点，截止12月28日共计观测121次，观测结果表明，沐恩堂东南角附屋南墙在莱福士基坑开挖至基底时近基坑一侧的平均沉降仅18．5mm，主体结构完好。上海房屋质量检测站的检测报告认为，从沉降观测曲线的变化趋势分析，沫恩堂的沉降已趋于稳定。(3)工程特点本工程围护结构和地下室外墙两墙合一，且吊车直接安装于支撑上作业、走道板铺设于支撑及围檩上形成车行和入行道路、支撑两边加设栏杆供人员通行等。由此可 同济大学硕士学位论文见它并不只是简单的基坑围护结构，而是一个可为施工服务的复杂的结构体系，已成为施工技术方案设计中的一个重要组成部分。随着施工技术的改进和提高，刚性防水的地下连续墙接头基本解决了地下室的渗漏水问题，加之施工排水技术的改进，使地下连续墙既作为基坑围护结构又可作为地下室外墙成为现实。但此种结构型式对围护结构的位移有严格限制，根据国内外工程经验和结构计算要求，本工程要求地下连续墙最大侧向位移不超过7．5era。截止1997年12月25日(底板浇捣完毕)围护结构最大侧向位移为7．23cm，产生于云南路基坑底部未加固的部分(x6点)。基坑围护结构其余部分的最大侧向位移均在4．42cm(X9点)至7．07cm(x3点)范围内，算术平均值为6．34em。最大位移所处深度均在基坑开挖面以上约O．6m处，均处于底板厚度范围内。此时地下墙墙顶水平位移在O．2em(XlO点)至O．8m(x7点)之间，坚向位移在一1．4mm(X3点，隆起)至11．6mm(X6点，沉降)之间，其算术平均僵为5．3mm。如此精确的位移控制得益于精心的结构设计和成熟的施工技术措旋。在围护结构设计中充分发挥了结构的强度与刚度，仅在深基坑区进行基底加固处理；在施工中充分考虑基坑“时空效应”的影响，控制开挖顺序和时间、支撑和垫层浇捣时间，保证了整个围护结构的位移比较均匀并满足设计要求。．图1．10为地下连续墙部分测点的最大侧向位移发展趋势图。可见，围护结构最大侧向位移已基本趋于稳定。o：o渣蝤匠蘑K堪0204060801001己014¨1997年8月13日时闻(天)1997年2月25日图1．10围护结构最大侧向位移发展趋势I．5．5上海环球世界大厦一国内首例采用SMW工法(1)工程概况上海环球世界大厦位于市中心静安寺愚园路万航渡路口，占地面积3971m2，建筑 l司济大学硕士学位论文面积4．5万rn2，主楼地上33层，高119m．地下2层．基坑面积3000m2，开挖深8．65m，局部11．0m。在开挖深度范围内，地层主要为淤泥质粉质粘土。(2)基坑围护与支撑本工程场地狭小，周围环境复杂，工期紧，经多方案比较，最后选定基坑围护采用3排巾700mm水泥上搅拌桩，布置如图1．11所示，其中在临开挖面互相搭接的两排桩中采用SMW工法，间隔插人H型钢，从而形成加劲水泥土桩。搅拌桩的水泥掺入比为土重的14％。nnnT§lo!堕o!坠■型，幽!+图1．11加劲土水泥搅拌桩的布置搅拌桩中H型钢高800mm，翼缘宽400mm，翼缘和腹板均厚10mm。H型钢的中心距为1200mm，长13．6m，插人基坑底面以下5m。内支撑采用一道600mm×600mm钢筋混凝土支撑，设在坑顶下3．5m处。坑底3m深、距坑壁6m宽范围内注水泥浆加固。设计要求土压力均由H型钢承担，水泥上的作用主要是防渗止水，并保持H型钢稳定。(3)施工技术要点①由于本工程H型钢属薄腹薄翼型，且系自制，因此制作时采取贴角满焊，并保证整体平整；吊装时不得发生扭曲变形；插入时必须准确定位，并严格垂直：(萤搅拌桩施工后必须养护45d以上方可进行基坑开挖：③在开挖过程中必须先设支撑后开挖；并不得超挖。(4)效果施工过程中对墙体及周围环境作全面的监测，其中周围环境监测共24点，在围护结构顶部沉降和位移监测点共20点，另对H型钢在深层搅拌桩中的应力变化进行测试，选择了1组共36点。从实测数据看，这次SMW工法的实施，基本上达到了设计要耍一6}『[II l司济大学硕士学位论文求：墙顶的水平位移控制在3cm以内，绝大多数在l～2cm，周围的沉降，亦基本控制在3cm以内。开挖后的基坑基本处于无水状态。H型钢主要承受水、土压力对挡墙形成的弯矩，根据测试得到的结果，反算弯矩值，其晟大弯矩为590kN·111，为设计弯矩的80％左右。表1．4为上海地区近年应用SMW工法的其他一些工程实例。表1．4围护基坑水泥土型钢复合挡土墒水泥工程名称基坑尺寸开挖施工日掺入备注深度墙厚墙深H型钢期量(m)(呻(m)("钟航头顶管工作H500X2001995—H型钢16×71031．21817井】隔1捧列12全部回收滨江顶管工作H500×2001996—H型钢重2士lO11．71．21817复使用并井1隔1捧列08全部回收中海大厦地下H500X3001997一H型钢358X3071．21417车库l隔1捧列们～02全部回收H500×300静安寺地铁车I隅l排列1998—H型钢重432×161581．214(基坑6m下15复使用井站牵引变电站02有地下连续全部回收墙1西藏北路～和长146宽最深16|7～H500×200】998—H型钢参524--I．215与结构受田路劈通工程819．1I隔l排列08～102矗7m力不回收地铁二号线排16H500×2008～1隔1排列1998一H型钢将6水箱涵围护工192×271．2181511．5H400×20009～12回收程201隅1排列0．6。H500×3001998一H型钢将7盾构工作井13×8．511．5一条边19．51隔1捧列10～1120回收为1．0地铁二号线陆H500×200部分H型8家嘴站5号出5l7×连续与1998—钢参与结ll51．22l16构受力．10，5l隔l排列12～入口工程其余将回收 同济大学硕士学位论文上海交通轨道H型钢重9明珠线长宁车86．5×8H500×2001998—2545．961．215复使用并站基坑围护lO1隔1排列11～12全部回收上海同仁路地H500×2001998一型钢全部1055×8．59．5I．215．515铁出入口@100010回收由表可知，近年上海除了将SMW工法应用于高层建筑(申海大厦、东方明珠二期等1的深基坑外，还较多地应用于地铁出入口、轨道交通出入口、顶管和盾构的工作井等f16]。1．5．6深圳大世界商城一锚喷支护(1)工程概况深圳市大世界商城位于罗湖区解放路南侧，属旧城改造区，该建筑基坑深llm，直立边壁，平面大致呈四方形，见图1．12平面布置图。基坑北侧紧靠解放大道，处在繁华商业地段，商铺林立，车流和人流拥挤不堪；墓坑东侧紧邻在建的鸿基大厦，该大厦基坑深约13m，人工挖孔桩加锚杆护壁，已开挖到底，地下室还未做：基坑西侧北端15m段紧邻另一在建基坑，坑深约6m，钻孔灌注桩护壁，地下室也未做；基坑西侧和南侧紧靠密集居民住宅区，多为2～3层建筑。基坑护壁施工开始后，又发现在基坑西、南两侧各有一条污水排泄道，在西南角处交汇后往西南方向流出，埋深0．6～1．2m左右，距基坑边缘最近只有lm左右，大都在2m左右，由于年久失修，渗漏水严重。该基坑护壁旌工工期要求75天。(2)场区地质条件①杂填士厚，O～O．6m。②腐植表土层：灰黑色、棕褐色，有机质土，湿，可塑，含有机质，厚度O～1．2m。③冲洪积层：自上而下又分为：a花斑色、紫红色含砾粉质粘土：湿、可塑状，局部相交为砂混粘性土，分布、厚度稳定，厚度2．0～3．5m,b含粘土质砾砂：黄色、黄灰色，湿，稍密一松散状，分布稳定，厚度1．0～2．5m；c粗砂砾砂层：黄色、灰黄色，湿，稍密一松散状，分布稳定，厚1．2～2．5m；d砾卵石混粗中砂：黄色、黄灰色，饱水，稍～中密，砾卵石成分为石英、砂岩，占30％～60％，厚1_2—2．5m。④残积层(矿)：为混合岩风化残积土，褐黄色、绿灰色，局部夹花岗岩风化土， 同济大学硕士学位论文上部可塑，大部分硬塑，土质结构均匀，基岩结构清晰可辨，稍湿，分布、厚度稳定，顶面埋深7．8—9．5m，底面埋深25．6～35．6m，厚度一般20多米。场区地下水丰富，砂砾石层是主要含水层，透水性强。因旧房拆除，地下水管被破坏，自来水流出渗入地下，。地下水位不准确，已有钻孔的稳定水位埋深0．8～2．4m，真实水位一般为2．0—3．Om。根据标贯和土层岩性结构特点，参照经验值，提供表1．5所示土层指标。表1．5土层物理力学指标土层名称承载力标准fk(1(Pa)凝聚力c(】心a)内摩擦角巾(。)