钢板桩围堰内支撑失稳原因分析及处理措施

钢板桩围堰内支撑失稳原因分析及处理措施一、事故案例分析1.1案例一：降雨导致内支撑变形失稳1.1.1事故概况某大桥水中承台施工采用钢板桩围堰（型号SP-IV型拉森桩，长度15m）作为围护结构，原设计为两层内支撑（围檩采用双拼I40b型钢，对撑采用Φ325×10mm无缝钢管），水下C25混凝土封底（厚度1.5m）。施工期间因水位较低，擅自调整方案为单层内支撑，采用“边抽水边开挖”工艺，基底开挖至设计标高（-6.5m）后浇筑100厚C20混凝土垫层。在承台钢筋绑扎阶段（垫层浇筑完成后第3天），遭遇持续降雨（降雨量80mm/24h），导致围堰外侧水位上升至+1.2m，内侧水位维持-6.0m，水头差达7.2m。首先出现内支撑角撑与围檩焊接节点脱焊（焊缝高度6mm，未满足设计要求的8mm），随后钢板桩向内侧变形，最终长边方向最大变形量达3m，上游侧变形约48cm，下游侧因地质条件较好无明显变形，垫层混凝土因板桩挤压出现多处裂缝（宽度0.5-2mm）。1.1.2事故原因分析设计方案执行偏差：未按原设计设置两层内支撑，单层内支撑的抗侧刚度不足（经验算，单层支撑水平承载力仅为设计值的62%），无法抵抗水位上升后的水土侧压力（计算侧压力值达35kN/m²，超出单层支撑极限承载力）。垫层支撑作用失效：垫层施工时，钢板桩四周预留300mm宽排水沟，导致垫层混凝土未与钢板桩紧密结合（间隙≥20mm），未能形成“板桩-垫层”协同受力体系，丧失侧向支撑作用。焊接节点质量缺陷：内支撑角撑与围檩焊接采用单面焊（设计要求双面焊），焊缝高度6mm（低于设计8mm），且未做UT探伤检测（合格率要求100%），节点抗剪承载力不足，受荷后率先脱焊。应急措施缺失：未制定降雨天气应急预案，未实时监测水位及板桩变形（设计要求每2h监测1次），水位上升后未及时采取补水平衡措施，导致水头差持续增大。1.2案例二：地质误判与支撑刚度不足失稳1.2.1事故概况某跨海大桥水中承台施工采用钢板桩围堰（型号SP-III型拉森桩，长度18m），设计为三层内支撑（围檩采用双拼I45b型钢，对撑采用Φ351×12mm无缝钢管），计划清基后浇筑1.2m厚C25封底混凝土。在高潮位（水位+2.5m）清基作业时，钢板桩围堰突然向内倾覆，外侧海水及泥砂（粒径0.5-5mm）大量涌入基坑，38根已施工完成的桩基（直径1.2m）从承台底以下7m处被挤断（桩身混凝土强度C30，未达到设计强度的75%），仅2根位于下游侧的桩基因地质为中风化岩层未受损，造成直接经济损失约800万元。1.2.2事故原因分析地质勘察与分析疏漏：未对围堰范围内地质分层详细勘察，误将表层2m厚粉质黏土作为锚固层，实际锚固段（入土深度）仅3m（设计要求≥5m），抗拔承载力不足（计算抗拔力120kN/根，实际需280kN/根），板桩根部出现滑移。工况计算与施工脱节：未针对高潮位工况进行稳定性验算（高潮位时侧向水土压力达42kN/m²，超出设计值的1.3倍），未明确不同水位下的支撑受力限值，导致施工中无数据指导。内支撑刚度不满足要求：第三层内支撑对撑间距3.5m（设计要求≤2.5m），且围檩与钢板桩连接采用M20普通螺栓（未采用高强螺栓，扭矩不足40N・m），支撑体系整体刚度不足，受荷后出现整体失稳。下部无支撑区域过大：第三层内支撑距基底高度4.8m（设计要求≤3m），无支撑区域钢板桩长细比过大（λ=180，超出规范限值150），无法抵抗外侧水土压力，出现屈曲变形。节点连接未形成整体：平撑与钢板桩仅采用点焊连接（焊缝长度100mm，设计要求≥300mm），未形成整体受力体系，受荷后节点率先破坏，支撑失效。