既有建筑物旁深基坑鋼板樁支護技術研究

李為儒 LI Wei-ru

（中鐵二十五局集團第五工程有限公司，青島 266109）

0 引言

目前越來越多的城市開展了綜合管廊項目的施工，城市綜合管廊匯集了城市主要管道的敷設（如燃氣管道、熱力管道、電力管道、給水管道等），不但避免了以往管道敷設對城市交通及周邊環境的影響，提高了城市的市容市貌，而且也使得管道的維修和更換更為方便快捷。但由于城市管道多穿越主城區，周邊管線及建筑物繁多，使得基坑開挖后的支護非常重要。基坑支護受力也比較復雜，不但要承受支擋的土壓力，還有周邊交通車輛所產生的側壓力等。在長春市地鐵2號線一期工程西湖車輛段與綜合基地室外地下管廊基坑施工中，由于該管廊緊鄰既有建筑物且基坑較深，加之施工區域地下水位埋藏較淺，使得基坑開挖后土體極易坍塌從而威脅周邊建筑物的安全。為此項目部通過對施工區域地質狀況進行詳細調查，決定采用拉森鋼板樁進行基坑支護。相比于其他支護類型，拉森鋼板樁不但自身剛度較大可以滿足深基坑支護需求，保證了基坑內的作業安全，而且鋼板樁支護成型后止水效果也很好，有效減少了基坑周邊地下水的匯集，減緩了地下水位在土體顆粒之間的徑流，防止土體顆粒之間內摩擦角減小而使得地面產生較大沉降。同時拉森鋼板樁打拔快速且可重復利用，減小了流水施工搭接間隙，加快了施工進度，降低了施工措施費用。通過現場實際應用，拉森鋼板樁支護結構在城市管廊既有建筑物旁深基坑施工中取得很好的效果。

1 工程概況

長春地鐵2號線工程屬于長春地鐵公司和中鐵建股份公司合作的BT項目，我標段為第九標段——西湖車輛段與綜合基地，包括運用庫、咽喉區、聯合檢修庫等12個單體建筑物。車輛段內大型建筑采用鋼筋混凝土框架及排架結構，小型建筑采用砌體結構，局部采用鋼結構，基礎為預應力管樁基礎。車輛段內綜合管廊主要為鋪設電力、通訊和給排水管線而設置，場區內地下管溝沿道路布置。

管溝高度為2.5m,管溝寬度為3.6～5.85m，頂部覆土厚度為1.8m。結構形式為鋼筋混凝土箱型結構。管溝截面形式如圖1所示。

圖1 管廊結構示意圖

根據場地地層及開挖經驗，由于第①層填土成分復雜，較為松散；粉質粘土②2、②21層呈可塑偏軟、局部軟塑狀態，受震動易變形；粉質粘土②1層失水再遇水時易崩解，基坑開挖深度大于4.00m應進行基坑支護。

2 圍堰結構設計

站場內管廊開挖深度在5.6m左右，開挖最深處為6.9m，由于管廊開挖較深且距建筑物較近，大放坡開挖會危害到建筑物的結構安全，因此在施工中采取垂直開挖鋼板樁支護措施以保證建筑物的結構安全。

本工程采用拉森鋼板樁，內支撐作為基坑復合支護體系。基坑采用600mm×210mm×9m拉森鋼板樁內支撐支護，自然地面打入鋼板樁。距樁頂1.80m做圍檁，采用300×300H型鋼，內支撐采用?426鋼管，間距4.00m。集水坑深度6.90m深基坑位置在據樁頂下4.5m位置設置第二道支撐，圍檁采用300×300H型鋼，支撐采用?426鋼管，下挖至設計深度。詳見圖2。

