淺談拉森鋼板樁在深基坑施工中的支護應用

曹歡

采用拉森板樁圍護不僅施工工序簡單、強度高，而且施工速度方面快捷、造價費用低，性價比高，所以在類似的基坑圍護中得到廣泛應用。本文結合案例來進行闡述。

1.工程概況

全廠節水與廢水綜合治理改造土建及拆除工程項目中的排泥池，考慮到項目工期要求緊，根據現場條件綜合考慮，采用拉森樁進行基坑支護，在滿足質量、安全和進度要求上均可滿足。

根據設計圖紙，在原有凈水站系統新建一個排泥池，長度19.8m，寬度為4.2m，基坑深度5.2m，原地面標高為3.7m，地下水位標高為3.2m 左右。

2.支護結構設計

在本基坑的支護設計采納IV 型拉森鋼板樁，鋼板樁的長度為12m。圍囹均采用500mm×300mm×11mm×15mmH型鋼，垂直距離設置1 道400mm×200mm×8mm×13mmH 型鋼雙拼水平支撐。水平支撐的標準間距為3m（見圖1）。

鋼支撐和鋼圍囹的自重由小牛腿來支承，小牛腿采用20#槽鋼，小牛腿長度宜超過圍囹外邊5cm 以上，小牛腿與圍護樁焊接、水平支撐和圍囹連接，均雙面角焊縫，且焊縫高度不小于8mm，牛腿每隔2m 設置一個。

3.施工技術措施

3.1 鋼板樁的打樁

鋼板樁的插打是一個比較重要的工序，對整個支撐體系質量的好壞起到決定性因素，所以首先必須選擇正確的打樁技術，以確保鋼板樁打樁完畢后形成一個剛度和防水性較好的支撐體系，以便對后續施工提供有效的施工安全空間[1]。

鋼板樁插打的機械采用帶震動錘履帶式挖機。12m 的鋼板樁在施打中，鋼板樁容易向一邊歪斜，如果以此累計的話，誤差越來越大不易糾正，所以適合采用屏風式打入法，安裝導架。

圖1 鋼板樁支撐平面布置圖

封閉式鋼板墻的施工，首先要從邊角處開始插打，第一根鋼板樁的打入質量決定著后續鋼板樁的插打質量，開頭沒施工好，后續的延伸也會誤差越來越大，導致整體誤差越來越大。同時第一根鋼板樁也是最難施工的，由于單根打入很容易向某一邊歪斜，必須重視此問題，因此測量人員對鋼板樁圍墻的軸線測量是尤為重要的。

插打中必須監測每一根鋼板樁的傾斜度，保證其傾斜度不超過2%。如果發現鋼板樁的偏斜度過大，那么必須調整振動對其進行調整，如果調整后還達不到規范范圍，必須拔起重新插打。

3.2 基坑挖土及鋼管內支撐安裝

土方開挖選用1 臺長臂挖機施工，應該采取先支撐后挖土的形式，分別分層進行出土。

開挖深度＜6m 的基坑開挖分兩個階段，第一階段挖到支撐下0.5m 左右，停止挖土安裝內支撐，先將45cm 的牛腿焊在拉森鋼板樁上，所有的牛腿標高必須一致，誤差控制在1cm 之內，然后采用15T吊機兩點起吊400mm×200mm的H型鋼，安放在牛腿上，兩端采用點焊在拉森鋼板樁上，防止圍囹水平位移。水平支撐采用吊機兩點起點，臨時擱置在牛腿上，同時吊機靜止吊著防止滑落，水平支撐必須保持與圍檁的垂直度，水平支撐與圍囹的焊縫高度大于等于8mm，支撐完畢后挖土到基坑底以上30cm 左右，再采用人工挖土，以防止機械土方超挖，人工挖土至基坑設計底標高[2]。

3.3 鋼板樁的拔除

拔樁時，可以先振動錘原地震動，目的在于減小鎖口阻力及土的阻力，然后同振同拔。如果遇到引拔阻力較大的拉森鋼板樁時，停止向上拔樁，同時原地振動控制在15min 左右，直至振活或者震松鎖扣，達到鎖口以及土的阻力[3]。

當鋼板樁拔除的高度，比廢水池底板高50cm 時，應暫停拔樁，先震動5min后，以便讓土孔盡量填實一點，然后再繼續往上拔。最后鋼板樁拔除后土體上留下的縫隙，應第一時間黃砂回填。

