甬江特大桥D3索塔承台基坑支护方案设计

1、甬江特大桥D3索塔承台基坑支护方案设计厦门工程有限公司 朱忠辉摘 要 深基坑支护工程是近二十年来随着城市高层建筑发展而发展的一门新的实践工程学，深基坑支护的设计、施工、监测技术是近年来在我国逐渐涉及的技术难题。本文根据甬江特大桥D3索塔承台基坑支护设计方案简要说明了基坑支护方案设计的一般过程、材料要求、计算方法以及一些施工注意事项等。关键词 基坑 基坑支护 基坑开挖 挡土结构 支护结构1 工程概况甬江特大桥跨径组成为54+166+468+166+54m，为主跨468m联塔分幅4索面钢箱叠合主梁斜拉桥（K26+673K27+531，全长908m），双菱形索塔，整体式承台、钻孔桩基础。塔柱承台为6

2、2×33×5.5m的矩形整体式钢筋混凝土结构，承台下设有66根2.2m的钻孔灌注桩，钻孔深度约130m，入岩深度约15m。D3索塔承台挖土面积2340m2左右，支护结构延长米约 202m；承台顶标高为黄海高程2.000m，承台厚度为5.50 m，坑底垫层厚度0.5 m，基坑周边场地自然地坪标高取+2.500m，挖土深度取6.50m，南侧甬江大堤等效均布坑边荷载考虑。2 设计依据2.1 由浙江省交通规划设计研究院提供的本工程总平面图及桥墩结构施工图2.2 施工单位提供的自然地坪黄海标高2.3 浙江省交通规划设计研究院提供的国道主干线宁波绕城高速公路东段施工图设计阶段工程地质勘

3、察报告2007年05月2.4 工程建设标准强制性条文（房屋建筑部分2002年版）2.5 混凝土结构设计规范(GB50010-2002)2.6 钢结构设计规范(GB50017-2003)2.7 混凝土结构工程施工质量验收规范(GB50204-2002)2.8 建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB50202-2002)2.9 国家行业标准建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)2.10 浙江省标准建筑基坑支护技术规程(DB33/1008-2000)2.11 宁波市行业标准宁波市软土深基坑支护设计与施工暂行技术规定2.12 其它有关设计计算规范及规程2.13 以往多个类似工程设计计算、监测、施工

4、经验3 设计原则3.1 满足围护系统及周围土体在施工期间的整体稳定性；3.2 土体开挖过程中确保基坑内工程桩及基坑外建（构）筑物（甬江大堤）正常使用；3.3 在确保基坑及周围建(构)筑物安全情况下，采用最简明的支护手段考虑周边不同的环境采取不同的支护措施，达到节省材料、方便施工，降低工程造价。4 本基坑工程的特点4.1 本基坑为一桥墩承台基础，工程桩采用大直径钻孔灌注桩；4.2 基坑形状规则，挖土深度为6.50m；4.3 占地面积小，施工周期快；4.4 本场地地质第层土为深厚的淤泥质土，土性较差，对基坑开挖很不利；5 基坑支护设计D3索塔承台基坑支护方案设计由具有甲级设计资质的宁波市民用建筑设

5、计研究有限公司承担，根据基坑工程上述特点及施工条件并结合以往工程实践经验和施工单位自身的条件，经过多个方案的分析计算比较，决定采用以下支护结构形式：D3索塔承台基坑采用螺旋电焊钢管桩结合一道钢管内支撑的结构形式。方案介绍如下：5.1 围护桩设计：围护桩经过计算采用610710螺旋电焊钢管，桩长24.00m能满足稳定性要求，因本场地地质第层淤泥质土层分布较厚，桩端无法全部进入好土层，为防止基坑围护系统变形过大，根据地质钻孔的情况，围护桩每隔3根进入第层细砂嵌固。基坑南侧靠近甬江大堤，甬江百年一遇设计水位为3.72m，为防止潮汛影响，在基坑四周设置一排8.5m的水泥搅拌桩进行止水，其中基坑南侧靠近

6、甬江大堤侧施工了两排水泥搅拌桩进行加强，防止意外事情的发生。5.2 支撑系统设计：本基坑面积不大，形状规则，为施工方便，采用角撑和对撑的平面布置形式，全部采用钢管支撑，并考虑钢管支撑的平面外稳定性设置平面外支撑。本基坑挖土深度6.50m，坑边有放坡的空间，本工程钢管桩顶标高设置在地面以下1.200m，钢支撑中心设置在地面下2.700m，以减少桩身弯矩，降低造价。也为能确保承台基础施工方便考虑。为保证钢支撑平面外的稳定性，在钢支撑下设置若干支撑立柱，支撑立柱在坑底下利用承台基础大直径钻孔灌注桩，坑底上由角钢构件组成。5.3 基坑支护计算参数及计算分区：本场地工程地质情况详见浙江省交通规划设计研究