圖2 基坑支護設計結構圖

3 鋼板樁支護結構受力計算

3.1 土層參數詳見表1

表1 土層參數表

3.2 受力計算

采用彈性法建立土壓力模型[1]，以開挖至最深處為最不利工況進行計算，如圖3所示。

圖3 最不利工況下支護受力圖

3.2.1 鋼板樁抗彎受力計算

鋼板樁外側基坑抗彎受力計算（不考慮軸力）σwai=Mw/Wx

式中：

σwai——基坑外最大受力彎矩應力（MPa）；

σnei——基坑內最大受力彎矩應力（MPa）；

Mw——基坑外最大設計彎矩值（kN·m）；

Mn——基坑內最大設計彎矩值（kN·m）；

Wx——X軸方向鋼材截面慣性模量（m3）；

f——鋼材理論抗彎強度值（MPa）。

3.2.2 鋼板樁整體抗傾覆計算

抗傾覆安全系數：

Mp——被動土壓力及周邊水平力合力對鋼板樁底部產生彎矩，對內支撐處應力由內支撐所產生的抗壓力來確定。

Ma——周邊土壓力對鋼板樁底部的彎矩力。

Ks=7.185>=1.200，滿足規范要求。

3.2.3 抗隆起驗算

①由支護樁底部為起點，按照土層結構分層進行抗隆起計算，結果如下：

鋼板樁底部，抗隆起安全性驗算：

Ks=2.819≥1.600，抗隆起安全性滿足。

深度113.500處，驗算抗隆起：

Ks=3.616≥1.600，抗隆起安全性滿足。

②以最底層支撐點為受力轉動軸中心為模型計算基坑底部抗隆起，結果如下：

Ks=1.934≥1.900，坑底抗隆起穩定性滿足。

4 鋼板樁支護主要施工工藝

4.1 鋼管樁圍堰施工工藝流程

鋼板樁支護雖然在基坑開挖之前就已經完成，但由于鋼板樁支護涉及到管廊施工的全過程，因此鋼板樁必須在管廊地下結構施工完成且回填后方可拔出。所以鋼板樁施工過程不但要考慮打設的施工，還需考慮對地下結構過程施工的影響及對基坑回填的影響。主要工序為：測量放線→土方開挖至打鋼板樁位置→打鋼板樁→打外拉→土方開挖至坑底→管廊施作→回填土方→拔出鋼板樁。

4.2 鋼板樁打設

鋼板樁打入時必須先在地面畫出位置，從一角開始逐根施工然后形成完成支護體系。該方法施工簡便，線性容易控制，鋼板樁之間連接性可靠，機械設備移動次數少，工作效率較高，施工速度較快。但由于該施工方法容易使得鋼板樁平直度誤差積累，使得成型后的支護面平直度難以控制。①采用鋼板樁專業機械設備吊起至指定位置，鋼板樁入土前鎖口需插入臨近鋼板樁鎖口，插入后在鋼板樁頂部安放頂帽，先慢后快，先輕后重的進行搭設作業。②在鋼板搭設過程中，需在鋼板樁不同方向對其垂直度進行控制，一起可采用全站儀或經緯儀。③在打樁過程中在鋼板樁布設方向可設置型鋼制作的卡板，以便防止鋼板樁中心位置產生平移，還可保證支護面的平直度滿足要求。④在打設首根及連接的鋼板樁時，必須確保其位置準確，方向與尾部齊平以確保整個支護的精度符合要求，首根鋼板樁固定后以此為基準和導向，在搭設時每隔3m需測量一次其位置及垂直度。

4.3 基坑開挖

基坑開挖前需嚴密規劃，對開挖區域及周邊環境的安全需嚴格檢查。開挖應分層分段進行，開挖過程中需整體平衡，不得使支護產生較大不平衡力。嚴禁一次性開挖到底部，必須開挖一段支護一段，支護一段完成一段，必須嚴格遵守“先支后挖，先中后邊”的原則[4]，對機械設備合理搭配，減小流水作業間隙，提高施工質量，保證施工作業安全。土方開挖高程順序：機械挖土分三大步進行，第一步挖土采用坑外開挖，挖土機不得距離支護結構過近使得水平側壓力增大，先整體挖至-2.00m左右，第二步采用坑內開挖方法，開挖-2.00m以下土體，在坑道內將挖出的土方填筑一個臨時通道以便將土運出基坑，第三步開挖只能挖至設計標高以上20cm左右，未達到深度部分，用人工開挖。

4.4 支撐安裝

支護內部支撐系統其所有受力節點應采用平面連接方式焊接加固。在受力節點陰角位置需增加陰角鋼板以增加陰角處的抗壓力。支撐桿件相接處必須滿焊，焊縫高度≥8mm。橫向支撐桿件與圍檁支撐處，圍檁所采用的H型鋼需進行腹板加強，防止該位置應力過大造成圍檁變形。圍檁與橫向受力桿件安裝時必須密貼無縫隙，安裝后對橫向水平桿件施加一定的預應力。

5 安全質量保障措施

①土方開挖過程中，根據施工監測專項方案加強觀察和監控量測工作，以便發現施工安全隱患，并通過監測反饋及時調整開挖程序[2]《建筑基坑監測技術規范》（GB50497-2009）。②在開挖最后一段坡道時會出現多臺挖掘機在同一作業面開挖，此時挖掘機間距應大于10m，上下臺階挖掘機前后應相距5m以上，挖掘機離下部邊坡應有一定的安全距離，以防止造成翻車事故。③在基坑四周必須搭設安全圍欄并掛安全網，以防止人員及物體墜落，夜間設置警示照明，設24小時巡視。不得向基坑內拋棄物體，防止傷人。④對臨近既有建筑物沉降設置監測點，監測點間距一般為10～15m[3]。離基坑較近的建筑物和建筑物近基坑側在中部適當加密監測點。采用電子水準儀對監測點進行測量觀察，可采用相對標高建立局部測量控制網。

6 結束語

相比于其他支護類型，拉森鋼板樁不但自身剛度較大可以滿足深基坑支護需求，保證了基坑內的作業安全，而且鋼板樁支護成型后止水效果也很好，有效減少了基坑周邊地下水的匯集，減緩了地下水位在土體顆粒之間的徑流，防止土體顆粒之間內摩擦角減小而使得地面建筑物產生較大沉降。同時拉森鋼板樁打拔快速且可重復利用，減小了流水施工搭接間隙，加快了施工進度，降低了施工措施費用。鋼板樁支護在既有建筑物旁深基坑支護中取得很好的效果，也為后續類似施工提供了借鑒和參考。