拉森鋼板樁加鋼支撐支護形式設計及應用

儲 潔

(無錫水文工程地質勘察院有限責任公司，江蘇 無錫 214100)

0 引言

錢七虎院士指出19世紀是橋的世紀，20世紀是高層建筑的世紀，21世紀是“地下空間”的世紀。地上空間的日漸不足促使地下空間的開發利用成為當前城市建設的熱點之一，改造開發新型地下區域已成為一種必然，諸如大規模的地下綜合體、地下商場，以及大量的市政工程如地下停車樓、廢水處置系統、地下綜合管廊等。基坑工程呈現出“大、深、緊、近”的特點[1,2]。基坑規模越來越大，開挖越來越深，周邊環境復雜敏感，臨近大量管線、建筑物和地鐵等，面臨的技術挑戰和施工風險越來越大。

目前對于開挖深度小于6.0 m的基坑，若周邊較空曠，大部分都在采用復合土釘墻支護和深層攪拌樁止水，這種支護形式優點是工程造價低、工期短，缺點是變形較大[3]。而對于開挖深度大于7.0 m的深基坑，傳統的支護形式是排樁加內支撐，這種支護形式優點是變形較小、易控制，缺點是工程造價高，工期長[4]。由于支護工程畢竟是臨時性的工程，支護結構在安全可靠的前提下允許其有一定的變形，努力使工程造價最低，實現投資效益的最大化。拉森鋼板樁加鋼支撐支護形式就是解決挖深7.0 m～10.0 m深基坑的一種既經濟又安全的方法。

1 拉森鋼板樁加鋼支撐支護形式的特點

對于開挖深度在7.0 m～10.0 m的中等深度的基坑，在保證安全的前提下，可以考慮采用拉森鋼板樁加鋼支撐支護形式。具有下列幾項主要特點：

1)拉森鋼板樁既能擋土又能止水，不需要再單獨設置止水帷幕，可節約工程造價。

2)拉森鋼板樁施工結束即可進行土方開挖，無需養護時間，因此縮短了工期。

3)采用高頻液壓振動對周邊環境破壞影響較小。

4)拉森鋼板樁可重復使用，綠色環保，經濟效益較高。

拉森鋼板樁作為一種高效節能的綠色環保支護形式，適用于受場地等條件限制必須進行垂直開挖的地下工程施工。

2 工程概況

本工程位于蘇州工業園區某廠區內，現大部為荒地，局部為停車場和廠區道路，整個場地地勢略有起伏。根據區域地質資料，本地區第四紀以來地殼運動以沉降為主，廣泛接受堆積，形成廣闊單一的堆積平原地貌。第四系地層分布廣，厚度大。

地下構筑物為涂裝渣撈取室設備基坑，基坑大小15.0 m×17.0 m，基坑周長約64.0 m，基坑面積約255.0 m2，開挖深度8.85 m。自然地坪相對標高-0.35 m。

基坑開挖影響深度內，場地土層自上而下依次為：

①1素填土：停車場、廠區道路部位上部為厚約15 cm～30 cm的水泥地坪，下部以回填粘性土為主，灰黃～灰褐色，軟塑狀態，局部含較多碎石、磚塊，不均勻，回填時間約9年。

①2素填土：灰黃～黃灰色，軟塑狀態，局部為灰黑色流塑狀態的淤泥質填土，夾少量碎石、磚塊，不均勻，回填時間約12年。

②粘土：褐黃～黃褐色，可塑狀態，含少量鐵錳質結核，塊狀結構，較均勻。無搖振反應，有光澤，干強度高，韌性高。

③粉質粘土：灰黃色，可塑狀態，含銹斑，尚均勻。無搖振反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。

④1粉土夾粉質粘土：灰黃色，稍密狀態，很濕，局部夾粉質粘土較多，不均勻。搖振反應中等，無光澤，干強度低，韌性低。

④2粉土：灰黃～黃灰色，中密狀態，濕～很濕，局部夾少量粉質粘土，不均勻。搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低。