二、内支撑失稳共性原因总结2.1设计层面原因荷载计算偏差：未考虑水位变化、潮汐影响、施工堆载等附加荷载，侧向水土压力计算采用静止土压力系数（应采用主动土压力系数修正，修正系数1.1-1.3），导致荷载值偏小。支撑体系设计缺陷：内支撑层数不足、间距过大（对撑间距通常≤3m，角撑间距≤2.5m），围檩、对撑截面选型偏小（如围檩惯性矩Ixx需≥15000cm⁴，对撑抗压强度需≥215MPa），无法满足刚度与强度要求。锚固段设计不足：钢板桩入土深度未根据地质条件计算（黏性土中入土深度≥开挖深度的0.5倍，砂性土中≥0.7倍），抗拔、抗滑移承载力不足，根部易失稳。2.2施工层面原因方案执行偏差：擅自调整内支撑层数、材质（如用普通钢管替代无缝钢管），未按设计要求进行“分层开挖、分层支护”（每层开挖深度≤2m，开挖后24h内完成支撑安装），超挖现象严重。节点施工质量缺陷：焊接节点焊缝高度、长度不足，未做探伤检测（UT探伤合格率需100%）；螺栓连接未按设计扭矩紧固（高强螺栓扭矩偏差≤±10%），节点抗剪、抗拉承载力不足。监测与应急缺失：未建立实时监测体系（监测项目含板桩变形、支撑轴力、水位，监测频率开挖期每1h1次，稳定期每4h1次），无预警指标（如板桩变形速率≥5mm/d、支撑轴力超设计值90%需预警），应急物资（如抽水设备、备用支撑）未储备。地质条件应对不足：未根据实际地质调整施工工艺（如砂性土中需采用注浆加固基坑周边土体，提高土体黏聚力c值至15kPa以上），对突发地质变化（如遇到溶洞、夹层）无应对措施。三、失稳事故处理措施3.1案例一处理措施（降雨导致变形失稳）3.1.1应急控制阶段水位平衡控制：立即向围堰内侧注水，采用水泵同步补水（流量50m³/h），使内外水头差控制在1m以内（最终内侧水位+0.2m，外侧水位+1.2m），减缓板桩变形速率（从初始10mm/h降至1mm/h以下）。临时支撑加固：在长边方向变形最大区域（每3m设置1道）增设临时对撑（采用Φ325×10mm无缝钢管，两端与原围檩焊接，焊缝高度8mm，长度300mm），对撑安装后采用全站仪监测变形，确保变形不再发展。3.1.2永久修复阶段外围钢板桩支护：在原钢板桩围堰外侧1m处插打新的SP-IV型拉森桩（长度15m，入土深度6m），形成双层支护体系，新板桩顶部采用双拼I40b型钢围檩连接，围檩与板桩采用M24高强螺栓固定（扭矩60N・m）。原板桩拆除与支撑重建：待外围支护完成后，分段拔除原变形板桩（每段长度6m，采用振动锤拔除，避免碰撞新板桩），抽水至基底标高（-6.5m），清理基坑内淤泥（采用吸泥船，吸泥深度≤300mm/次）。结构修复与承台施工：修复受损垫层（剔除裂缝混凝土，重新浇筑150厚C25混凝土，内掺5%膨胀剂），检查并修复变形钢筋（采用冷拉调直，伸长率≤1%），按原设计安装两层内支撑（围檩、对撑规格符合设计），验收合格后浇筑承台混凝土（C35，分层浇筑厚度500mm，振捣密实）。3.2案例二处理措施（地质误判与刚度不足失稳）3.2.1应急封堵阶段涌水涌砂控制：立即停止抽水，向基坑内抛填袋装黏土（每袋50kg，堆筑高度1.5m）封堵涌口，同时在围堰外侧采用高压旋喷桩（直径600mm，间距400mm）形成止水帷幕（深度12m，进入中风化岩层1m），切断渗水通道。桩基临时加固：对未断裂的2根桩基采用钢套管（直径1.5m，壁厚10mm）包裹保护，套管底部嵌入岩层0.5m，顶部与临时围檩连接，防止后续施工碰撞受损。3.2.2重建与修复阶段原围堰拆除与地质加固：拔除原失稳钢板桩，对基坑周边3m范围土体采用注浆加固（水泥浆水灰比0.8:1，注浆压力1.5-2.0MPa，加固后土体承载力≥150kPa），重新勘察确认锚固层（中风化岩层顶面埋深9m）。