摘要：在桥梁施工的过程中，在对中基坑进行开挖过程中会因当地的地质条件、周遭环境影响，从而造成了中基坑开挖实施过程中的重要隐患。因此对基坑开挖实施过程中进行有效的防护则显得尤为重要，本文则主要以兰州市政工程的桥梁承台基坑开挖与支护为例进行分析，该工程桥长为1.04km，由西向东展布高架桥桥面宽25.5米，32孔梁（包含钢梁），35个承台（含门式墩2个）。
关键词：基坑开挖；方案措施；安全防护
1 工程概况
工程处于兰州市西固区新城镇附近，承台长10.1米，宽6.3米，高为3m，埋入地下2m。基坑开挖顺桥向长11.7米，横桥向长7.9米，深度5.1米，基坑面积92.43平米，周长39.2米。地下水位较高基本在3.5米至7米，无压力，开挖后水位面不变。基坑开挖时卵石层容易出现塌方，为防止基坑塌方，对行车道路造成塌陷影响。从4号墩至36号墩承台基坑支护采用钢板桩防护加四道水平斜撑。
本工程基坑周边环境情况：K0+082.8~K0+789.170段基坑两侧离行车道3.55米，K0+810-K1+280段基坑左侧离行车道6.55米，基坑右侧离行车道4.55米。基坑离两边建筑大于15米，不需考虑建筑物沉降问题。
根据地勘报告32号墩为例基础地质0米至0.9米为杂填土，0.9米至2.2米为粉土，2.2米至6.9米为卵石，6.9米至8.8米为全风化砂质泥岩（其他墩位地址稍有差别）。
2 技术参数
在承台基坑四周竖向支撑选用Ⅳ拉森钢板桩；
上围檩选用I20b钢，水平方向与钢板桩紧密相连。为了增强防护级别增加上水平斜撑采用I20b钢，但未加人计算。
下围檩选用I32a钢，基坑内下水平斜撑采用I32a钢，支撑型钢一端采用固定端头，一端采用活动端头，便于满足支撑要求。
支护结构的安全等级为一级，支护结构设计采用承载能力极限状态、正常使用极限状态。
3 施工工艺流程
施工准备—基坑放样—切割及破除路面—先开挖短边至坑底，开挖至桩基第一排桩位—打入钢板桩—施加钢板桩上部围檩支撑，用地锚连接钢丝绳倒链拉紧做临时固定一施加钢板桩下部围檩支撑，用I20b钢加千斤顶将围檩与桩头相连—开挖支护其他三面—开挖基坑—做下部水平斜撑—浇筑封底混凝土—施工承台—承台混凝土强度达到80%后，拆除承台模板后在承台和钢板桩之间回填砂石，并注水使密实—拆除围檩—基坑回填—拔出钢板桩
4 施工方法
（1）施工准备：桩基施工完成，混凝土强度及龄期满足设计规范要求，方可开挖承台基坑，钢板桩材料由材料存放区运送至施工现场。
（2）基坑放样：基坑开挖前用测量仪器放样承台基础范围，并撒好灰线或弹好墨线。
（3）切割及破除路面：根据放样范围用道路切割机进行切割路面，切割完成后采用人工或机械对路面进行破除。
（4）放样基槽位置：路面破除并将施工场地整平及清除杂物后放样四周基槽位置。
（5）基槽开挖及打入钢板桩：边开挖边支护，先开挖短边方向（7.9米边）至坑底，开挖至桩基第一排桩位。钢板桩顺坑壁放入基坑并打入坑底0.4m。
打桩至设计高度后，松开夹口，锤上升，打第二根桩，直至打完所有桩。
在插打过程中，加强测量工作，发现倾斜，及时调整。
（6）围檩支承施工
基坑上用I20b钢做围檩，上部用地锚连接钢丝绳倒链拉紧做临时固定，下部用I32a钢做围檩和I32a钢加千斤顶将围檩与桩头相连。四面都进行上下支护后再进行中间土方开挖。
安装围檩和支承前，先按确定的标高位置在钢板桩内壁焊上三角托架，托架采用20#工字钢。安装托架时，一定要严格控制各个托架顶面的高程在同一平面上，或采用水平拉线、水平尺等措施保证顶面位于同一水平面上。