⑤粉質粘土：灰色，軟塑狀態，局部夾少量粉土薄層，不均勻。無搖振反應，稍有光澤，干強度中等，韌性中等。

⑥1粉土夾粉質粘土：灰色，稍密狀態，很濕，局部以粉質粘土為主，不均勻。搖振反應中等，無光澤，干強度低，韌性低。

⑥2粉土：灰色，中密狀態，濕～很濕，局部夾粉質粘土薄層較多，不均勻。搖振反應迅速，無光澤，干強度低，韌性低。

3 基坑周邊環境

基坑周邊環境用地較緊，四周均為工程樁或地坪樁，樁頂標高-1.90 m，基坑北側距離工程樁最近3.9 m，基坑南側距離工程樁最近4.9 m；基坑西側距離工程樁最近6.3 m；基坑東側距離地坪樁最近1.7 m。基坑周邊環境示意圖如圖1所示。

4 基坑支護方案設計

由于基坑距周邊工程樁或地坪樁的距離比較近，所以在確保安全、工期并降低工程造價原則下，采用放坡與400×170拉森Ⅳ型鋼板樁(L=15.0 m)聯合，內設二道水平鋼支撐的支護方式。

由于上部4.0 m為素填土，松散，對支護結構產生較大的主動土壓力，由于基坑距離工程樁或地坪樁還有一定距離，東側最近約1.70 m，因此對上部1.50 m進行放坡掛網噴漿處理，以最大的限度減少主動土壓力。基坑平面如圖2所示。

5 整體計算分析

整體計算采用MIDAS有限元軟件計算。MIDAS提供了多樣化的建模方式，強大的分析功能，利用最新求解器獲得最快的分析速度。

5.1 基本假設

1)按平面問題進行處理。

2)支護結構周邊的被動土壓力采用僅受壓彈簧模擬。

3)作用在圍檁上的土壓力按均布荷載考慮。

5.2 計算模型

嚴格按照實際工程原型尺寸進行建模，其中圍檁采用梁單元，角撐采用桿單元，建立好的支護結構模型如圖3所示。

5.3 單元材料參數

圍檁：單根H400×400×13×21型鋼的標準截面面積為21 454 mm2，采用Q235鋼材，材料抗壓強度設計值均為205 N/mm2。

角撐：H400×400×13×21型鋼，面積21 454 mm2，彈性模量E=2.06 GPa，采用桿單元。

被動土壓力彈簧剛度：坑外被動土彈簧剛度K=30 000 kN/m。

5.4 計算結果及分析

5.4.1基坑整體位移

圖4為支護結構總位移圖，從圖4中可以看出，基坑第一道支撐總的位移控制在3 mm之內。位移最大值為2.8 mm，位于基坑長邊的中間，滿足基坑變形的要求。

圖5為支護結構總位移圖，從圖5中可以看出，基坑第二道支撐總的位移控制在7 mm之內。位移最大值為6.6 mm，位于基坑長邊的中間，滿足基坑變形的要求。

5.4.2支撐桿件內力

第一道支撐計算結果分析：根據組合應力最大的軸力和彎矩驗算圍檁強度：

第二道支撐計算結果分析：根據組合應力最大的軸力和彎矩驗算圍檁強度：

圍檁強度滿足規范要求。

該基坑支護工程自鋼板樁施工至基礎底板完工歷時3個月，根據對基坑的監測結果顯示，樁頂位移最大在基坑長邊中間，其最大位移為5.8 mm，與設計計算位移基本一致，無險情發生，表明上部放坡與400×170拉森Ⅳ型鋼板樁聯合，內設二道水平鋼支撐的支護方式在本基坑中的運用是成功的，見圖6～圖9。

6 結語

1)對于開挖深度在7.0 m～10.0 m的中等深度的基坑，在保證安全的前提下，采用上部放坡與拉森鋼板樁聯合，內設水平鋼支撐的支護方式是可行的。

2)拉森鋼板樁作為一種高效節能的綠色環保支護形式，適用于受場地等條件限制必須進行垂直開挖的地下工程施工。

3)基坑樁頂變形量軟件計算分析結果與現場監測數據基本保持一致。

4)由于鋼板樁打拔有一定的震動，對于場地環境特別復雜，周邊建筑物對變形要求嚴格的工程應慎用。