含砾粉质粘土1802515含粘±质砂18015中粗砂180030砾卵石层220残积层2202520(3)喷锚网支护参数设计根据该基坑场区初步钻探地质资料，周边环境，基坑深度等，经分析计算和工程类比，作出基坑边壁喷锚网支护设计方案，支护参数分三类：I类支护；基坑北壁，见图1．13；II类支护：西壁(除去北端15m段)，南壁，东南壁30m段，见图1．H；ⅡI类支护；东壁，西壁北端15m段，见图1．15。解放大道图1．12平面布置图 同济大学硕士学位论文图1．13I类支护图图1．14II类支护图 同济大学硕士学位论文图1．15Ⅲ类支护图锚杆主体用ep28或．25螺纹钢加工而成，用钢片或巾8钢筋做成中位架，使锚杆位于砂浆柱中央，沿锚杆长度方向每隔1．5～2．0m设置一个中位架。浆液材料为#425硅酸盐水泥、干净中砂和自来水，水泥与砂的重量配合比为1：1，水灰比为0．4，用三乙醇胺和食盐作添加剂，注浆压力600kPa。喷射混凝土材料为#425硅酸盐水泥、中砂和小青碎石，重量配合比为1：2：2，强度等级C20。不同±层中锚杆拉拔试验表明，锚秆单位长度(tm)的拉拔力在20～40kN左右。对本基坑设计取30kN。地面附加荷载，北侧取30kN／m2，其余取20kN／ms。运用库仑土压力理论，计算安全系数1．63，满足临时支护安全系数>1．5的要求。(4)施工过程中几个问题的处理①当施：IZN第四排锚杆也就是进入含粘土质砾砂层时(此时大约在4m左右)，由于土质松散，又富含水，边壁～开挖就坍塌，基本无自稳可能，无法施工，而且危及邻近道路和居民住宅的安全。经采用超前锚杆技术，即开挖前先顺边壁近乎垂直往下打入一排锚杆，锚杆用中28或巾25粗螺纹钢，也可用钢管等，长2．0～2．5m，间距20～30era，上部与已做好的网筋焊接牢固。超前锚杆做好后再开挖就不出现坍塌。该基坑的北侧、西侧和南侧共计约250m长范围的第4排至第六排共三排4m多深，都采用了超前镪杆，效果很好，顺利地通过了含粘土质砾砂层和粗砂砾砂层。②当进行第三排锚杆施工时，基坑西、南角两侧各30m段边壁渗漏水严重，预留的排水孔水流如注，不宜再往下开挖。经查找原因，发现是由于该两侧紧靠边壁有污水泄流道因年久失修严重渗漏造成的。这一情况在作支护参数设计时甲方没有提供资 I司济大学硕士学位论文料而未及考虑。把这一不利因素考虑进去经分析验算，原设计支护参数强度不足，有必要作加强支护。经甲方同意，在此段第2、3排锚杆之间增加40根16m长的锚杆，弥补了因渗漏水被减弱的锚固力。③原设计方案中锚杆的锁紧装置用的井字架，即用由28螺纹钢筋，截成25～30em长，成井字形焊牢到锚杆尾部，并与压在它下面的钢筋焊接上。但实际施工中发现，土层中的含水量相当丰富，比资料提供的要多，这使侧压力比原设计的明显增大。为了增强边壁整体稳定性，对上部四排锚杆的锁紧装置作了加强。具体做法是同一排锚杆再用两根由28螺纹钢筋连接起来形成腰带梁，在锚杆尾部用电焊焊牢，并用喷射混凝士覆盖f161。 同济大学硬士学位论文2锁口钢管桩应用现状、发展动态2．1锁口钢管桩在国外的应用日本是研究应用锁口钢管桩时间早、应用领域广、机械配套综合程度高的国家。上世纪60年代以后，日本发展的锁口管柱围堰是将钢管桩联锁成为一个整体，可建成任何形状。若将它作为永久基础使用，则称钢管板柱井筒基础。1978年开始建造的大和川斜拉桥，水中三个主墩采用了锁口钢管柱围成直径30—33m井筒基础，入土深达40—50m。日本将锁口钢管桩用于桥梁基础的工程实例还有很多，如1985年施工的大黑大桥，围堰平面尺寸为24．6m×17．4m，桩长65m；1986年施工的生月大桥，平面为圆形巾25．2m；1996年施工的美原大桥，平面尺寸为62．3mX36．2m，桩长66．0m；2000年施工的古宇利大桥，为由15．3m圆形，桩长80．5m，入土达66．5m；1999年10月至2002年7月旖工的千叶县利根川太桥，共8个墩，除2个墩用钢管桩基础外，其余6个墩均采用锁口钢管桩基础，钢管直径巾1．Owl．2m，桩长40m，共用钢材9500t““⋯。2．1．1锁口钢管桩用于桥梁基础施工锁口管桩围堰基础是一种深水基础型式，其构造及锁口形式见图2．1。它的承载力大，又有锁口钢管桩作保护，安全可靠，施工简单，是一种较好的基础形式。其原理是先在要修建的基础周围打入大型锁口钢管桩，形成一个围堰，再以砂浆将锁口处封闭，然后在围堰内挖除土壤，到一定深度后再灌注水下混凝士进行封底，在围堰中抽水后即可灌筑承台及墩身混凝士，直到水面以上。在围堰内回灌水以后，用水下切割枫将承台以上的锁口钢管桩切除㈣。表2．1～表2．4列出了锁口钢管桩围堰在日本的施工实例，而图2．2是四座大桥的施工照片。 同济大学硕士学位论文钢管钢管L形钢斛鼹淌／／}『∥f|／／|}P—P型表2．1以平面形状划分的施工实例P—T型L_P型图2．1桥梁名称业主施工年度形状平面尺寸(Tn)桩长(m)帷子川桥横滨市1988矩形56．3×27．351．O承尿襁联络轿东京都1994圆端形53．6×36．741．6美原大桥北海道开发厅i996圆端形62-3×36．266，0表2．2以入土深度划分的施工实例平面尺寸入土深度桥梁名称业主施工年度形状桩长(m)(m)谷山临海第四港湾大桥建设局1991圆形12．7×12．778．965．9KJl52工区首都高速下部工事公路公团1997圆形7．4×7．478．575．5古宇利大桥冲绳县2000圆形15．3×15．380．566．5 同济大学硕士学位论文表2．3以岩石类型划分的施工实例平面尺寸桥梁名称业主施工年度形状桩长(m)岩石种类0n)首都高速大黑大桥1985矩形24．6×17．465．O淤泥、粉砂公路公团生月大桥长崎县1986圆形25．2×25．251．O淤泥、粉砂境港江岛第三港湾干线桥梁建设局1998圆形31．2×31．232．5玄武岩表2．4以与邻近物距离划分的施工实例平面尺寸距邻近物桥梁名称业主施工年度形状桩长(m)(m)荒川河口关东地方1990圆形17．6×17．651_O4．6桥(一般国建设局道357号)荒川横断桥(放射第东京都1997圆端形27．3×21．535．15．616号)常磐新线日本铁道1998圆端形17．8×10．352．52．2荒川桥梁建设公团美原大桥木曾川桥梁古宇利大桥新北九州空港连络桥图2．2日本部分桥梁锁口钢管桩围堰施工照片2．1．2锁口钢管桩用于其他工程领域日本还将锁口钢管桩用于其它工程领域，如道路拓宽、1日桥修复、铁路沿线工程、抗震加固、河道改造、防洪岸墙、码头、地下工程等。日本关东50万伏地下五层变电 同济大学硕士学位论文所、东京铁路桥梁修复、大阪铁路跨线桥、长椅航空港等及香港铁路车站、新加坡Jurong岛等广泛应用了锁口钢管桩技术啊1。2．1．2．1用于道路拓宽在道路拓宽工程中，从图2．3的新的锁口钢管桩施工方法与传统施工方法对比中很容易看出GIKEN墙的优点。新的锁口钢管桩施工方法传统施工方法图2．3道路拓宽中锁口铜管桩与传统施工方法的比较传统施工方法的缺点：(1)紧挨道路，干扰环境；(2)危及交通及周边(环境)事物；(3)费时的临时工称；(4)昂贵的临时工作平台；(5)保守的进场方法。新的锁口钢管桩施工方法的优点：(1)对环境影响最小最小的作业空间：施工环境的影响最小化；不干扰环境：无噪声、无震动的桩基施工保护了周边建筑也保护了社区；(2)对现有交通安全 同济大学硕士学位论文机械稳固：紧凑、轻型化的机械安全地夹持在先安装好的锚桩上；可靠的桩控制：液压保障的桩由无线电控制系统准确、灵活地操纵；(3)最短的持续时间一体化施工流程：墙体组成部分的直接安装使施工按简单流程进展；作业时间不受限制：既可在交通高峰也可在夜间施工；(4)总费用节约不影响交通：保持交通对当地经济是项难以度量的节约；无需临时工程：不需为临时设施做费时费钱的前期工程便可在斜坡上施工；(5)文化艺术品味高技术：综合化的专用机械保证了按现代化方法施工；高质量的成品：留下来的高质量墙体能衬托各种优美的作品[27]a2．1．2．2用于抗洪防洪在抗洪应急工程中，锁口钢管桩连成的墙(又称GIKEN墙)可用于洪水决口的应急封堵抢险，如图2．4所示。其快速、安全、无需作业平台的特长得以充分体现。图2．4GIKEN墙用于封堵洪水决口与典型的传统施工方法比较，GIKEN墙系统用于抗洪防潮时的优点可从图2．5所示中看到。 同济大学硬士学位论文其优点有：GIKEN墙施工方法传统方法图2．