鋼板樁在鐵路橋梁深基坑支護中的應用

段建國

(中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

鋼板樁屬板式支護結構之一，是一種帶鎖口或鉗口的熱扎(或冷彎)型鋼，靠鎖口或鉗口相互連接咬合，形成連續的鋼板樁墻，用來擋土和水，具有高強、輕型、施工快捷、環保、可循環利用等優點。鋼板樁支護結構由打入土層中的鋼板樁圍護體和內支撐或拉錨體系組成，以抵抗水、土壓力并保持周圍地層的穩定，確保地下工程的安全。鋼板樁支護結構形式主要可分為懸臂板樁、單錨(單撐)板樁和多錨(多撐)板樁等，此外常見的圍護(擋土、擋水)結構還有樁板式結構、雙排或格構型鋼板樁圍堰等。本文通過杭甬客專某特大橋跨西小江連續梁水中墩深基坑工程的設計計算與施工，采用靜力平衡法、等值梁法對支護工程的設計與施工技術加以論述。

1 工程概況

杭甬客專某特大橋跨杭甬運河西小江設計為(60+100+60)m連續梁，主墩177號墩位于水中緊鄰河岸處，設計為φ2.0 m鉆孔樁、鋼筋混凝土承臺，承臺尺寸為15.5 m×11.4 m，承臺底面標高－3.78 m，承臺頂面標高0.72 m，承臺厚度4.5 m，河流最大洪水位標高5.32 m，最大水深5.47 m。經方案比選采用先筑島，再打設拉森鋼板樁，然后進行鉆孔樁和承臺施工的方法。筑島頂面尺寸每側大于承臺3.0 m，筑島頂面標高5.82 m，拉森鋼板樁平面尺寸按承臺尺寸每側向外擴1.2 m控制，即為17.9 m×13.8 m，基坑開挖深度9.9 m(含0.3 m的基底鋼筋混凝土墊層)，采用Ⅳ型拉森板樁。

橋墩處地質為①人工填土，厚度5.97 m;②2潮濕粉土，中密，厚度約3.98 m;②3流塑淤泥質粉質粘土，厚度約3.6 m;②6硬塑粉質粘土，厚度約1.3m;②6-2軟塑粉質粘土，厚度約11 m。各土層物理力學參數見表1。

表1 各土層物理力學參數表

2 基坑支護設計計算

根據基坑開挖深度，該基坑采用多錨(支撐)鋼板樁支護結構形式，設三道圍檁和支撐，圍檁采用H型鋼，支撐采用外徑609 mm鋼管，角撐采用H型鋼，總體計算分三個工況對支護結構進行驗算。工況一，為設置三道圍檁支撐，基坑開挖至設計標高;工況二，為澆筑0.3 m厚C40鋼筋混凝土墊層，達到強度后拆除第三道圍檁支撐，開始承臺澆筑施工;工況三，為承臺施工完成，用粘土夯實回填承臺與鋼板樁間隙后，拆除第二道圍檁支撐，留第一道圍檁支撐進行墩身施工。

2.1 鋼板樁長計算

以水中最不利受力情況進行分析計算，最大洪水位5.32 m時，水深5.47 m;基坑周邊由于工程車輛通行和施工，工程計算按距坑邊1.0 m布置寬6.0 m的q1=20 kPa的均布荷載。支撐按等彎矩布置，即支撐各跨度間的最大彎矩相等。由于基坑底以下為粘性土，故基坑底以上按浮重度計算，基坑底以下不考慮浮力影響。

1)土體密度γ、內摩察角φ、粘聚力c的加權平均值計算。

基坑外側：γam=18.4 kN/m3;φak=19.88°;cak=9.9 MPa。

基坑內側：γpm=18.53 kN/m3;φpk=9.8°;cpk=14.82 MPa。

2)土壓力系數。

3)計算樁頂最大容許懸臂長度。

其中，［f］為鋼板樁的抗彎強度容許值，［f］=200×103kPa; γm為鋼板樁墻后土的重力密度，γm=18.4 kN/m3;W為鋼板樁每延米截面模量，W=2 037×10－6m3;Ka為主動土壓力系數，Ka= 0.493。