新围堰设计与施工：采用SP-V型拉森桩（长度22m，入土深度10m），设置四层内支撑（围檩双拼I50b型钢，对撑Φ377×12mm无缝钢管，对撑间距2m），围檩与板桩采用M27高强螺栓连接（扭矩80N・m），支撑节点全部采用双面焊（焊缝高度10mm，UT探伤合格）。桩基修复与承台施工：对断裂桩基采用植筋修复（植入Φ25螺纹钢，深度1.5m，植筋胶抗拉强度≥15MPa），重新浇筑桩身混凝土（C35，养护28d），验收合格后按设计浇筑封底混凝土及承台混凝土，全过程监测支撑轴力（控制在设计值80%以内）。四、失稳预防措施4.1设计阶段预防措施精准荷载计算：考虑水位变化（最高水位+1.5倍设计水位）、施工堆载（2kN/m²）、振动荷载（系数1.2），采用朗肯主动土压力公式计算侧向荷载，砂性土中考虑渗透力（渗透系数k＞1×10⁻⁴cm/s时需计算），确保荷载取值保守。支撑体系优化设计：内支撑层数：根据开挖深度确定（开挖深度5-8m设2层，8-12m设3层，＞12m设4层及以上），每层支撑间距≤2.5m，最下层支撑距基底高度≤2m。构件选型：围檩采用双拼型钢（惯性矩Ixx≥20000cm⁴），对撑采用无缝钢管（壁厚≥10mm，抗压强度≥235MPa），节点采用双面焊（焊缝高度≥8mm）+高强螺栓（扭矩≥60N・m）组合连接。锚固段设计验证：根据地质条件计算入土深度（黏性土中h≥0.6H，砂性土中h≥0.8H，H为开挖深度），采用理正深基坑软件验算抗拔、抗滑移承载力，确保安全系数≥1.25。4.2施工阶段预防措施方案执行管控：严格按审批后的方案施工，禁止擅自调整支撑层数、间距，分层开挖深度≤2m，开挖顺序遵循“先撑后挖”，支撑安装完成后需经承载力试验（施加设计荷载的1.1倍，持荷1h无变形）方可继续开挖。质量管控要点：钢板桩施工：采用振动锤插打，垂直度偏差≤1%，相邻板桩锁口咬合紧密（缝隙≤2mm），入土深度偏差≤500mm。焊接节点：焊缝高度、长度符合设计，每道焊缝10%做UT探伤（合格率100%），不合格焊缝需返工重焊（返工次数≤2次）。螺栓连接：高强螺栓按设计扭矩紧固，采用扭矩扳手检查（每50个螺栓抽样1组），扭矩偏差≤±10%。实时监测与预警：监测项目：板桩水平位移（精度±1mm）、支撑轴力（精度±2%）、基坑内外水位（精度±5mm）、土体深层位移（每2m设1个监测点）。预警指标：板桩变形速率≥3mm/d、累计变形≥30mm，支撑轴力超设计值90%，水位差＞2m，触发预警后立即停止施工，启动应急预案。地质与应急准备：施工前复核地质勘察报告，砂性土或高水位区域提前准备注浆设备（高压注浆泵2台）、止水材料（膨润土、袋装黏土500袋）；储备应急支撑（Φ325无缝钢管20根）、抽水设备（流量100m³/h水泵4台），每季度开展1次应急演练，确保响应时间≤30min。五、附则本措施依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012，2022年版）、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020）、《钢板桩支护技术规程》（YB/T4764-2020）制定，适用于水中承台、基坑工程等钢板桩围堰施工，特殊地质（如岩溶、深厚软土）需补充专项设计与施工方案，经专家论证后实施。施工过程中若国家规范更新、地质条件变化或设计调整，需在7日内修订本措施，修订内容经施工单位技术负责人、监理工程师审批后，向作业班组重新交底（覆盖率100%），确保执行符合现行要求。本措施相关记录（事故分析报告、监测记录、验收记录）需真实完整，签字齐全，归档保存期限≥工程竣工后5年；若因未执行本措施导