5用于抗洪防潮墙的新旧施工方法对比(1)系统化的压入式对环境影响最小。无噪音、无震动的打桩消除了对建筑结构的损害和对人的干扰；利用桩墙顶作工作平台，使对施工区域的影响最小化；无平台打桩维持了水流及客船正常通航。(2)墙单元的直接安装，使一步到位的施工方法成为可能。由于墙体单元直接安装，使GIKEN墙可通过一系列单个步骤建成，即使在旧护岸墙存在的情况下，新护岸墙也能在最短的时间内完成。在抗洪工程施工中，速度是最重要的因素之一。f3)无平台的GRB系统使得整个过程无需临时工程。无平台的ORB系统免除了昂贵的临时设施和辅助工作，这样可极大地节约时间和总费用，临时工程的取消的同时也避免了问题、减少了浪费。GIKEN墙既适用于沿岸也适用于近海的码头墙及护岸墙。现有的设旆可继续发挥功能，这是由于安全、简单、快速的压入过程无需考虑气候和潮汐的条件，如图2．6、2．7所示‘2刀。 同济大学硬士学位论文新抗洪墙施工河岸护墙修复图2．6新抗洪墙、河岸护墙修复施工、码头墙修复工程码头墙更新图2．7码头墙修复、更新施工2．1．2．3用于铁路沿线旌工在铁路沿线板桩施工期间Giken铁路安全方法由于没有发生坠物或机械翻倒事故的危险，不仅能使铁路运行不问断，还能安全地全天候正常作业，如图2．8所示Ⅲ3。 同济大学硕士学位论文图2．8GIKEN墙用于既有铁路旁施工在施工范围内，有可能发生物件坠落或设备翻倒事故，这主要是由于主施工系统本省造成的。也就是说由于施工系统本身的固有属性，总存在发生事故的潜在可能性。因担心这些事故，紧靠铁路的桩基施工只能在夜里最后一列火车驶过及第二天最早一列火车到来之前进行。因此真正的旌工时间非常有限，自然地作业花费的时间长了，项目的费用也增加了。为解决这个问题，应改变设备原理和施工方法，以消除事故发生的潜在因素。GIKEN墙控制反作用力来安装桩基，使施工绝对稳妥。在临近铁路、道路和建筑物利用这种稳固的系统可以安全地进行一天24小时作业，而不必受时间的限制，这可以使所有既关心施工又牵挂临近设施的人们完全安下心来乜”。2．I．2．4钢管桩用于承重基础在日本，象岸壁码头、防波堤、海港、桥台和桥墩之类结构基础，以及电力、工业上和水处理厂及大型储藏器之类特殊结构基础都使用了钢管桩。桩径一般在800mm--1500mm之间，只有少数桩径大于1500m；桩长大部分小于lOOm，但海上平台的桩稍长，在150m～200m之间；埋土深度，平台支撑桩最大，深达80～170m，其它类型桩埋入长度一般小于80m；打大直径桩时一般使用柴油锤或蒸汽锤，陆地施工常采用柴油锤，而海上施工常采用蒸汽锤。使用大、长钢管桩结构的重点工程实例有： 同济人学硕士学位论文(1)1967年在南方鹿儿岛建造的喜入油田终端海港。用了12个大直径钢管桩(2300m)，钢管厚度为26～34mm，桩长66m。每根桩重约lOSt，用MRB-2000型蒸汽锤将12根桩打入最后的持力层。(2)建予1981年的山口县Kosan桥，五个主桥墩采用了大直径、长钢管桩组成的群桩基础。桩直径为2500mm，管厚25～30mm，桩长40．5～47．5m，共84根。用一个安装在打桩驳船上的MRB-2000型桩锤打入。(3)由Nippon钢铁有限公司总承包建造和安装的一个海上平台，用MRB一3000型桩锤打入了4根直径为1422rm管厚32～38mm、桩长174m的钢管套桩旺“。上述这些用于永久性基础的钢管桩都是独立的，不用锁口相连，非本文主题，在此仅作简单介绍。2．1．3施工机械及静音桩机工作原理在施工机械研制方面，日本走在了前列。除了振动锤、蒸汽锤、柴油锤等传统的打击机械外，还研究出了革命性的静音桩机。1988年日本GIKEN公司首先研制成功了第一台专用于锁口钢管桩旋工的打桩机，该桩机利用已打入桩作反力支撑，利用液压原理将桩压入地基。无震动、无噪音，而且该桩机在已成桩上自行移动，因此，无需搭设临时工作平台或便道。在硬质地基中还配备了射水或桩内设螺旋钻机钻进等辅助措施，使入桩阻力大大减小，这种环保、无需临时设施可适用于狭窄空间的新技术是对传统施工方法的一场革命。2．1．3．1施工机械研究历史从上世纪60年代起，日本GIKEN公司基于研制对环境友善的施工机械和方法的指导思想，着手进行施工机械研究，并不断改进，其研究历程简要介绍如下：2002年6月日本推介下一代自动静音打桩机ECOl00型i2001年9月香港在香港铁路项目中GikenSeisakusho亚洲部荣获‘最安全分包商”奖；5月日本GRB系统荣获“环境奖”；2000年2月日本用于575～675m“z”型板桩的“ZPl00”型桩机完成；1997年8月日本配备螺旋钻进系统的挤压型桩机“SCl00”型完成；1996年9月日本完成用于“零空间”施工的“JZlOO”型桩机； 同济大学硕士学位论文1995年11月日本完成用于U400桩的超级自动桩机“SA75”和“SAl00”X型：5月日本完成用于欧洲标准u形桩的“UPl50”桩机；4月德国在慕尼黑795机械展览会上展出首台用于Z形桩的打桩机“ZPl50”型；1994年lO月英联邦开始与剑桥大学合作开展科学研究；1993年8月日本向公众推出“施工革命”概念；1991年10月日本开始销售用Ic卡自动控制驾驶的自动打桩机“AT90”和“ATl50”型；1990年11月日本生产出第一千台静音打桩机：1989年10月德国用于压入和拔出欧洲标准U形桩的“F3”型推向市场；1988年3月日本专用于压入和拔出锁口钢管桩的第一种型号管桩机完成；1987年10月日本工贸部授予“FT70”型“优秀设计”奖；7月日本“KGKC4”型获“机械工业设计”奖；1986年4月瑞典首台静音桩机出口国外一瑞典；1985年11月日本带有边角四边功能的“KGKl30C4”型推向市场；1983年4月德国在慕尼黑举行的“BAUMA。83”20世纪国际机械展览会上展出静音打桩机(以后每三年展出直到1995年)；1978年6月日本“KGK一100”型静音打桩机推向市场；1975年6月日本第一台静音打桩机完成；1967年1胃日本创立KochiGikell咨询所，开始土木工程业务，研究对环境友善的施工机械和方法。图2．9、图2．10所示即为GIKEN在不同时期研制的若干种施工机械示意图。挤压桩机“SCl00”型“零空间”桩机“JZl00”型“z”桩机“ZPl00”型图2．9 同济大学硕士学位论文钢管桩机“KGKl30C4”型桩机首台“静音桩机”图2．i02．1．3．2静音桩机的工作原理基于反作用力原理，从已安装好的桩上获得反作用力一这些已锚入地基的桩可以视作土体的一部分，利用液压将后续桩压入地下。静音桩机在反作用桩顶上工作，并且依靠夹住正在打入的桩自行移动，其原理如图2．1l所示。在实际过程中，静音桩机用液压爪抓住先打入的桩，后一根桩用液压夹头夹住并置于待压入点，由主液压夯锤产生的静荷载压入地基。压入时产生了包括表面摩阻、桩趾阻力和内锁口摩阻在内的阻力，但是静音桩机从反作用桩上获得表面摩阻、内锁口阻力等反作用力，且大于上拔力，因此压入力超过压入阻力。由液压精确控制桩到设计深度，桩机重复上述过程直到最后一根工程桩压入地基，详细步骤见图2．12。 同济大学硕士学位论文图2。11静音桩机的工作原理1、拄机来住1～科2，完成蛘瓣匿入至3、翦替机知、放雇4、将5妯l插入央头桩井压八螂蛙设定高度．捂开夹头兴头井转向5啦较正桩并升蚺压入5、压八i址直8、话开反五桩上的至菸足够稳嗣兜甜井键升主帆体图2．12静音桩机打桩详细步骤8，艘氍主机体§蛇一样反办硅上．井夹曩反力蛀以兜成诺蛀压入静音桩机能压入由各种材料制成的预制桩，适用的主要桩类型如图2．13所示。 同济大学硕士学位论文板桩Z型桩H桩管桩图2．132．1．4初始桩压入方法、辅助入桩措施2。1．4。1初始桩压入方法开始工作时地基中一般没有桩基可供起步，静音打桩机就安装在一“反力架”上。根据地基条件及桩长选用合适的压重置于反力架上，第一根桩就利用这种组合重提供的反作用力压入。每旌工完一根初始桩，桩机便可前移并夹持在已完桩上，这样可利用的反作用力就增加了，当初始桩压入完毕时初始压入阶段也就完成了，桩机便可从反力架上移动到这些初始桩上了。主要步骤如图2．14所示。图2．14初始桩压入方法示意图 同济大学硕士学位论文2．1．4．2辅助入桩措施辅助方法主要用于压入困难地基中，另外这些措施还能作为一种极大地提高功效，从而节约费用的手段，并能使板桩截面保持完整。