考慮安全系數為2，h=3.23 m。

計算各層支撐跨度：h1=1.11h=3.58 m;h2=0.88h=2.84 m。

根據現場實際情況，考慮承臺模板的安裝、基坑開挖等，確定圍檁及支撐各層跨度為h=1.0 m;h1=3.3 m;h2=3.0 m。

4)用頓恩近似法計算鋼板樁的入土深度。

假定作用在鋼板樁EB'段上的荷載EFN'B'，一半傳至E點上，另一半由坑底被動土壓力MB'R'承載，由圖1可得：

由上式解得：x=10.11 m。

所以，板樁的總長度至少為：L=9.9+10.11=20.0 m。

其中，Kn為 的斜率;eak為基坑底MQ處主動土壓力強度; eam為基坑底處浮重度產生的主動土壓力強度;ew為基坑底處水產生的側壓力強度。

Ⅳ型拉森鋼板樁實際長度取22.0 m。

圖1 多層支撐鋼板樁入土深度計算圖（一）

2.2 支撐及圍檁計算

工況一：按設置三道支撐圍檁基坑開挖至設計標高計算：

距支護結構b1外側，地表作用有寬度為b0的條形施工附加荷載q時(見圖2)，基坑外側深度CN范圍內的附加豎向應力為：

圖2 多層支撐鋼板樁入土深度計算圖（二）

設距基坑底y處土壓力強度為0，即外側主動土壓力強度與內側主動土壓力強度相等，則由

設定各道圍檁支撐承受相鄰兩跨各半跨上的土壓力，可計算出各道橫撐的支反力：

其中，Fn為所求圍檁支撐承受的土壓力，kN;D為支撐支點至鋼板樁定的距離;hn為支撐支點至上一支點的跨度;hn+1為支撐支點至下一支點的跨度。

1)鋼板樁強度計算。

假定支撐支點近視不轉動，即把每跨都視作兩端固定，并按最大跨度7.96 m和荷載最不利的基坑底部計算，荷載在該跨間等效換算成矩形荷載：q均=91.8 kN/m。

經計算Ⅳ型拉森鋼板樁強度滿足要求。

2)圍檁強度計算。

由于基坑三面臨水，且地界狹窄，考慮基坑僅從岸上一面開挖，故垂直于橋向不設橫向支撐，順橋向對稱設兩根支撐，每個角設兩根角撐，基坑平面詳細布置尺寸見圖3。

第一道圍檁采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm H型鋼，第二、第三道圍檁采用雙拼H588 mm×300 mm×15 mm×20 mm H型鋼;角撐采用與圍檁同型號的H型鋼;支撐采用外徑609 mm、壁厚16 mm鋼管。H400 mm×400 mm H型鋼截面模量Wx=3 268× 10－6m3，截面靜矩Sx=1 800.06×10－6m3，慣性矩Ix=65 361.6× 10－8m4，回轉半徑ix=17.45×10－2m;H588×300 mm H型鋼截面模量Wx=3 993×10－6m3，截面靜矩Sx=2 267.07×10－6m3，慣性矩Ix=117 398×10－8m4，回轉半徑ix=24.09×10－2m;外徑609 mm鋼管慣性矩 Jx=131 117.3×10－8m4，截面面積 A= 298.07×10－4m2，回轉半徑ix=20.97×10－2m。

圖3 基坑支撐圍檁平面布置圖

本文以第三道圍檁為例進行計算，圍檁按不等跨連續梁作用均布荷載進行計算。

a.長邊方向。

工況一，第三道圍檁長邊方向圍檁受力分析簡圖見圖4，均布荷載q3=F3=550.2 kN/m。

圖4 工況一第三道圍檁長邊受力分析圖

經計算最不利位置為中跨及D，E兩支點處，跨中最大彎矩Mmax=521.15 kN/m;D，E兩支點處最大剪力Qmax=1 182.93 kN，最大支反力Rmax=2 230.7 kN，最大彎矩Mmax=－750.5 kN/m。

b.短邊方向。

工況一，第三道圍檁短邊方向圍檁受力分析簡圖見圖5，均布荷載q3=F3=550.2 kN/m。

圖5 工況一第三道圍檁短邊受力分析圖

經計算最不利位置為中跨及C，D兩支點處，跨中最大彎矩Mmax=352.5 kN/m;C，D兩支點處最大剪力Qmax=990.36 kN，最大支反力Rmax=1 886.5 kN，最大彎矩Mmax=－538.8 kN/m。