7、院提供的国道主干线宁波绕城高速公路东段施工图设计阶段工程地质勘察报告2007年05月；计算土层参数取值：根据地质资料提供的参数，结合工程经验和施工情况取固结快剪C、标准值，详见下表1；基坑支护设计工程地质参数表 表1层号土层名称重度(KN/m3 )粘聚力C(Kpa)内摩擦角（°）1素填土18.505.0010.002亚粘土18.8016.6510.081淤泥质亚粘土17.708.677.372淤泥质粘土17.109.727.212亚粘土17.8013.6012.40注：D3承台位置的勘察孔号为：ZKS20ZKS23、ZKC28；根据宁波地区经验，表中参数c，值根据地质勘察报告提供的固

8、结快剪强度平均值换算成标准值，并考虑钢管桩施工对土体的扰动采用0.9折；地质勘察报告没有提供1 层素填土、2层亚粘土的c、标准值，根据该土层其他物理力学指标，结合经验取值。根据基坑挖土深度和周边环境、地质条件情况的不同，共分三个计算分区，每分区计算时均考虑不同的工况；单元计算内力方法：采用适宜宁波基坑计算特点的方法进行计算；计算工具采用理正基坑支护软件，结合手工复核计算。5.4 基坑支护桩单元结构计算汇总支护桩单元计算结果汇总表（宁波甬江特大桥桥墩基坑）基坑等级：级 重要性系数：1.00 注：(1)本方案采用钢管桩加设钢支撑的支护形式，单元计算采用m法，结合经验系数进行调整； 表2计算区域挖土

9、深度（m）桩径(mm)桩间距(mm)桩长(m)壁厚(mm)单桩最大弯矩（KN.m）支撑力(KN/0.71m)桩身最大位移（mm）整体稳定系数抗隆起系数抗倾覆系数挖至坑底Terzaghi区6.50061071024.008312.95118.0346.051.3733.1971.280区6.50061071024.008320.90127.6548.751.3596.8361.269区6.50061071024.008316.13134.1447.441.3237.8401.286(2)地面超载按不同的周边环境进行设置；(3)截面设计按以下工况计算的最大弯矩进行设计：工况一：自然地坪放坡开挖至钢

10、支撑围檩底-0.100，安装围檩及一道钢支撑；工况二：钢支撑安装完毕后后，土体开挖到基坑底部并及时施工500mm厚钢筋混凝土垫层； 工况三：桥墩承台分层浇捣，第一层1500厚混凝土施工完毕（至-2.000），承台周围和围护桩之间浇捣混凝土换撑带强度达到80%后，拆除钢支撑；工况四：承台全部施工完毕，承台周围土体回填后拔除钢管桩。(4)单元计算桩身最大位移较大需要采取一下措施去控制：支护桩之间采用止水锁扣连接，增强支护系统空间稳定性；基坑挖到坑底后，立即浇捣500mm厚混凝土垫层以控制围护系统初期变形；靠近大堤一侧采用两排水泥搅拌桩改善主动区土性。(5)因计算程序原因，采用理正软件单元计算钢管桩

11、身变形是无法进行的，只有进行排桩等刚度代换，这样计算误差也是比较大，根据结构力学公式fd=（5/48）Ml2/EI进行手算复核，钢管桩身变形约为41mm和软件计算误差基本接近。图1 基坑支护平面布置图图2 基坑支护立面布置图5.5 基坑支护钢结构设计计算：根据钢结构设计规范（GB50017-2003）进行设计计算5.5.1 钢管桩设计计算（受弯构件）：支护桩采用螺旋电焊钢管Q235B，610×8A=15130mm2，Ix= Iy=6.855×108 mm4，ix=iy=212.86mmWx=Wy=2247541 mm3，f=215N/mm2（1）强度设计（规范条）MmaxM

12、max/（xwnx）=351.76×106/（1.15×2247541）=136.09 N/mm2f满足规范要求。（2）整体稳定性设计（规范条）围檩与围护桩之间采用细石混凝土灌缝，可不进行验算。5.5.2 钢围檩设计（受弯构件）：钢围檩采用两根H型钢组合，2HW300×305×15×15Ix=2.16×10 8mm4，Iy=0.71×108 mm4，ix=126mmWx=1440000 mm3，f=310N/mm2（1）强度设计（规范条）Mmax=110ql2=728.02kN.mMmax/（xWnx）=703.55