a、射水：利用高强钢管或最新开发的装在桩祝顶部卷筒系统上的高压软管在桩趾处射水，射水管附着于锁口钢管桩的内侧。射水可疏松桩趾处的粒状土和软粘土，使桩趾阻力暂时减小；射水还可润滑桩壁，减小表面摩阻力。射水不会使土中产生大的空隙，也不会对土体强度产生任何长久的影响，见图2．15。b、螺旋钻机：在某些地质条件下可能存在砂砾石，这会使入桩很困难。如用传统钻机或重型设备原地施工隔墙，会产生孔壁坍塌或机械翻倒危险，并且要搭临时工作平台或修施工便道。针对这种射水效果不好的硬地层，图2．t5入桩辅助措旌一射水静音打桩机配备了一套螺旋钻机，使压入方法也能用于这种硬地层中。螺旋钻机紧箍在桩内，随着钻进，桩趾下的硬土被松动。在钻机上拔的同时，压入力发挥作用，随着已钻过土中空隙的破灭桩沉入土中。使用这种基于超级压入原理的螺旋钻机，能发挥压入方法的全部特长，使其适用于各种困难地基条件下的桩旌工。该方法没有机械翻倒的危险，也不必拓宽道路或搭临时工作平台，而且这种系统对土体扰动最小，对周边天然地基的影响也最小，从而在整个施工过程中对临近环境的影响也最小，其工作原理如图2．16所示。 同济大学硕士学位论文图2．16入桩辅助措施一螺旋钻进工作原理2．1．4．3曲线及转角处施工通过利用夹头和机架上的旋转装置，静音打桩机可以方便地在曲线或其他复杂布局上施工，而且“四角(C4)”功能使桩机能安装二根成直角的桩以及两侧任一角部的桩，如图2．17。图2．17曲线及转角处施工2．1．4．4静高受限时施工方法针对只有有限高度可供利用的场所，开发研制了静高受限时施工方法，可用于桥下、高压电线下、现存建筑物下或树下。甚至在超低空情况下，这种尺寸缩小的专门设计的机械也能将桩压入，而不影响城市的交通、紧急通道等功能，如图2．18所示。这种方法使人们的日常活动无须中断，为社会提供不可估量的便利。 同济大学硕士学位论文图2．18静高受限时施工方法2．1．4．5零距离施工方法当打桩位置紧邻建筑物及其边界，需最大限度地利用场地时，可用零距离方法打桩，如图2．19所示。该方法能有效地利用场地，在传统施工设备无法靠近的场所进行施工，如建筑工程及运河拓宽工程。图2．19零距离施工方法2．1．5锁口形式及止水措施2．1．5．1锁口形式锁口形式有三种，即L--T型(二港湾型)、P--T型及p--P型(又分二室型和三室型)如图2．20所示㈣。 同济大学硕士学位论文碌麒麒二港湾型P—T型二室型三室图2．20锁口形式示意图2．1．5．2止水措施一般采用袋装砂浆止水。从效果来看P—P型最好，其中尤以三室型最佳，可达到完全止水；P--T型次之；L--T型最差啪1，锁l：J注浆止水示意如图2．21所示。2．1．6其它方面图2．21锁口注浆止水示意图日本在锁口钢管桩加工、规格型号、设计施工方面也制订了一系列标准。1981年编制了《钢管板桩井筒基础的设计和施工》，以后又作了修订。日本钢管桩协会还对钢管桩防腐蚀、抗震、下沉工法等进行了一系列的试验研究，并作了相应规定汹3。 同济大学硕士学位论文2．2锁口钢管桩在国内应用2．2．1概述1956-1957年在前苏联专家指导下，由中铁大桥工程局主持，大桥一处负责做过装配式钢筋混凝士锁口管桩试验。并将这一成果应用在丹江口水库大坝的防渗墙基础中，达到了防渗要求。1957年在修建湖北省明山水库时，将有锁口的直径为1．55m的钢筋混凝土管柱联成一排作为防渗墙。当时还想将这一新技术推广应用到水利工程中的大坝防渗墙、码头岸墙、码头基础和桥梁基础。由于混凝土抗拉性能差，钢筋混凝土锁口管柱制造工艺要求高，加上当时国家钢材缺乏的制约，这一技术未继续进行研究和应用。但以上工程实践也是我国锁口钢管桩应用研究的雏形。上世纪90年代中期，我国在宁波市隔江口修建的宁波大桥主塔桥墩基础采用了锁口钢管桩作为防水围堰，这也是我国桥梁基础施工中第一次采用这种基础施工方法。由中铁大桥工程局施工⋯”1。2．2．2江西鄱阳湖口大桥2000年在江匹鄱阳湖修建湖口大桥东塔基础时，采用锁口钢管桩围堰，平面尺寸为31．36mXl9．04m，钢管直径mlOOcm，壁厚lOmm，用lo#8§钢焊成P—T型阴阳锁口，见图2．22。桩长25m，分二节由湖口县江新造船厂进行加工制作、现场焊接，入土12m，最大水深9m。采用80t．m沉拔桩机进行插打，待桥墩施工完成后也是用80t．m沉拔桩机进行抽拔，每日可抽拔5～7根。由路桥集团第二公路工程局第一工程处负责施工。A型单位：cmB型图2．22锁口钢管桩断面图 同济大学硕士学位论文2．2．3桂林解放桥重建工程桂林解放桥重建工程是市中心东西主干道上跨越漓江的一座大桥，桥梁全长284．8，宽45m，跨径布置为41m+(61+72+61)m+41m。中间三跨以板式连拱跨越漓江，岸跨以半穿式拱与台后道路相连。为平衡拱的水平推力将边墩和桥台连在一起形成大型推力基础。基础平面为两端带圆端的矩形，长61．55m，宽33．3m，深10m，基底标高+138m，整个基础体积为17689m3。桥位处浅层水平岩溶发育，地质条件复杂。在推力基础范围内的土层分布不均匀，强度及渗透性相差悬殊，多处位于高渗透性的卵石层内，局部岩面较高，有突起的鹰嘴岩。锁口桩钢管采用内径800m、壁厚8m，单根长10，8m，相邻桩距950mm。地面开挖3m后插打钢管桩，钢管桩设计入土深度为10m，为增强底口刚度，在其底节增设2道加劲箍，使插打过程中底口变形小，即使遇到大粒径的卵石也不会卷口。锁口是将I20a工字钢沿腹板中线对称割开，作为阳锁口“T”形钢，焊在钢管桩一侧；阴锁口采用2根Z75×75x8角钢各切肢25nⅢn，在钢管桩的另一侧焊成阴口，预留30mm中缝，以供阳口插入。钢管桩及锁口连接如图2．23所示。图2．23钢管桩及锁口连接示意图锁口止水。由于基底位于地下水位下5．0m，需对锁口进行止水处理。该桥采用含砂率小于2％的优质黄粘土，加适量的水泥、胶水、水等，经过充分搅拌形成可朔性的胶泥，塞入阴锁口内，待表面稍稍凉千变硬，便可进行钢管桩插打。插打过程中，胶，《。 同济大学硕士学位论文泥不断被阳锁口挤紧、压实，形成一道坚实的止水屏障，起到了阻水防漏的作用。锁口钢管桩施工采用Dz一60振动打桩机，根据桩址处不同的地层，分别采用高压射水翻动土层，用吸泥机、冲抓锤等方法进行管内取土，直至设计标高；遇鹰嘴岩时，采用投泥冲击钻孔，吊放钢筋笼进行水下锚固部分混凝土灌注。由中铁大桥局集团二公司施工。2．2．4宁波芝兰桥2002年，主跨为75m+120m+75m变截面连续箱粱的芝兰桥在宁波市奉化江上修建。水中二墩基础施工也采用了锁口钢管桩围堰，平面尺寸为41．8mX18．8m。锁口钢管主体为由500一由750cm，锁口采用二根i0#槽钢焊成阴口、一根10#1字钢焊成阳13，9#墩桩长18m，10#墩桩长19m，最大水深超过9m。采用油灰填塞锁口方法止水；10#墩采用震动锤、9#墩采用柴油锤沉桩。由宁波市政工程建设集团股份有限公司施工。2．2．5上海外高桥造船基地14、28船坞2001年上海外高桥造船基地l。、2。船坞坞室侧墙，采用CAZ钢板桩，其结构为二根“z”字形进口钢板桩连接后再加覆一根“u”形国产槽钢，组成六角形箱体结构见图2．24。单根CAZ桩截面长向宽为1260mm，短向宽为850眦，根据坞深不同，钢板厚度有所变化。锁口采用复合型止水剂涂抹采用桩架并辅以导向架沉桩，如图2．25所示。CAZ型桩也可视为锁口钢管桩的另一个形状。由上海市第七建筑工程公司施工”。 同济大学硕士学位论文巾管图2．24CAZ钢板桩断面示意图——C^Z25l栓一撑肛帅⋯Ⅲ㈣㈥r6嗍图2．25导向架及沉桩示意2．2．6常州机电公司职工住宅A：=A常州机电公司在护城河边拟建三幢六层职工住宅。为充分用足规划线按城市规划线规定房屋可入河3．4m建造，可增加一个单元的住房，三幢楼多得18套住房。在护城河上采用钢筋混凝土楔口板桩，既作围堰又作墙基，楔口板桩构造如图2．26所示。 同济大学硕士学位论文图2．26楔口板桩构造图楔口止水。楔口板桩人土部位有楔口相咬，在水中和淤泥部位也用楔口相咬，这就难以阻隔水流绕过楔口自由进出。为此。将楔口板桩设计成上段3．6m的凹口相对，下段3．7m的凹凸口相咬。板桩施工结束后，上部凹口相对处，采用细长塑料袋，灌进150号细石混凝土止水，如图2．27所示。具体方法是：顺楔口凹榫边灌边下锤塑料袋，并用中16钢筋(一头缠几层布包扎，以防穿破塑料袋)插入塑料袋内，把细石混凝士边捣边送至3．