鋼板樁在軟土窄基坑支護中的應用

◎林克昌

（作者單位：中化地質江蘇巖土工程有限公司）

由于鋼板樁具有施工便捷、可回收的特性，因而在管道溝槽基坑中得到了大量的應用。本文結合管道溝槽狹長的特點，分析了鋼板樁在管道溝槽基坑中應用的幾個關鍵問題，具體包括：鋼板樁的選型、基坑開挖寬度的確定、鋼板樁嵌固深度的確定和鋼板樁打拔方式的選擇等。

一、引言

鋼板樁支護是一種用機械將特定型號的鋼板樁打入地下，形成一道連續的地下板墻，作為基坑圍護結構的支護方式。鋼板樁是預制好的成品，可直接運送至現場即時施工，具有施工速度快的特點。鋼板樁可拔出再利用，具有綠色可回收的特點。鋼板樁在橋梁基礎圍堰中得到了大量的應用。

管道溝槽是為了明挖埋管需要而開挖的溝槽，在溝槽開挖完成后，在基底施工墊層、管道基礎、埋深管道、回填溝槽等一系列工作。隨著城市建設的不斷發展，尤其是海綿城市的大量建設，新建了大量的市政管道。這些管道往往位于已建道路或小區內，周邊需保護的管線、建筑物眾多，且往往施工空間小，因此，鋼板樁在市政管道溝槽基坑中也得到了大量的應用。

管道溝槽基坑具有狹長的特點，其沿管道縱向很長，從幾米到幾公里甚至上百公里不等，但其開挖寬度窄，往往只有2～4m，屬于窄基坑。工程實踐表明，狹窄基坑具有更好的穩定性。因此，其他條件相同時，狹窄基坑圍護結構插入深度可以適當減小。

本文結合管道溝槽基坑狹長的特點，從鋼板樁的選型、基坑開挖寬度的確定、鋼板樁嵌固深度的確定和鋼板樁打拔方式的選擇四個方面進行了分析。

二、鋼板樁的選型

鋼板樁的型式很多，常用的有槽鋼和拉伸鋼板樁等。槽鋼支護為一種簡易的鋼板樁，由槽鋼正反扣或并排搭接而成，槽鋼型號常用的為25a～30a，長度一般為6m，一般適用于開挖深度＜3m的基坑。

熱軋U型鋼板樁是鋼板樁最為常見的型式，型號多樣，標準表示形式為SP-U+有效寬度W1×有效高度H1×腹板厚度t，常用的為SP-U400×170×15.5（俗稱拉伸Ⅳ鋼板樁，其中SP為鋼板樁英文名稱sheetpile的縮寫）。鋼板樁長度有6m、9m、12m、15m和18m等，其中9m、12m和15m較為常見。鋼板樁的鋼材牌號為Q295bz、Q390bz和 Q420bz，市面上常見的是 Q295bz，表示其屈服強度為295MPa。

鋼板樁的選型應根據受力和變形分析確定，理論上鋼板樁剛度越大，抗變形和抗彎能力越強，但為了鋼板樁采購便捷、租賃方便，設計及施工時多采用SP-U400×170×15.5鋼板樁，當設計計算該型號鋼板樁不滿足強度及變形要求時，可通過增設鋼支撐來減少鋼板樁的受力和變形，在軟土地區，當基坑開挖深度＞5m時，往往需要增設二道甚至三道鋼支撐。鋼支撐道數的增加，會給土方開挖和管道埋設帶來不便，降低施工效率。如能采用大截面鋼板樁增加鋼板樁自身抗彎剛度，減小鋼支撐道數，將會為土方開挖和管道埋設帶來便捷。因此，隨著管道溝槽基坑越來越深，大截面的鋼板樁需求會越來越多，增加大截面鋼板樁的市場保有量迫在眉睫。

三、基坑開挖寬度的確定

基坑開挖寬度的確定需綜合考慮管道直徑、接頭型式、挖土機抓斗寬度、圍檁尺寸、施工肥槽等因素，以管道兩側均采用鋼板樁+鋼圍檁及鋼支撐支護為例，溝槽基坑的開挖寬度可用下式表示：

式中：B為鋼板樁內側寬度；D為管道內徑；t為管道壁厚；n為管道壁厚的個數，對于平口接頭，n取2，對于承插口接頭，n取4；W為圍檁寬度；C為預留肥槽寬度。

某管道溝槽工程，管道采用鋼筋混凝土管，其內徑為1200 mm，壁厚120mm，承插口接頭，采用SP-U400×400×15.5鋼板樁支護，頂部設一道HW400×400×13×21圍檁，中部每隔5m設一道HW400×400×13×21橫撐，考慮300mm肥槽以便于工人操作，支護剖面如圖1所示。據式（1），可計算出其基坑開挖寬度為：

圖1某管道溝槽基坑支護典型剖面

四、鋼板樁嵌固深度的確定

鋼板樁嵌固深度是指鋼板樁插入基坑開挖面以下的長度，嵌固深度的確定與基坑抗傾覆和抗隆起穩定性有關。以圖所示單支點鋼板樁支護為例，鋼板樁的抗傾覆穩定性安全系數為主動區主動土壓力對支點的傾覆力矩和被動區被動土壓力對支點的抗傾覆力矩之比，如圖2所示，用公式表示為：