13、5;106/（1.05×1440000×2）=232.66 N/mm2f=310N/mm2满足规范要求。（2）局部稳定性验算（规范条）按构造设置加劲肋 bt=(300-15)/(2×15)=9.5<235/fy=13235/345=10.73h0/t=(300-70)/15=15.33<80235/fy=80235/345=66局部稳定性满足要求5.5.3 钢支撑设计计算（轴心受力构件）：支护桩采用螺旋电焊钢管Q235B，610×8，f=215N/mm2（1）ZC-1设计ZC-1采用508×8螺旋电焊钢管A=12566.37mm2，

14、I=3.93×108 mm4，i=176.8mmWx =1547244 mm3，f=215N/mm2钢支撑主要验算稳定性：N=148.49/0.71×5.9×2=1745.1kNL0/i=12303/176.8=69.59，b类截面，=0.751N/（A）=1745.1×103/（0.751×12566.37）=184.91N/mm2f满足要求。ZC-3、4采用508×8螺旋电焊钢管，验算同ZC-1。（2）LL-2设计LL-2作为受力钢管的侧向支承，采用232a，填板连接A=4851.3mm2，Ix=0.76×108 mm4

15、，ix=125mm，iy=25mm根据规范条：Fb1=Nmax/60=1745.1×103/60=29kN，L0=5900L0/i=4100/25=164，b类截面，=0.262N/（A）=29×103/（0.262×2×4851.3）mm2=11.41N/mm2f满足要求。填板距离：40 I=40×25=1000 mm，采用-10×100×350800。（3）ZC-2设计ZC-2采用610×8螺旋电焊钢管A=15130mm2， i=212.86mm钢支撑主要验算稳定性：N=1745.1kNL0/i=16401/2

16、12.86=77.05，b类截面，=0.707N/（A）=1745.1×103/（0.707×15130）=163.14N/m2f满足要求。（4）ZC-5设计ZC-5采用630×10螺旋电焊钢管A=19478mm2， i =219mm钢支撑主要验算稳定性：N=148.49/0.71×13.176=2756kNL0/i=11601/219=53，b类截面，=0.842N/（A）=2756×103/（0.842×19478）=168.04N/m2f满足要求。（5）LL-1设计LL-1作为钢管对撑的侧向支承，采用406×8螺旋电焊

17、钢管A=10003mm2，i =140.73mm根据规范条：Fb1=3320/60=3320×103/60=55.33kN，L0=11600L0/i=11600/141=83，b类截面，=0.668N/（A）=55.33×103/（0.668×10003）=8.28N/m2f满足要求。5.5.4 支撑立柱设计计算（格构式轴心受力构件）：立柱上部采用4L100×8A=1563.8m2，iv=19.8mm，ix=30.8mmIx=0.0148×108 m4N=135kN缀板间距取L1=600mm立柱惯性矩为I0=1.175×108 m4i

18、x0=274mmx=L0/ ix0=4000/274=14.6，1=v= L1/ iv=600/19.8=30.30x=（x2+12）=29.17 ，b类截面，=0.936N/（A）=135×103/（0.936×1563.8）=92.23N/mm2f满足要求。6 施工要求6.1钢管桩施工螺旋焊缝电焊钢管桩质量必须符合低压流体输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管SY/T5037-200技术标准。打设钢管桩前，须先探查预定打设桩位处有无障碍物，去除后方可施工。寻找确定下水道的源头，进行下水道的改道处理，以防止地下水渗透。钢管桩采用振动沉桩的施工工艺。注意对桩身垂直度的控制；桩位偏差不得

19、超过50。打桩过程中应在与桩身相互垂直的两个方向上架设经纬仪或重力垂线等装置，以观测桩身垂直度，若偏移时应随时修正。钢桩打设至最后5m时，应特别注意阻止其横向移动，若有偏移时，须于打桩时予以校正。打设完成后之桩心位置、桩身垂直度与斜度偏差均应在规定许可差范围内，否则应拔起重打或废桩。桩基施工期间加强对周围土体、邻近建（构）筑物及工程桩变位观测。若发现异常变位，及时采取相应措施。6.2钢支撑的安装钢结构的制作与施工，除本图说明外，必须遵守钢结构工程施工及验收规范（GB50205-95）的规范。所有焊接H型钢及节点的制作均参照冶金部颁发的标准（YB3301-92）制作（图中注明者除外）。本工程钢围