6m底部，并将细石混凝土灌至板桩顶部。塑料袋的大小和长度，视凹榫大小和深度而定m，。20号槽钢图2．27止水示意图在施工机械方面，以上锁口桩施工多采用震动锤或柴油锤击沉桩，搭设施工平台或打桩船，安装临时围檩限位等普通手段，无专用设备。 同济大学硕士学位论文3锁口钢管桩在芝兰桥的施工实践3．1工程概况3．1．1地理位置及结构形式芝兰桥是宁波市新建南外环路跨越奉化江上的一座特大桥，位于杭甬高速公路奉化江桥下游约800m处，是连接江东和海曙二区的又一重要通道。桥梁全长534．66m，其中主桥为75m+120m+75m三跨变截面预应力混凝土连续箱梁桥，长270m。主粱为单箱双室截面，梁宽19．5m，箱室宽12．5m，两侧悬臂各3．5m，分上、下行二幅，各宽19．5m，中间分隔间距2m，桥梁全宽41m。94、104两主墩位于奉化江中，与河流斜交，主墩处最大水深达9m，河床坡度大，主墩承台平面位最见图3．1。主墩基础采用巾150cm钻孔灌注桩，上下游分离式承台，每座承台长17．7m、宽13．9m、高3m，间隔3．8m。承台均位于河床陡坡上，大部埋入河床。9‘墩承台面标高为一4．4m，10。墩承台面标高为一3．6m。每座承台下布置20根桩，两主墩共计80根钻孔灌注桩。图3．1主墩承台平面位置示意图 同济大学硕士学位论文3．1．2地形地貌桥址地段江面宽约150m，河道正处于由南向北折向西北的转弯段，江水主流线靠近东岸侧40～lOOm，主流迹线与桥轴线法线方向夹角约为18。，9‘、104两主墩围堰在河流主迹线法线方向投影长约2X30。8=61．6m，压缩有效过流宽约达42％。水流流向、流速、冲刷等都较复杂，造成东岸局部地段江底泥面标高深达--12．67m。江底泥面高差一般为7～8m，大的达13m左右。勘察时实测得各孔位处江底浮泥厚约0．5～2m。3．1．3水文地质水文：据芝兰桥下游约300m处澄浪堰水文监测站的有关资料，奉化江历史最高洪水位3．18m，多年平均水位0．39m，多年平均高水位1．23m，多年平均低水位一0．47m(均为黄海高程)。实测潮差在2m左右，实测最大流速1．04m／s，最大流量1350m3／s。根据地质勘探报告，主墩所在水域且仅限于与围堰设计施工有关深度的地质情况如下：2a层：淤泥质粘土。灰色，流朔状态，厚层状，高压缩性，含少量粉粒和植物残骸。土质不甚均一，局部为淤泥质粉质粘土。层厚1．7～4．9m。2b层：淤泥。灰色，流朔状态，厚层状，高压缩性，含粉粒团块。土质不甚均一，局部为淤泥质粘土。层厚1．8～7．8m。2c层：淤泥质粉质粘土。灰色，流朔状态，薄层状，高压缩性。单层厚2～lOmm不等，层面为粉土薄膜。层厚0．8～17．8m不等。2d层：淤泥质粘土。灰色，流朔状态，厚层状，高压缩性，含粉土粉砂团块，见贝壳碎片。层厚2．5～4．3m。5a层：粉质粘土。灰黄色，褐黄色，硬可朔状态为主，局部可朔，厚层状，中等压缩性，含较多的粉粒团块，有铁锰质结核。土质不均，局部为粘土。层厚1．4～10．2m。5b层：粉质粘土。灰黄色，，可朔状态为主，薄层状为主，局部厚层状，中等压缩性，含粉土薄层和铁锰结核。土质不均，有的为粘土，有的为砂质粉土。层厚1．2～12．9m。各土层物理力学性质指标见表3．1。表3．1土层物理力学性质指标建议值表层天然重度y固结快剪号土层名称含水量W(％)粘聚力内摩角由(kN／m3)c(kPa)(。)2a淤泥质粘土49．017．413．28．2 同济大学硕士学位论文2b淤泥59．416．711．17．22c淤泥质粉质粘土42．617．714．510．32d淤泥质粘土48．517．213．88．05a粉质粘土2919．535．616．95b粉质粘土31。419。331．916。693．2主墩施工围堰方案确定根据水深、河床地形地貌及地质条件，本工程可以供选择的围堰结构形式非常有限，主要有钢板桩和锁口钢管桩两种。因为，其他结构形式，如钢套箱或薄壁沉井，由于桥墩处河床高差大就位难、潮流湍急而定位不能保证、岸侧入土深而下沉困难(围堰自重轻)，是不可行的。以下就钢板桩、锁口钢管桩两种方案进行比较，见表3．2。表3．2围堰方案比较钢板桩围堰锁口钢管柱围堰采用ⅡI．型拉森形钢板桩，阴阳中500钢管，二边对称焊连工字钢和结构型式描述锁口。桩长20m。槽钢形成阴阳锁口，桩长约20m。止水插打前锁口整修、涂止水材料，插打后锁口内一般灌填水硬性止水材料，止水效果要视所用材料、灌技术可只要锁口不破坏止水就有保证。填施工质量而定。行性根据桩入士深度、内撑强度可以封底捧水施工，也可以不排水除土、同左水下封底混凝土。赶皤后打，插打要求精度高、迸边插后打，插打允许有较大误差、工期室缓慢。且需先作施工平台。进度较快。无需施工平台。要求高，预先准确设置水平及竖要求低，无需准确导向，合拢时甚定位至可以制作非标锁口钢管，以解决向导向架。打桩过程中积累的较大误差。遇孤石、沉船等障碍物时，桩址截面剐性好，且锁口间隙大，允许旌工难插打易卷曲、撕裂锁口，造成沉桩困有较大变形，一般能挤开孤石、击易程度难、锁口漏水穿沉船，锁口不易损坏，不漏水接桩对接要求精度高，工效低要求精度低，工效高围檩密、内撑要求较高，作业空自身刚度大，内撑较简单作业空间间小。竖向承载力小，需采取结相对较宽敞。锁口桩竖向承载力大，作业空间构措施以满足钻机作业时的垂上道支撑完成后可兼作钻孔施工平直荷载及水平冲击力。台。根据水深、河床坡陡及承台埋入较深等特点，经比选后选定锁口钢管桩方案。 同济大学硕士学位论文3．3锁口钢管桩围堰设计3．3．1围堰结构平面尺寸为41．8reX18。8m，深lore(围堰顶标高+2。5飓承台底标高为一7．5m)。在满足结构受力前提下，根据公司现有材料及市场供应情况，决定选用(b500～750钢管，桩长根据计算结果确定为18m,454工钢作横围檩，设内支撑二道，分别位于+1．5m、一2．5m标高处，详见图3．2围堰平面示意图、图3．3围堰横剖面示意图。奉化江‘=：：=====一45赶鞠横囤凛删工钒窘—#水平内撑}．．rf、Z≥pnr“rn"H．rn?rrr口÷赫㈣Ⅲ㈣n。rnnl、qⅢ【?／lfl}l，#～⋯～一“一“1——Y彬——“～⋯／浆砌块舞防汛墙——～～二图3．29#墩锁口钢管桩围堰平面示意图 同济大学硕士学位论文●。。Jt拄：1、单位：除钢管直径外均以m计2、钻孔桩未示。图3。39#墩锁口钢管桩围堰横剖面示意图3．3．2地质资料及取用9。墩区域有地质钻孔ZKll、ZKl2、ZK27、ZK28共4个，锁口钢管桩最不利位置在江心侧，故以江心侧ZK27、ZK28二地质孔为计算基础，地质缺失数据取用岸侧ZKll、ZKl2孔资料。土层分界起伏不大，一般均取平均标高。其中ZK27孔中5a层至ZK28层逐渐消失，而5a层土层稍差于5b层，计算时按ZK27孔标高一10．5II卜一13．Om5a层计，一13．0m以下按5b层计，这样计算偏于安全。河床底标高一7．5m，水位按2．0m计。承台底标高一7．4m，承台底以下找平层按lOcm计，故坑底标高为一7．5m，与河床平。地质柱状图见图3．4。 同济大学硕士学位论文75}图3．49#墩河侧地质柱状图3．3．3施工顺序及计算工况3．3．3．1施工顺序锁口钢管桩的施工顺序如下a、打锁口钢管桩，形成围堰；b、设钻孔平台，施工灌注桩：C、设第一道支撑，然后抽水至一3．Om标高处，挖土至一3．oⅢ处；d、在一2．5m标高处设第二道支撑，抽干余水，坑内分槽分段挖土，标高至一8．5m，边挖边砌块石，厚1m，并以碎石混凝土灌缝。开槽时根据现场情况可加设一道临时支撑，待该槽段砌石完成后拆除倒用；e、完成块石砌筑后，施工找平层，并破灌注桩头，施工承台；f、承台拆模后，四周即回填，以减小围堰压力。3．3．3．2计算工况a、第一道支撑最不利工况应是堰内排水、挖土至一3．0m，而江中处于高潮位时，此时第一道支撑承受堰内外最大的不平衡水、土压力；b、第二道支撑的最不利工况应是堰内水排干并挖土至承台底，即一7．5m标高处(承台 同济大学硕士学位论文底设计标高为一7．4m，下铺lOcm素混凝土)，且处于高潮位时；c、按等值梁法计算，铰支点以下部分桩长乘1．2安全储备系数；d、桩长确定后，坑底稳定按Prandtl及Caguot理论验算。3．3．4各工况下计算3．3．4．1计算依据由朗金士压力公式求得主动与被动土压强，地面以下第n层的土压强由下式计算：主动土压强p。