4.基坑支護驗算

4.1 荷載計算

（1）土質基本參數（見表1）

根據地址報告，鋼板樁擋土墻后各層物理力學性質不一，采納加權平均法計算內摩擦角φ、容重γ、C。

根據下列公式：r=∑rihi/H

C=∑Cihi/H

Φ=∑Φihi/H

其中：r、C、Φ—換算土層的等效重度、等效粘聚力和等效內摩擦角；

ri、Ci、Φi分別代表各分層土的重度、粘聚力和內摩擦角；

hi —各分層土的土層厚度；

H —各分層土的總厚度，H=∑hi。

將數據帶入得出：

r=（18.5×2+17.4×3.2）/5.2=17.8kN/m3

C=（18×2+12×3.2）/5.2=14.3kPa

Φ=（15×2+14.9×3.2）/5.2=14.9°

（2）力學分析

根據下列公式：

主動土壓力系數為Ka=tan2（45-Φ/2）=0.591

被動土壓力系數Kp=tan2（45+Φ/2）=1.692

王力先生主編的《中國古代文化常識》，一直暢銷不衰。我們這個簡明精華本突出精簡干練、定價合理、優雅小巧的人文經典讀本，同時納入“含章文庫-大家談”叢書之中，此系列叢書亦是鳳凰含章圖書公司著力打造的經典人文讀物工程，包括語言文化類、歷史類、文藝類、詩詞類、思想類、藝術類等六大門類方向，涵蓋中國近現代一流大師級作者五十多位，為現代人奉獻優質精神食糧。

Φ=14.9°代入上式得出：Ka=0.591 Kp=1.692

基坑四周的施工荷載取值為q=20KN/m2，所以轉化為土壓力的高度為h=q/r=20/17.8=1.13m。

根據地質報告，該位置的地下水位的標高H 水=3.20m，根據下列公式：

主動土壓力Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）

表1 地基土承載力特征值

主動水壓力Pa水=r1H水Ka

其中：r —土加權容重，r=17.8kN/m3；

H土—基坑深度、施工荷載轉化為土壓力高度（h）兩者之和；

Φ—加權內摩擦角；

r1—水的容重，r1=10 kN/m3；

H水—地下水距離基坑底高度，H水=5.2-0.5=4.7m。

土壓力Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×（5.2+1.13）×0.591-2×14.3×0.769=44.60kN/m2

圖2 作用于鋼板樁的土壓力分布簡化圖

水壓力Pa水=r1H水Ka=10×4.7×0.591=27.78 kN/m2

故P總=Pa土+Pa水=44.60+27.78=72.38 kN/m2

4.2 支撐點驗算

查表得，IV 型的鋼板樁的參數W=2037cm3,容許抗彎強度[f]=200000kPa，

則Mmax=[α]W=407.4kN

根據《建筑施工計算手冊》計算允許抵抗彎矩計算樁頂部懸臂部分的最大允許跨度h0

Mmax=rKah03/6

r —土的容重，取值17.8KN/m3；Ka代表主動土壓力系數，取值0.591，

代入數據407.4=17.8×0.591×h03/6

h0=6.160m

根據各支撐等彎矩布置則

h1=1.11h0=6.776m h2=0.88h0=5.420m

故設置一道支撐可以滿足規范要求。

實際支撐點調整為h0=1.5m，h1=3.2m

4.3 圍囹和鋼支撐計算

（1）圍囹驗算

圍囹采用500×300×11×15 的H 型鋼，查表得該型鋼的截面特性：

I=62459.6cm4，W=1148cm3，容許抗彎強度[f]=200000KPa

由于基坑長度為19.8m，橫向支撐中間標準的間距是3.0m，兩端橫向的間距2.4m，為了簡化計算，按最大間距3.0m橫向支撐，按簡支梁來計算。

圖3 支撐點受力分析

根據上圖分析分別計算出A 點、B點土壓力和水壓力，

主動土壓力Pa土=rH土Ka-2Ctan（45-Φ/2）

主動水壓力Pa水=r1H水Ka

其中：r —土加權容重，r=17.78kN/m3；H土—基坑深度、施工荷載轉化為土壓力高度（h）兩者之和。

Φ—加權內摩擦角；

r1— 加水的容重，r1=10 kN/m3；

H水— 地下水距離計算點高度 。

A 點：Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×1.130×0.591=11.89 kN/m2

A 點：Pa水=0kN/m2

B 點：Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×4.48×0.591-2×14.3×0.7691=25.13 kN/m2