根據計算，工況一第三道支撐圍檁長邊受力最為不利，故按長邊進行強度設計計算。

經計算工況一，第三道支撐圍檁強度、剛度均滿足要求。

3)支撐壓桿穩定計算。

對鋼管柱支撐及H型鋼角撐進行壓桿穩定計算。

a.工況一，第三道支撐圍檁角撐穩定計算。

最不利角撐為雙拼H588×300×15×20 mm H型鋼，其長度l=6.19 m。

b.工況一，第三道支撐圍檁鋼管支撐穩定計算。

支撐為外徑609 mm、壁厚16 mm鋼管，其長度l=13.8－2× 0.588=12.64 m。

經計算工況一，第三道支撐圍檁的角撐H型鋼及支撐鋼管的壓桿穩定滿足要求。

經計算其他工況的鋼板樁、圍檁、角撐及鋼管支撐的強度和剛度均滿足規范規定，計算方法同工況一第三道支撐圍檁，在此不再細述。

依據規范要求，深基坑支護應根據水位、地質及支護結構受力特點的具體要求進行結構變形、抗滲透穩定性、基底突涌穩定性等驗算。本工程由于拉森鋼板樁已穿透硬塑粉質粘土層，土層不透水，且周邊空曠，沉降要求等級低，結構變形、抗滲透穩定性、基底突涌穩定性等未做詳細驗算。

3 施工順序及要求

施工工藝流程：放樣定位→打設鋼板樁→安裝圍檁支撐→開挖基坑→澆筑底板墊層→拆除底層圍檁支撐→施工承臺→拆除中層圍檁支撐→澆筑墩身并回填基坑→拆除上道圍檁支撐→拔除鋼板樁。

3.1 鋼板樁施工

1)鋼板樁采用屏風式打樁法施工，即將多根鋼板樁插入土中一定深度，樁機來回錘擊，并使兩端1根～2根樁先達到要求深度再將中間部分的板樁順次打入，可防止板樁的傾斜與轉動，圍護結構要求閉合成環。2)準確放樣定設鋼板樁軸線，首先精確安裝上層圍檁，利用圍檁作為鋼板樁打設的導向架，上層圍檁要求在加工廠精確加工、現場準確安裝，并打設定位樁，以固定導向架。3)為確保鋼板樁完整平順和保證圍堰的密封效果，對進場鋼板樁要進行通過試驗，即以人力或卷揚機拖動一塊同型號長2 m～3 m的短樁，同時對兩側鎖口進行通過試驗檢查，鎖口通不過或樁身有彎曲、死彎等缺陷時，采用冷彎、熱敲(溫度不超過1 000℃)、焊補、割除、接長等方法加以整修。4)鋼板樁在打設時，樁的鎖口內，要涂以黃油混合物油膏(重量配合比為：黃油∶瀝青∶干鋸末∶干粘土=2∶2∶2∶1)，以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。5)鋼板樁沉樁應當保證其水平向、垂直向的線性和垂直度，同時注意后沉的鋼板樁應與先沉入樁的鎖口可靠連接。6)當基坑開挖后，如出現板樁鎖口不嚴密的漏水現象時，可采用棉紗、橡膠條等進行嵌塞堵漏。

3.2 圍檁支撐施工

1)按照先支撐后開挖的原則進行施工。即鋼板樁打設完畢后，先開槽將上層圍檁支撐設置好后，再進行基坑開挖。當基坑挖至第二、第三道圍檁處時，亦要先設置圍檁支撐體系，再向下開挖。

2)支撐安裝要保持在同一水平面，鋼圍檁與鋼板樁之間的間隙采用混凝土填筑，要使每根樁都能與圍檁有良好的接觸，以使結構均勻受力。

3)支撐體系完成后，土方挖至基底時要立即進行0.5 m厚墊層鋼筋混凝土施工，要求墊層與鋼板樁之間不留間隙，但要做好墊層與鋼板樁之間的隔離措施。

4)墊層采用C40鋼筋混凝土，墊層頂標高為承臺底標高，墊層上下各設一層鋼筋網，鋼筋型號Q235、直徑10、間距20 cm、保護層5 cm。

5)墊層混凝土強度達到要求后，拆除第三道圍檁支撐，進行承臺施工。

6)承臺混凝土達到強度要求，并拆除模板后，用粘土回填承臺與鋼板樁的間隙，回填土應分層填筑并夯實，填土至承臺頂標高處，拆除第二道圍檁支撐，留第一道圍檁支撐進行墩身施工。

7)墩身施工完成后，回填基坑，拆除第一道圍檁支撐，最后拔除鋼板樁。

4 結語

從工程實施情況看，本工程施工與設計計算基本一致，計算所選取的參數合理，能夠滿足實際工程要求。

鋼板樁支護體系由鋼板樁、鋼圍檁、支撐鋼管及斜角撐組成，現場拼裝焊接成整體支護體系，具有可重復周轉使用、施工快捷、水密性好、占用空間小等明顯的優越性;但由于其剛度小，變形較大，且打入和拔除對周邊環境具有一定的影響，故對鄰近變形敏感的建(構)筑物的基坑工程應慎重選用。

［1］ JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程［S］.

［2］ 劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京：中國建筑工業出版社，2009.