=(qn+∑^吃)k一20k撕2i=l本谯裘动土压强p。=(‰+艺^魂)k+2c√ii=l式中P。、Ppn_～分别为地基以下第Fl层土底面作用于竖直排桩的主动、被动土压力强度，均沿水平方向作用。若p舯出现负值时，在支护结构中士压力强度负值部分取为零；q。_地面附加均布荷载q传递到第n层土底面的竖向附加荷载；Y。、h。一分别为第i层土的天然重度和厚度；cf一为第11层土的粘聚力；k。．、k。。一分别为第n层土的主动、被动士压力系数，按下式计算：k。=t92(45。一由。／2)k。=t92(45。+巾。／2)其中由。一第n层土的内摩擦角。根据宁波市软土的工程特点，基坑支护的土压力可按水土合算，即取天然重度进行计算01。3．3．4．2工况1计算桩长先假定为20m，计算简图如图3．5所示。rl=17．7l(N／m3c1=14．5kPa巾1=10．30kal2t92(45。一10．3。／2)=O．70kpl=t92(450+10．30／2)=1．442cl√kal：24．21kPa2c1√如1。34．74kDar2=19．5KN／m3c2=35．6kPa巾2=16．90ka2=t92(450一16．90／2)=0．55kp2=t92(45。+16．90／2)=l_82 2c24ka2=52．78kPa2c2J、]kp2：96．05kPar3=19．3kN／m3c3=31．9kPa中3=16．69。ka3=t92(45。一16．69。／2)=O．55，kp3=t92(45。+16．69。／2)=1．812c3√ka3=47．48kPa2c3．、]kp3：85．74kPaT1气雾然蝉c——■50一丽■耵_孙、F。滚、＼坑自徘∞＼，¨m*瓜。。＼d_]I5⋯～』胁聃∞一I—·----·-·—·一n⋯。，96·54广—一。霄qO5斯Z三‘口一130N290面7／，／／7g。，一1804比．34图3．5上道支撑内力计算力学模型土压强计算：e“T：(95+O)k。；--2C，√kal=95*0，70—24．21=42。00kPae。。i=(95+3．17．7)k。--2c。、／‘—云石=148．1$o．70--24．21=79．46kPae。。T=148．1ka2—2c2√ka2=148．1．0．55—52．78=28．68kPae¨=(148．1+2．5r2)k一2c：压=(148．1+2．5．19．5)母o．55--52．78=55．49kPae。fT=(148．1+2．5．19．5)kn一2C3√ka3=196．85*0．55--47．48=60．79kPae矿(196．85+5．19。3)k--2C3√ka3=293。35*0。55—47．48=113．86kPae。dT‘(45+0)kL+2cI√kpl245．1．44+34．74=99．54kPae础=(45+3r。)kl+2c1√kpl=(45+3．17．7)半1．44+34．74=176．00kPaep．T。(45+3．17．7)kp2+2cz√kp2=98．1．1．82+96．052274．59kPaeprt。(98．1+2．5．19．5)k。2+2C2√kp22146．85．1．82+96．05。363．32kPae"2146．85k,3+2ca√kp3。146．85．1．81+85．74=351．54kPae，。=(146．85+5．19．3)}1．81+85．74=526．20kPa合土压强计算：d点下：e,dT-e“f=99．54—42．00=57．54kPa 同济大学硕士学位论文e点上：e。。t—e。。t=176．00—79．46=96．54kPae点下：e。。T—e。T=274．59—28．68=245．91kPaf点上：e“t--e。f±=363．32—55．49=307．83kPaf点下：e,r-v--e。fT=351．54—60．79=290．75kPag点：e。。一如。=526．20—113．86=412．34kPa结果示于图3．5上。由图可知等值梁铰支点为d点，ad梁上，yMdIoT，{9．o：：1+50+5l+4．5)4-50+4．5+箜：1277．083^、11．‘．T。=141．898kN“141．9kN／m3．3．4．3工况2计算计算筒图如图3．6。这时第二道支撑已施工完毕，水抽干并挖土至坑底一7．5m标高处。TI立、≥皿i兰曼_-＼第习溅氍8”‘半j’7茁疆164．01孔旷。d虢2}5羞．￡B--三f差／77f口。-18图3．6下道支撑内力计算力学模型土压强计算：主动土压强同工况1。e“F=42．00e。。j==79．46e。T=28．68eaf『3==55．49ear7=60．79e。=113．86 I司济大学硕士学位论文IIII被动土压强计算如下：epdF22Ct√kpl234．74e，±23"17．7k-l+2c-√kpl253．1$1．44+34．742ll1．20kPae虾253．1k-?+2c2√kp2253．1．1．82+96．05。192．69kPae“f(53．1+2，5．19．5)k，2+2C2√kp2=101．85"1．82+96．05=281．42kPaepfT2101．85kp3+2C3√kp32101．85．1．81+85．74=270．09kPae。。=(101．85+5．19．3)}1．81+85．74=444．75kPa合土压强计算：d点下：epd-e。=34．74--42．00=一7．26kPae点上：e。±一e。t=111．20--79，46=31．74kPae点下：e。。T—e。。T=192．69—28．68=164．01kPaf点上：eⅡ±一e。fj：=281．42--55．49=225．93kPaf点下：epfT—ear3：|=270．09—60．79=209．3kPag点：e，。一e。。=444．75—113．86=330．89kPa结果示于图3，6上。铰支点。位置计算：击=云篑x=o．6m。ao梁上，∑M。=0141．9女(9．0+0．6)+T：{(5+0．6)=1／2．95．9．5(9．5／3+0．6)+7．26×0．62／3．’．T2=60．4kN／m3．3．5存在问题及原因分析存在问题：由上计算可知Tl=141．90kN，T：=60．4kN，即上支撑内力远大干下支撑内力，显然与实际不符。若按此设计会使下道支撑杆件的截面过小，易发生安全事故。原因分析：目前对于基坑围护结构水平支点力的计算分析方法主要有：(1)有限元方法；(2)自由一土法；(3)等值梁法。我国规范建议采用等值梁法。等值梁法计算水平力时基于如下二个假定：(1)假设合土压力为零点处为假想铰点；(2)假定下层开挖不影响上层计算水平支点力。通常情况下该二假定是合理、安全的，这已为我国众多工程实践所证明。但在本案例的特殊地形条件下计算结果与实际矛盾，这是由结构计算模型不当引起，需要修_l_F。在计算下道支撑内力时，假定上道支撑内力不变是不合理的。实际过程应该是： 吲矫大学硕士学位论文第二步开挖过程中，下道支撑受力逐步增加，而上道支撑内力逐渐减小，存在力的转移过程，且变化幅度之大使T，、R值发生逆转，即由T。大于T。达57％转变成T。小于k其根源在于图三结构计算力学模型中，坑内水压比内侧为土时的被动土压小得多而导致铰支点下移、T，计算值偏大、T。偏小，T2内力检算时偏于不安全。3．3．6结构计算模型修正参考等值梁理论计算时的一般情况，即假想将坑内土填平，内侧按被动土压计算修正后计算简图见图3．7，这时被动土压计算如下：e*F22cl√kpl234．74，epd=17．7*4．5．i．44+34．74：149．44合土压强：Ae。=34．74—50=一15．26kPa(在右侧)Aed=149．44--95=54．44kPax=1．OmaC’梁上yM。，=oT．(4．5+1．0)：i／2．50．5(5／3+1．O)+1／3．15．26．I．02．‘．T．=61．5kN／m图3．7修正后上道支撑内力计算模型T。计算模式同图3．6，只是T，以61．5kN／m代之，而非141．9kN／m。铰支点为O，ao梁上yM。=o61．5$(9．0+0．6)+T2$(5+O．6)=95／2．9．5(9．5／3+0．6)+7．26*0．62／3．’．T：=198．2kN／m根据钻孔灌注桩间距，水平支撑间距设为3．8m，因此单根支撑内力为N=198．