然后将水平工字钢吊装到托架上，注意：工字钢必须水平放置，且工字钢翼缘板与钢板桩密贴，若有缝隙，填塞楔形快，每三个钢板桩与工字钢点焊。
上部先在距围檩1.5m处路面打入地锚，然后通过钢丝绳将地锚与围檩中部进行可靠连接。下部通过千斤顶顶在桩头位置，另一端与工字钢连接顶在下部围檩。通过上下支承措施保证钢板桩整体稳定。
钢板桩围堰抽水过程中要加强钢板桩的止水堵漏措施。采用最经济的办法，就是在外侧填塞棉絮和锯末。
（7）承台基础开挖：
四面都进行上下支护后再进行中间土方开挖。开挖至靠近基底标高时必须配备测量员及人工进行清槽工作；坑底预留 200～300mm厚土由人工清除，不得超挖。
（8）承台开挖完成后，在承台底部垫层以下挖出施做水平斜撑的沟槽，再做水平斜撑。
（9）钢板桩围堰封底：
将围堰内水抽完后，将定位钢管拔出，然后进行基底处理。
首先，抽干坑内积水，整平基底，然后基底干封0.1m厚C15混凝土。封底前在底部钢板桩四周用编织袋或土工布将钢板桩与封底混凝土隔离，以便将来钢板桩顺利拔除。
5 检查验收
防护支撑架安装完毕，应由施工负责人组织，有关人员参加，按照施工方案和规范分段进行逐项检查验收，确认符合要求后，方可投入使用。
（1）钢板桩纵距偏差为±50mm。
（2）钢板桩垂直度偏差不大于1/100h，且不大于10cm（h为总高度）。
抽查安装数量5%，连接不合格数量不多于抽查数量的10%。
（3）对防护架检查验收按规范规定进行，凡不符合规定的应立即进行整改，对检查结果及整改情况，应按实测数据进行记录，并由检测人员签字。
（4）内支撑的施工偏差应符合下列要求：
支撑标高的允许偏差应为±30mm；
支撑水平位置的允许偏差不大于30mm；
支撑两端的标高差不大于20mm及支撑长度的1/600；
支撑绕曲度不大于支撑长度的1/1000；
6 钢板桩拆除
在围檩拆除前，首先要对基坑内的空隙部份用灰土进行回填并压实，开挖后应尽快分块浇筑垫层，垫层应浇到钢板桩；承台基础施工完成后，基坑回填至围檩位置时方可拆除围檩。
待承台浇灌和基坑回填完成后，开始拔除钢板桩。拔桩方法利用振动锤产生的强迫振动，扰动土质，破坏钢板桩周围土的粘聚力以克服拔桩阻力，依靠附加起吊力的作用将桩拔除。先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min~2min，使钢板桩周围的土松动，产生液化，减小土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难或拔不上来时，应停止拔桩，先振动1min~2 min 向下沉0.5m~1.0m后再往上振拔，如此反复将桩拔出来，在拔桩的同时必须配备必要的人员进行跟踪灌砂。
7 监测监控
基坑的现场监测应以仪器观测为主、仪器观测和目测调查相结合。调查当地的气象情况，记录雨水、气温等情况，并检查自然环境条件对基坑工程的影响程度。检查支护结构的开裂变位情况，特别应重点检查支护桩、主要支撑、连接点等关键部位的开裂变位情况及支护结构的情况。
（1）监测点的布置
在基坑开挖过程与支护结构使用期内，必须进行支护结构的水平位移监测和基坑开挖影响范围内地面的的沉降检测。
支护结构沉降（水平位移）检测点应设置在钢板桩两长边，每边分别在1/3和2/3处设置两个观测点。
坑边地面沉降（水平位移）检测点应设置在支护结构外侧的土层表面上，在基坑顶部顺桥方向各设置3个监测点，分别设置在基坑四角和长边的中间位置，共6个沉降（水平位移）监测点。