B 點：Pa水=r1H水Ka=10×2.85×0.591=16.84 kN/m2

所以圍囹總壓力P總=（11.89+0+25.13+16.84）/ 2=26.93 kN/m2

支撐反力：Q=P均×A=26.93×3×3.35=270.65kN

故q=P總×（h0+h1/2）

q=26.19×3.35=87.74kN/m

M=ql2/8=87.74×3×3/8=98.71kN.m

圍囹最大彎矩：MMax=W[f]=2498×10-6×200000=499.6 kNm

M=98.71 KN.m ＜MMax=499.6 kNm

所以500×300H 型鋼圍囹滿足設計要求。

（2）水平支撐桿的受力計算

水平支撐采用400×200×8×13 雙拼作為水平支撐。

計算長度取值8.8 m，支撐面A=81.9cm2，轉動慣量I=22964mm4

容重r=78.5 kN/m3彎曲界面系W=1090m3回轉半徑 i=15.9cm

桿件長細比：λ=880/15.9=55.34

查表得失穩系數：φ=0.742

故支撐桿的抗彎應力α1=Q/A/φ

其中：Q — 單根支座反力Q=270.65KN/2=135.32×103N；

A—截面積 A=81.9cm2=8190mm2。

數據代入上式中，

σ1=135.32×103/8190/0.742=22.27/mm2

其中：自重彎矩M=ql2/8=r鋼AL2/8；

r—鋼的容重 取值78.5kN/ m3；

A—支撐桿截面積，取值81.9；

L—支撐桿長度，取值6。

數據代入上式中，得出

自重彎矩M=78.5×81.9×10-4×6×6/8=2.89/6.5kN.m

自重應力σ2=2.89×106/1090×106=0.003N/mm2

故α總=σ1+σ2=22.27+0.003=22.273N.mm ＜200Nm

所以400×200H 型鋼雙拼水平支撐符合要求。

4.4 入土深度計算

根據盾恩法計算樁的入土深度

rHKa（hi+t）=r（Kp-Ka）t2

其中：H — 基坑至樁頂高度；

hi — 最后一道支撐距離基坑底距離取值3.70m。

Kp 被動土壓力系數，取值1.692 Ka=0.591

解得t=5.48m

所以應乘以個安全系數1.2，T=1.2t=6.57m

故鋼板樁最短長度為6.57+5.2=11.77m

選擇12m ＞11.77m，所以12m 鋼板樁符合要求。

4.5 抗隆起計算

根據《施工建筑計算手冊》抗隆起安全系數的計算公式

H — 鋼板樁的深度 取值12m；

h — 基坑最大開挖深度 取值5.20m；

h1—基坑最底一層一道支撐的深度取值3.70m；

t — 排樁有效計算插入坑底深度 取值6.8m；

Ka —主動土壓力系數 取值0.591

q — 施工荷載 取值20kN/m；

r —土的加權容重 取值17.8 KN/m2；

C — 土的粘聚力取值14.3 kPa。

代入數據得出K=2.06 ＞1.0，所以抗隆起系數安全。

4.6 抗管涌驗算

不發生管涌的條件為：

（Khrw-Rh）/2R ≤t,其中：

K — 抗管涌安全系數，取K=2.0；

R — 土的浮容重，r為地基土的重度，則R=r-rw=10kN/m3

rw— 地下水的重度；10 kN/m3

t — 圍護墻的入土深度；6.80m

h — 地下水位至坑底的距離，（即地下水形成的水頭差）。取值4.7m

代入數據得出：

（2×4.7×10-10×4.7）/2×10=2.35≤6.8m

所以不會發生管涌的現象。

5.基坑監測

5.1 利用監測儀器進行基坑監測

在基坑監測過程中，要使用水平儀和經緯儀進行測量。地面和完工過程中的標高以及沉降需要用水準儀進行測量；不同位置點的水平位移需要用經緯儀進行測量。

5.2 布置監測和頻率檢測

在廢水池基坑的施工過程中，對拉森鋼板樁支護進行監測，在控制點的設置中，應將其設置在距離鋼板樁5m 的位置處。在基坑開挖前要用經緯儀和水準儀測出初始值，同事要對原始值機械能誤差檢驗。檢測頻率需要根據開挖過程中實際情況進行調整。在開挖過程中，檢測頻率不少于每小時2 次。在發現鋼板樁頂變化較大時，則適當增加檢測次數，觀測穩定時可延長觀測時間[4-5]。

6.結束語

在本工程施工過程中，廢水池基坑周圍土體以及底部均未出現基坑土體剪切破壞或者失穩的跡象，周邊管線以及建筑物均為僅出現微小的沉降，位移幾乎為零，充分體現了拉森鋼板樁施工速度快，且施工安全的特點。

拉森鋼板樁施工工藝比較簡單，且施工工期短、施工費用低，目前在類似項目的基坑圍護中得到廣泛應用，值得類似工程參考。