2kN／m×3．8m=753．2kN。选用由400钢管，其外径为402ram，壁厚lOmm，A=123．09cm2， 同济大学硕士学位论文w=1177．92cm3，回旋半径I=13．86cm。为减小支撑钢管的长细比，保证支撑在面内外都不失稳，在每道支撑跨中的围堰内打了一根由400钢管柱桩，与支撑钢管中点用钢板焊接，钢管柱桩间也用钢管相连。因此支撑计算长度为uL=I．0(18．8／2—0．45)=8．95m九=uL／i=8．95m／13．86cm=64．4，查得稳定系数巾=O．874单根钢管的允许承载力[N]=[o]X巾Xh=2．1t／cm2×0．874×123．09=225．9t一2259kN>N=753．2kN。Td-1／2丰95书9．5—56．419—184．237=210．594kN0213．3．7支护桩长计算：设支护桩伸入到5b层以下深度为t，如图3．8。V』～“／1气r／N164，01，31．74／le‘——Lo／^：，225．93／109．30／rJ—一‘——／_一／^’0=193．7图3．8桩长计算简图铰支点0处剪力：To=95×9．5／2+7．26×0．6／2—61．5—198．2=193．7kN／mog’梁上，∑M。．=0，则有：193．7(4．9+t)=1／2(31．74×2．4)(t十2．5+0．8)+2．5／2(225．93+164．01)×(t+2．5／3(2X164．01+225．93)／(164．01+225．93))+t2／6(627．9+24．32t)化简得：t3+25．842+81，93t一61．30=07．t=O．6md点以下6．1m桩顶以2．5m计，L----9．5+0．5+0．6+1．2(2．4+2．5+0．6)=17．2m取L=18m。 同济大学硕士学位论文3．3．8支护桩最大弯矩计算设支护桩上剪力为零的位置在标高2．om以下y处，则有：T，十Tz一10y2／2=0，y=7．2m，即在标高一5+2m处。‰。=61．5×6。7+198。2×2．7—72×7．22／6=325．1lkN—m／m支护桩选用由500～750钢管，其中由500钢管壁厚9mm，按每横延米2根计，其能承受弯矩为[M]=2[o]w=2×2100kg／cm2×1674．42cm3=7032564kg—cm≈703．3kN—m>地。。=325．1kN—Ill。3．3．9坑底稳定检算随着深基坑逐步向下开挖，坑内外的压力差不断增大，就有可能发生基坑坑底隆起现象。特别在软粘土地基中开挖时很容易发生基坑底土向上隆起现象。由于坑内外地基土体的压力差，使墙背土向基坑内推移，造成坑内土体向上隆起，坑外地面下沉的变形现象。在基坑围护设计中，设计人员往往对结构自身，如围护桩、围檩、支撑等的刚度、强度非常注意，而对土体的一些特性，如软土的流变性、地下水头差引起的渗流等重视不够，施工中经常发生除土最后阶段坑底边挖边隆起现象，影响施工，严重的甚至导致工程事故。鉴于此，本围堰设计时对此作为一个重点予以考虑。分别采用Prandtl地基承载力公式和Caguot理论进行验算。对于粘性土，土体抗剪强度应包括C和巾。3．3．9．1考虑C、由值的Prandti地基承载力公式将支护结构底平面作为求极限承载力的基准面，可能产生的滑动曲线形状如图3．9所示。 同济火学硕士学位论文q—m、mJ，^：ffm{巾十基坑底fJn川=_^)氚国、Y(H+D)+q，0^上±^0m0．4图3．9考虑C、由的抗隆起示意图参照Prandtl地基承载力公式，未考虑Ac面上±抗剪强度作用，抗隆起安全系数：K。：—?DNq—+cN,。r(H+D)+g用Prandtl公式时，要求K。≥1．1～1．2此时，N。，=kp，e“。由-Nc，=(N。。一1)／tg巾tN。：=2．55Ncz=8．52N。f4．73Nn=12．27N。s=4．64N。=12．15由于各土层物理力学指标差异较大，计算时按土层厚度取加权平均值，计算如下：yDNq=∑^DfNq,=17．7*3*2．55+19．5*2．5*4·73+19·3*2-5*4·642573·94J=l3cN。=∑cI口心／∑Dl2(14．5*3*8．52+35．6*2．5．12．27+31·9*2·5+12-15)／(3+2·5i=ll=l十2．5)=303．953Y(H+D)+q=(∑廊+腽)317．7*3+19．5*2．5+19．3*2．5+i0．9-52245·10K。=(573．94+303．95)／245．10=3．6>i．2 同济大学硕士学位论文3．3．9．2Caguot验算基坑稳定性Caguot等人认为坑底土沿图3．10所示的曲线滑动，致使基坑隆起。如以支护结构底的水平面为基准面，非开挖侧面上的竖向应力ql=Y。H+q，开挖侧面上的竖向应力q：=y：D，根据滑动线理论，可推得：ql=q2t92(45。+由／2)e“”或ylH+q=Y2Dk。e““由此得入土深度：D=(Y。h+q)／(y。kDe“”一y，)Y．、Yz、k，可分层计算或按层深的加权平均值计算。为简化计算，按最差土层2c层计算，结果偏于安全。D=17．7*9．5／(17．7．1．44e““o’17．7)=6．1m实际入土为8m>D。q图3．10Caguot基坑稳定计算图式3．3．10坑底渗流稳定验算如果围护短墙自身不透水，由于基坑内外水位差．导致基坑外的地下水绕过围护墙下端向基坑内渗流，这种渗流产生的动水压力在墙背后向下作用，而在墙前(基坑内侧)则向上作用，当动水压力大于土的水下重度时，土颗粒就会随水流向上喷涌。在砂性土中，开始时土中细粒通过粗粒的间隙被水流带出，产生管涌现象。随着渗流 同济大学硕士学位论文通道变大，土颗粒对水流阻力减小，动水力增加，使大量砂粒随水流涌出，形成流砂，加剧危害。在软粘上地基中渗流力往往使地基产生突发性的泥流涌出。以上现象发生后，使基坑内土体向上推移，基坑外地面产生下沉，墙前被动土压力减少甚至丧失，危及支护结构的稳定。验算抗渗流稳定的基本原则是使基坑内土体的有效压力大于地下水向上的渗透力。试验证明，管涌首先发生在离坑壁大约等于板桩入土深度一半的范围内。为简化计算，近似地按紧贴板桩的最短路线来计算最大渗流力，见图3．i1。不发生管涌的条件，应为：D≥堕!二坐2y’即板桩入土深度如满足上述条件，则不会发生管涌，其中k为抗管涌安全系数，取1．5～2．0。图3．i1基坑管涌检算图式式中：Y。——水重度；Y’——土的水下重度；h——地下水位至坑底的距离；k——抗管涌安全系数，取1．5～～2．0。式中：y厂水重度；Y’——土的水下重度；仍以最差2c层指标进行计算，结果偏于安全。 同济大学硕士学位论文D≥掣：(2x10x9．5--7．7x9．5)／(2x7．7)：7．6mZy而实际入土为8m>7．6m3．4围堰施工过程、出现问题及处理对策3．4．1锁口钢管桩制作钢管桩直径m500—m750tara，均为利用旧管。桩长9#墩为t8m，10#墩为19m。钢管两外侧分别对称焊接么lOOX70×63角铁和1104工字钢，形成阴阳锁口。锁口桩分A、B二个型号，A为普通型，1806方向焊成阴阳锁口，用于围堰的壹线部分；B为角部型，在90。方向均焊成阴形锁口，用于围堰的角部，见图3．12锁口桩构造图。锁口桩底最后l米不设锁口，主要考虑施工时插桩方便。锁口桩均在两岸现场人工焊接制作，用6=8mm钢桩接桩，桩间接缝满焊，彻底隔绝漏水，锁口通长满焊，在桩下端环向焊6=lOmm、宽15cm钢板加强环口以保证桩端不变形。一!璺堕【坳⋯一L——一一锁旦长度】Zm(!旦)一一】mjI一：_三三三=三三=三些三三三三—!I[：二二二：：：：“二：：二二二E二二二二生A普通型(单位mm)扣10加强环’图3．12锁口钢管桩构造图B角部型(单位mm) 同济人学硕士学位论文3．4．2锁口钢管桩插打在现场水域组拼打桩船，用瑞安产的Mz卜50型震动锤沉桩。以全站仪定位，从上游开始向下游逐根插打，利用桩架及已打入桩锁口导向，并在己成围堰桩外侧设限位槽钢，保证入桩平面线型。3．4．3围檩及支撑安装待钻孔桩施工完毕，排水、除土至围檩设置标高处，在围堰桩边分节吊放45#2字钢，利用焊在锁口桩上三角架固定。围檩与锁口桩间隙用硬木楔楔紧，确保围檩均匀受力、变形协调。巾400内撑钢管两端设闷头钢板，中间与围堰内钢管立柱桩连接以减小自由长度。3．4．4排水、除土围堰内至承台底高度范围均为2c层淤泥质粘士，采用高压水枪冲泥．