道路沉降检测点设置在围挡里侧，每条道路设置3个沉降点，分别设置在距承台中心纵向距离0米，±8米，共6个道路沉降监测点。
支护结构顶部沉降和水平位移的监测频次应符合下列要求：基坑向下开挖期间，监测不应少于每天一次，直至开挖停止后连续三天的监测值稳定。当地面支护结构或周边道路出现沉降、遇到降雨、气温骤变、基坑出现异常的渗水或漏水，坑外地面荷载增加等各种环境条件变化或异常情况时，应立即进行连续监测，直至连续三天的监测数值稳定。当位移速率大于或等于前次监测的位移速率时，则应进行连续监测。在监测数值稳定期间，尚应根据水平位移稳定值得大小及工程实际情况定期进行监测。
围护体系向坑内位移不得影响承台的平面尺寸和形状；基坑内地下水位的监测点可设置在基坑内集水井处。
基坑底部隆起监测点宜按横向剖面布置，剖面应选择在基坑的中央、距坑底边约1/4坑底宽度处的位置，设置3个监测点。
（2）观测要求
在支护结构施工、基坑开挖期间以及支护结构使用期间，应对支护结构和周边状况随时进行巡查，现场巡查时应检查有无下列现象及其发展情况：
基坑外地面和道路开裂、沉陷；
基坑周边建筑物开裂、倾斜；
基坑周边水管漏水、破裂，燃气管漏气；
挡土构件表面开裂；
腰梁和锚杆支座变形、连续破损等；
支撑构件变形、开裂；
基坑侧壁渗水、漏水、流砂等。
对同一监测项目，监测时宜符合下列要求：采用相同的观测路线和观测方法；使用同一监测仪器和设备；固定观测人员；在基本相同的环境和条件下工作。
（3）监测频率
本项目基坑类别为一级基坑，开挖深度5.1m，在无数据异常和事故征兆的情况下，砼浇筑后7天内（含）监测频率为一天一次，7天至14天内监测频率为三天一次。
（4）监测报警
基坑监测数据、现场巡查结果应及时整理和反馈，当出现下列危险征兆时应立即报警。
支护桩顶水平位移累计大于30mm，位移速率大于3mm/d，且有继续增长的趋势；
支护结构位移速率增长且不收敛；
支护结构构件的内力超过其设计值的80%；
基坑周边道路、地面的沉降最大沉降绝对值10~60mm，且有继续增长的趋势；周围道路水平位移总量大于30mm。
支护结构构件出现影响整体结构安全性的损坏；
基坑出现局部坍塌；
开挖面出现隆起现场；
基坑出现流土、管涌现象。
8 计算书
（1）方案确定
该基坑设计总深5.1m，按一级基坑、选用《建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）》进行设计计算，可采用的方案有钢管桩围堰、钢板桩围堰。本项目主要特点是工期紧、深水、地质复杂。通过比较，选用施工工期较短、费用较低、施工方便的钢板桩围堰，但需要对方案进行详细的设计和检算。
（2）桥梁基本数据
以32号墩为例，墩承台尺寸为1010×630cm，基坑深度5.1m。施工水位距地面3.5m，承台底距地面5m。考虑封底混凝土厚度10cm。
（3）方案设计
（4）结构尺寸确定
依据施工组织设计，考虑承台周边各预留0.8m施工空间，围堰平面尺寸设计为11.7m×7.9m，平面尺寸满足标准拉森Ⅳ型钢板桩闭合。考虑目前钢板桩市场混乱，有的尺寸不标准，在具体施工时，平面尺寸可以在±0.5m内变化。
围堰水下埋深：h=5.1-3.5=1.6m。
取围堰开挖5.1米进行方案设计和计算。采用6米长钢板桩，则钢板桩埋入土中0.4米。
根据经验，5.1米深的钢板桩围堰，内侧围檩和支撑需设置2道，比较经济和安全。第一道围檩位于地面处，第二道围檩位于坑底。
（5）主要材料
拉森Ⅳ型钢板桩，必须有出厂合格证书，并核对与标准拉森Ⅳ型钢板桩尺寸是否一致；
I200b型钢，用作上部围檩；