20、檩采用2HW300×305×15×15H型钢，支撑采用螺旋焊接钢管，钢管之间连杆采用232a。钢结构安装前先根据图纸尺寸进行放样、制作，尽量减少现场焊接工作量。钢结构连接全部采用角焊缝，节点焊缝均按（GB5025-95）中三级焊缝检查，必须符合有关设计施工验收规范的要求。钢结构在制作，吊运，堆放过程中采取可靠的保护措施，防止构件变形。7 基坑开挖施工基坑开挖施工是整个地下工程施工的关键工序，施工时必须严格按设计及宁波市软土深基坑支护设计与施工暂行技术规定要求进行。7.1施工程序打设钢管桩施工基坑周边截水排水系统卸土放坡对钢管桩进行复打，确认桩顶标高开挖沟槽，安装围

21、檩和钢支撑分层放坡开挖土体至承台垫层底标高人工边修土边浇捣混凝土垫层的第一层，并设坑底集中排水浇注混凝土垫层的第二层第一层承台混凝土施工（1.50m厚）回填承台与围护之间土体必要时，设换撑板带拆除钢支撑其余高度承台混凝土分层浇捣回填承台与围护之间土体拔除钢管桩7.2挖土挖土施工参照宁波市软土深基坑支护设计与施工暂行技术规定中第5.3.7条要求进行，具体要求如下：按设计要求挖基坑外侧土体，并设好砼面层。在围檩和钢支撑安装完毕后，以长臂挖掘机为主进行土方作业，机械挖土一次到达垫层底标高后，立即进行人工修土和设垫层，并必须在12小时内完成。垫层混凝土分2次浇筑：40+10cm。机械挖土顺序为：先4个

22、角撑区域，完成所有角撑区域的垫层后，倒退开挖，必要时在挖掘机前方打设临时木桩。在用机械挖土时必须注意，挖土深度严禁超过设计标高，不得损坏工程桩、支护桩、围檩、支撑及立柱；避免扰动开挖面以下的坑内土体。坑内土体开挖时不得留陡坡，以免基坑内土体滑移而引起工程桩偏位。基坑内挖出的土方及时外运，基坑四周卸土范围内不得堆载，否则会使支护结构变形过大，危及基坑安全。基坑挖土施工应做到“五边”即：边挖、边凿、边铺、边浇、边砌挡土墙的施工方法，保证基坑土体不长期暴露，确保基坑稳定。基坑挖土方案应经监理、建设等有关单位等各方认可后方能实施，并由监理单位监督执行。7.3地表及坑底排水沿基坑外侧一米左右设排水明沟，

23、并根据实际情况每隔20m左右设计地表集中排水井。基坑内根据实际施工情况设纵横向排水沟，并每隔20m左右设坑底集中排水井，坑内排水沟及集水井应尽量远离支护桩。做好基坑内外有组织的排水工作，确保基坑内土体不受水浸泡。7.4防渗漏措施基坑外侧地表设100厚C10防水砼面层，避免地表水大量流入基坑。由于该场地杂填土较厚，围檩四周杂填土大部分区域采用粘性土进行换土夯实处理，以防杂填土内的孔隙水大量渗入基坑。基坑挖土施工过程中，若发生漏土现象，相邻桩间清理干净，先用块石或砖浆砌堵缝，再用1：2水泥砂浆抹面。7.5应急措施根据现场测试数据及现场情况，若发现异常现象，可根据实际情况采取以下应急措施：在水平围檩

24、上增设钢管对（角）撑或斜撑。在水平变位最大部位加设型钢围檩，并设钢管角撑或临时支撑在桥墩承台的垫层上。在基坑外侧卸土或坑底设支撑板带及围檩。8 监测及检测基坑土体开挖施工期间加强对基坑围护结构、周围建筑物、工程桩、邻近道路及管线的观测，发现异常情况必须及时通知有关单位，以便采取有效措施，消除隐患，确保基坑内外的安全。8.1深层土体位移观测在基坑支护结构外侧四周埋置5根测斜管，埋深约为30m；观测孔必须在土体开挖前10天埋设完成。8.2支撑轴力和桩身应力监测在关键支撑设置应力计进行轴力监测，在钢管桩身设置应变片，进行桩身应力监测，并与设计计算数据进行比较，动态指导设计。8.3水平位移观测水平围梁每隔20m左右设点、工程桩及基坑外的建（构）筑物上设点进行水平位移观测，随着掌握围梁、工程桩及坑外建（构）筑物的水平变位情况。8.4沉降观测在立柱、支撑节点、基坑内外土体设点进行沉降观测，以掌握基坑开挖过程中支