泥浆泵排泥浆至驳船上。3．4．5锁口止水锁口内填塞油灰止水，围堰外采用土工布(一布一毡)在萄堰外围护防水，土工布在河床上平铺不少于4m，并用麻袋装土夹碎石压重。油灰填充不密处锁口漏水时，采用重新充填油灰、锁口外土工布内灌煤碴夹木硝止水及堰内锁口处楔木楔、封填硫铝酸盐快速水泥等综合止水措施，使渗水量明显减少，余水用围堰内水泵抽排。3．4．6支撑转换承台施工完毕，墩柱施工时，每个墩柱处有三道支撑位置受影响。下道支撑采用支撑转换，即在承台与锁口桩间下部回填土石、上部用圆木支撑，每根锁口桩支撑一根圆木，端部用硬木楔紧，并在未受影响支撑处并排加设一根巾400钢管撑加强，然后拆除受影晌的钢管支撑。上道支撵由于工期紧，位置受影响处支撑未拆，浇入墩拄混凝土中以后割除进行外观处理。 同济大学硕士学位论文3．4．7施工中出现的问题及处理对策3．4．7．1锁口焊接变形锁口焊接时受焊接温度影响较大，采用如劲板先定位，再间隔焊接方法，保证了锁口顺直。但加劲板耗用材料多，电焊条用量大，工效降低。今后如能在船厂等专门工厂自动或半自动焊接加工，加以温度应力矫正，可大量减少加劲板数量，提高综合经济效益。3．4。7。2锁口止水止水一直是围堰施工中的难题之一。本围堰采用油灰止水，在较浅范围内效果很好，但在深水区由于水深达9m，难以保证下部填充质量，尤其是在锁口与河床交界处，由于泥水混合，止水效果不甚理想，导致交界处漏水严重，影响工效。关于工布围护，开始时由于围堰阻水导致水流速度、方向变化的严重性认识不足，使流速较大处土工布撕裂，土工布与围堰桩间充水。另外，河床平铺4m土工布也因水下压重不严、渗流距离过短而漏水。后采取加围土工布、平铺长度在深水流急处达6～7m，并注意潜水员压重施工质量，止水效果大为改观。在浅水区，特别是近岸侧，采用挖泥船加粘土在围堰外侧回填泥土，止水效果显著。3．4．7．3除土、封底施工中，由于不断受潮流冲刷影响，压重物常被水流漩涡冲掉、河床土体淘空，漏水量较大。除土工效受影响，虽然可用不断加压重、增补土工布方法减少漏水，但工效低、费用也不小，经综合分析并顾及工期因素，在9#墩及log墩下游改用不排水除土，即以潜水员在水下冲吸泥，然后水下封1m厚混凝土。3．4．7．4关于土工布围护止水及分仓施工本围堰施工中土工布围护止水未达预期效果，主要原因是土工布本身强度不足，所用土工布为一布一毡，一布即是泥龙薄膜，强度较低及定位压重质量不好造成。如改用隧道施工中的可焊接防水板，并采用沉管施工中的导向桩技术，辅以大钢管压重，可使定位压重牢固、防水板不撕裂，确保止水效果，本工期因工期紧，后期未改用而 同济大学硕士学位论文采用水下封底方法，费用增加不少。基础施工中，由于工期紧，41．8mX18．8m围堰同时施工，未进行分仓，基坑暴露时间过长，在潮流影响下，导致上、下游渗漏水互相影响，总体进度受影响，工效不高。今后施工中，应针对基坑工程特点，分仓围堰施工，集中力量逐个突破，反而能提高总体进度。这是本桥基础施工中应吸取的经验教训。 同济大学硕十学位论文4结论本文作者在宁波芝兰大桥工程项目施工过程中，任项目总工程师，全面主持技术工作。特别在深水基础实施过程中，独立完成了锁口钢管桩围堰的设计，主持解决施工中出现的技术难题，提出切实可行的技术对策，但也不乏需汲取的经验教训。通过对国内外桥梁基础施工领域各种方法的比较，并结合具体工程实践经过锁口钢管桩方案比选、设计、施工及效果评价等一系列工作，可以得出如下结论：l、基于环保、安全、经济、文明、快速的全新施工理念和革命性的施工方法是当今桥梁基础施工发展方向；对广大工程技术人员更新观念，发展绿色、环保的施工方法与实施手段具有现实指导意义。2、基础工程施工中，各种围堰、围护方案都有一定的适用范围，在选择具体方案时，因地制宜，根据技术经济、进度等因素进行综合比选是必要的。针对本工程河床坡降大、潮流湍急、工期紧等特点，选用锁口钢管桩方案是正确的选择。3、等值梁法是目前我国规范基坑围护结构计算中建议采用的方法，一般情况下是安全可靠的，其二个基本假定，即①假设合土压力为零点处为假想铰点；②假定下层开挖不影响上层计算水平支点力，是合理、安全的。但在类似本工程的特殊条件下会与实际情况有较大差异，须结合实际进行力学计算模型修正，并在施工中采取相应对策。若机械地套用公式进行计算、设计、施工，将留下重大安全隐患。4、止水作为围堰工程施工中的关键技术之一，本工程中采用锁口止水与堰外、河床围铺土工布方案，思路是正确的，效果显著。但在实际操作中，尚需提高锁口灌填质量，选用强度高的围护材料，才能进一步提高止水效果。5、锁口桩施工中采用船上组拼桩架施工，简便、经济，但若能采用专用压入式桩机入桩效率会大幅度提高。6、锁口钢管桩作为近年来兴起的新的围堰、基坑施工方法，具有截面刚度大、使堰内支撑减少、适应地质条件广、围护止水作用合二为一、施工速度快、不受气候干扰、 间济大学硕士学位论文对场地要求低、对环境影响小、安全可靠等众多优点，值得在我国围堰、基坑围护施工中推广应用，既可提高综合经济效益，还能保证施工安全，对我国的基础工程建设和在环境方面的可持续发展有十分重大的意义，应用前景广阔。本工程中锁口钢管桩的成功施工实践，特别是特殊水文、地形条件下对等值梁理论的修『F，为今后在同类工程中的推广应用积累了宝贵的经验。 同济大学硕士学位论文参考文献l、湖口大桥东塔基础锁口钢管桩围堰施工方法介绍朱晓明李新形公路2002—72、CAZ组合钢板桩的沉桩施工汤永根建筑施工2002．13、锁口钢管桩围堰的应用欧阳克武刘崇亮中国土木工程学会桥梁及工程学会第十四届年会论文集4、桥梁旌工临时结构设计陈伟中国铁道出版社5、建筑基坑工程技术规范YB9258．97冶金工业出版社6、宁波市软土深基坑支护设计与施工暂行技术规定宁波市城乡建设委员会19987、基坑工程事故分析与处理唐业清李启民崔江余中国建筑工业出版社19998、深基坑开挖与支护工程设计计算与旋工彭振武中国地质大学出版社9、基础工程手册(美)H．F温特科恩中国建筑工业出版社10、深基坑工程．刘俊岩中国建筑工业出版社11、深基坑工程陈忠汉机械工业出版社12、深基坑支护结构与桩基工程新技术王铁宏中国环境科学出版社13、深基坑支护设计与施工余志成中国建筑工业出版社14、深基础工程实践与研究杭州市建筑业管理局主编中国水利水电出版社15、地基与基础工程新技术实用手册(第三卷)刘正峰海潮出版社16、高层建筑基础工程手册史佩拣中国建筑工业出版社17、试论楔口板桩围堰与墙基的共同作用甘德福岩土工程论文集地质出版社18、岩土工程的回顾与前瞻高大钊人民交通出版社19、深基坑工程优化设计秦四清地震出版社20、地下水与建筑基础工程张在明中国建筑工业出版社21、建筑基坑支护技术规程JGJl20．99中国建筑工业出版社22、CanadianFoundationEngineeringManual2indEdRion．PublishedbyCanadianGeotechnicalSociety，198523、深基坑工程设计施工手册龚晓南中国建筑工业出版社24、高层建筑深基坑的止水防渗工程《高层建筑基础工程技术》科学出版社 同济大学硕士学位论文25、大直径长钢管桩技术在日本的应用世界桥梁1998．326、(日)钢管板桩井筒基础的设计与施工邹崇富许克宾译铁道工程学报1986年第3期增刊27、http：／／www．GIKEN．COM英文网站28、http：／／www．kaiima．co．ip／日文网站29、http：／／www．jaspp．com．日文网站30、http：／／geo．civil．kyutech．ac．ip／日文网站31、http：／／www．hazama．co．jp／日文网站32、等值梁法计算围护结构的力学模型曹国银兰州交通大学学报2004年第23卷(自然科学专辑1 ，垌济大学硕士学位论文致谢本文是在导师朱慈勉教授和崔文鉴教授的悉心指导下完成的，在此特向两位导师表示衷心的感谢。本文撰写过程中还得到了浙江大学谢旭教授、兰州交通大学刘世忠教授及宁波大学沈昌鲁教授的帮助、指导。谢旭教授为本文提供了大量宝贵的有关日本锁口钢管桩网站资料，刘世忠教授对本文的结构、修改、图片处理等做了大量细致的工作，沈昌鲁教授对本文中的等值梁计算、力学模型修正等进行了具体的指导，在此也向他们表示衷心的感谢。最后要感谢本人同事、朋友和家人的全力支持和热心帮助!曹国银2005．6'