I310a型钢，用作下部围檩以及斜撑；
（6）钢板桩方案验算
1）计算说明
采用MIDAS软件建立围堰空间模型，分析土压力作用下钢板桩和围檩的变形以及应力状态。查资料，拉森Ⅳ型钢板桩每米墙身的惯性矩38600 
，考虑破损与折旧等，抗弯惯性矩折减10%，即38600×0.9=34740
。
2）计算模型及参数
场地地质条件和计算参数见表2。地下水位距离地面3.5m。
水土计算（分算/合算）方法：按土层分/合算；
水压力计算方法：静止水压力，修正系数：1.0；
主动侧土压力计算方法：朗肯主动土压力，分布模式：矩形，调整系数：1.0，负位移不考虑土压力增加；
被动侧基床系数计算方法："m"法，土体抗力不考虑极限土压力限值；
墙体抗弯刚度折减系数：1.0。
3）计算工况
本次计算共计考虑两个工况：
上部围檩采用钢丝绳地锚做固定，下部用I32a钢加千斤顶将围檩与桩头固定。下部斜撑成型，拆除千斤顶。形成整体框架结构。
钢板桩入土比：取围堰开挖5.1米进行方案设计和计算。采用6米长钢板桩，则钢板桩埋入土中0.4米。
4）计算结果
①内力变形验算
工况一作用下钢板桩变形最大值为25.32mm，出现在长边钢板桩中部。
工况二作用下钢板桩变形最大值为26.29mm，出现在长边钢板桩中部。
工况一作用下围檩变形最大值为18.27mm，出现在下部围檩中部。
工况二作用下围檩变形最大值为18.28mm，出现在下部围檩中部。
②应力水平计算
工况一作用下钢板桩应力最大值为82.34MPa，出现在短边钢板桩中部。
工况二作用下钢板桩应力最大值为86.69MPa，出现在短边钢板桩中部。
工况一作用下围檩应力最大值为230.67MPa，表现形式为应力集中，该应力出现在上部围檩角部，在实际施工中可通过角部加强措施消除，下部围檩最大应力出现在长边中部，为177.31MPa。
工况二作用下围檩应力最大值为233.77MPa，表现形式为应力集中，该应力出现在上部围檩角部，在实际施工中可通过角部加强措施消除，下部围檩最大应力出现在长边中部，为176.8MPa。
5）结论
①钢板桩围堰较适合该桥所处的施工环境；
②方案设计充分考虑了承台施工和桥墩施工所需的空间，依据施工过程改变围堰的支护体系，较大的节约了材料，降低了施工费用。
③MIDAS计算表明：
钢板桩围堰两工况下整体变形满足规范要求；
钢板桩围堰两工况下整体应力水平满足规范和施工要求。
结束语
本文主要是根据实例分析阐述了在基坑的开挖过程中如何进行有效的防护，以及提出了相应的一些方案措施，希望对基坑的开挖和防护的研究工作中有一定的帮助，更好的实现我国桥梁事业的发展，同时在安全方面的一系列考虑希望对维护我国桥梁安全这方面能贡献自己的一份绵薄之力。
参考文献：
[1]孙军 市区中基坑开挖施工的环境土木问题[J]，地下空间 2011（2）
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[3]秦昊 地铁车站基坑开挖对邻近地下管线的影响研究[D，中国地质大学（北京）2010
[4]黄云飞 深基坑实用技术[M]兵器工业出版社 1996
[5]龚晓南 深基坑工程设计施工手册 1998
论文作者:陈桂艳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/3
标签：基坑论文; 钢板论文; 围堰论文; 水平论文; 位移论文; 工况论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第10期论文;