該式是基于經典土力學推導而來，相當于主動區形成與水平面成45o+φ/2的完整滑裂面，被動區形成與水平面成45o-φ/2的完整滑裂面，被動區需要一定的寬度以滿足45o-φ/2滑裂面的形成。以圖1中鋼板樁A為例分析，式3適用的條件為鋼板樁A墻背形成滑裂面AF，墻前形成滑裂面AB。但由于管道溝槽基坑往往開挖寬度較小，對側鋼板樁的存在阻斷了被動區滑裂面AB的形成，因此，被動區的實際滑裂面不是AB，而是AC。由于沿AB滑裂面形成的土楔ABD提供的土反力是最小的被動土反力，因此沿AC滑裂面形成的土楔ACD提供的土反力要較土楔ABD提供的大。在相同抗傾覆安全系數的要求下，由土楔ACD算出的樁的嵌固深度要較土楔ABD算出的小。

由于目前深基坑支護設計計算多依賴理正深基坑、同濟啟明星等電算軟件，這些電算軟件在編制時均是完全依照規范上的公式，不考慮基坑開挖寬度對被動區土反力的影響，因此，設計人員在設計管道溝槽基坑時，不可盲目按電算結果計算出的嵌固深度進行設計。而應考慮管道溝槽基坑的寬度效應，結合手算，合理確定管道溝槽基坑支護樁的嵌固深度，避免嵌固深度過大造成浪費。

圖2 基坑抗傾覆穩定計算

五、鋼板樁打拔方式的選擇

鋼板樁打拔的方式主要有靜力打拔和動力打拔兩種方式。目前常見的主要為振動打拔，即在鋼板樁樁頭施加激振力，通過激振力和機械手的豎向力共同作用將鋼板樁打入土體內部或從土體內部拔出。由于靜力打樁設備昂貴，機械進出場費和租賃費用遠高于振動打樁設備，因此，盡管靜力打拔樁具有無振動、無噪音、高精度等優點，但實際工程中并沒有廣泛應用。

目前，基坑坑邊地面開裂是振動打拔鋼板樁在淤泥質粉質黏土或松散砂層中應用所存在的主要問題，振動打拔鋼板樁引起的地面開裂如圖3所示。鋼板樁振動會對軟塑～流塑狀的淤泥質粉質黏土造成振陷、對松散的砂層造成振密，從而引起地面沉降，造成地面開裂。鋼板樁拔出過程的振動往往大于打入過程的振動，這是由于鋼板樁打入后鎖扣相互咬合形成一個整體，鋼板樁在拔出的過程中，雖然只拔一根鋼板樁，但也會帶動其相鄰兩側一定范圍內鋼板樁呈被拔趨勢，從而增大鋼板樁拔樁的難度，需要增大激振力。因此，在鋼板樁打入前，在鋼板樁樁身涂抹黃油等減摩劑可減輕鋼板樁拔出過程中的阻力，減小振動。

圖3鋼板樁振動打拔造成地面開裂

另鋼板樁在軟土地層中，拔出過程中會帶出一部分土體，造成土體損失，如拔出后的空隙不及時注漿充填，那空隙兩側的土體會向縫隙內滑動，從而造成地面沉降甚至引起地面開裂。因此，鋼板樁拔出后的空隙應及時注漿充填。目前，大量的工程實踐表明，在鋼板樁拔出過程中同步注漿可有效減少鋼板樁拔樁產生的縫隙對周邊地層的擾動。即在拔樁前，在每塊鋼板樁墻背0.1m處預埋注漿管，在鋼板樁拔出前即開始啟動注漿，待漿液使鋼板樁樁底土體受注漿壓力影響并向鋼板樁位置流動時開始緩慢拔出鋼板樁。在緩慢拔樁的過程中，漿液在壓力作用下向鋼板樁拔出后的空隙流動，能夠及時填實鋼板樁拔樁產生的縫隙，有效減小縫隙兩側土體的擾動和變形，從而能夠減小拔樁對周邊地面的擾動。

振動打拔鋼板樁適用于基坑周邊環境寬松，沒有重要的自來水管、燃氣管、地鐵隧道、淺基礎房屋等地段，對于周邊環境要求嚴格的區段，應采用靜力打拔鋼板樁的方式。靜力打拔鋼板樁沒有振動，不會產生振陷或振密的現象，因此對周邊地層擾動小，基坑周邊土體的變形主要來自于基坑開挖過程中鋼板樁在墻背主動土壓力的作用下向坑內的水平變形和鋼板樁拔樁過程中產生縫隙引起的周邊土體的變形，鋼板樁拔樁過程同步注漿仍然非常重要。

六、結論

1.鋼板樁的選型應綜合受力和變形分析確定，市面上常用的鋼板樁型號為SP-U400×170×15.5鋼板樁，當設計計算該型號鋼板樁不滿足強度及變形要求時，可通過增設鋼支撐來減少鋼板樁的受力和變形。

2.鋼板樁支護的寬度應綜合管徑、壁厚、接頭型式、圍檁尺寸和預留肥槽寬度等綜合確定，可按公式B=D+n×t+2×W+2×C計算。

3.管道溝槽基坑狹窄，鋼板樁的嵌固深度應按考慮基坑寬度的實際滑裂面進行計算，不可盲目按規范進行計算。

4.鋼板樁振動打拔適用于基坑周邊環境寬松的區段，對于周邊環境保護需求高的區段，應采用靜力方式打拔。無論振動還靜力打拔鋼板樁，都應采用同步注漿的方式以減少拔樁縫隙產生的不利影響。