周邊既有建筑物條件下基坑鋼板樁支護應用及計算分析

王 蕾 （安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著電子集成工業化水平的不斷發展，一些特大電子集成項目陸續投入建設，同時也面臨著前期項目的生產工藝改造轉型和在既有周邊建筑物條件下施工新建附加廠房的施工需求。由于電子集成生產的特殊性，廠區施工的周邊環境也逐漸變得更加復雜，因此也對施工工藝及施工安全提出了更高要求。

鋼板樁可以通過鎖扣或鉗口互相連接咬合，組成具有擋土和擋水的連續鋼板樁墻。其施工占用空間小，可以與基坑內鋼支撐和立柱支撐組成合理的傳力體系，有效抵抗水、土壓力以減小基坑施工對周邊及既有建構筑物的影響，并保持周邊地層穩定，無須放坡施工，確保在周邊既有建筑物存在的條件下安全施工基坑工程[1]。

本文以舒城縣杭埠鎮經濟開發區精卓光顯技術有限公司二期項目廠區為例，在廠區內存在既有生產電子廠房的條件下，利用鋼板樁施工新廠房基坑工程，對鋼板樁進行內力分析，并計算基坑周邊沉降。通過對基坑施工進行沉降檢測，驗證鋼板樁與基坑內支撐相互配合可在既有周邊建構筑物條件下取得良好的施工效果，詳細說明該工況下基坑施工方案的主要內容，可為類似基坑施工提供一定的參考價值。

2 工程概況

擬施工基坑位于六安市舒城縣杭埠鎮經濟開發區精卓光顯項目二期廠區內，由于生產工藝變更，廠區內需新建一座污水處理站。污水處理站基坑面積約3600m2，延米周長約340m，計算挖深5.80m，基坑支護結構安全等級為二級。擬建場地為空地，左側為化學品倉庫，后方為生產廠房。根據基坑周邊環境條件，同時考慮基坑施工過程中施工機械的行走線路，通過計算土方車輛、混凝土罐車、裝載機和反鏟挖機等常用機械的等效荷載以及鋼筋、砂、碎石等建筑材料堆放的等效荷載，并考慮各種荷載的組合效應，確定基坑超載按均布20kPa計。

圖1 基坑圍護結構平面布置圖

3 支護施工關鍵技術

3.1 鋼板樁施工技術要求

進場使用前應對鋼板樁應進行外觀和材質檢驗，并對樁身垂直度進行檢查，經檢驗合格的鋼板樁方可投入使用，鋼板樁在存放時應采取有效的防護措施，防止鋼板樁碰撞。錘擊法沉樁時，應采用重錘低擊并設置樁帽樁墊，鋼板樁平面轉角處應加強處理，施工前應對鋼板樁的垂直度進行復核。定位樁應先行施工，對導向型鋼進行固定，采用屏風沉樁法對鋼板樁的收尾閉合處進行封閉，防止鋼板樁接縫處滲漏。可以在開口處打設附加樁，確保其緊貼主樁，有效防止收口處無法咬合，并可以形成有效閉口。定位樁定位偏差不得超過5cm，成樁垂直度偏差不超過1/100[2]。插入前應在鋼板樁表面涂抹減摩劑，減小與土體間的摩阻力，鋼板樁在坑內應采用油毛氈將其與坑內結構隔離。同時需考慮拔除鋼板樁對周邊的管線、道路及建構筑物等的不利影響。

3.2 鋼支撐施工技術要求

鋼支撐施工前必須詳細閱讀節點構造圖，支撐安裝應采用開槽架設。在基坑圍檁支撐點附近進行鋼圍檁的現場拼接，以減少拼接變形。確保圍檁的分段預制長度不大于支撐間距的2 倍；鋼支撐與鋼圍檁采用焊接連接。對所有鋼構件的外觀結構進行檢查，對于外觀有缺陷的構件進行更換，確保構件挺直、平整。支撐構件安裝完畢后，對構件各節點的連接狀況進行復核檢查。鋼支撐安裝經驗收合格后方可開挖下一層土。

圖2 基坑維護結構立面圖

4 基坑支護方案

綜合考慮本工程的工程地質條件、水文地質條件、基坑開挖深度及面積、基坑周邊環境對基坑變形的承受能力及支護結構失效的后果、支護結構施工工藝的可行性、施工場地條件及季節條件、經濟指標、環保性能和施工工期等因素，并結合國內類似項目的大量深基坑工程實踐經驗，本工程基坑采用鋼板樁支護，內設置型鋼支撐[3]。基坑內均布置降水管井，降水井采用Φ360 成品混凝土管井，井深12～14m。鋼板樁采用熱軋U 型SP-U400×170×15.5 鋼板樁，鋼板樁長15.0m，支撐采用雙拼HW400×400×13×21 型鋼支撐，立柱采用H400×400×13×21 型鋼立柱樁，型鋼牌號均為Q235B。

基坑支護結構施工順序為鋼板樁及鋼支撐施工→開挖鋼板樁維護范圍內土方至坑底→及時施作墊層、底板→施工地下室側墻→切割鋼支撐→地下室外墻與鋼板樁間土方回填壓實后拔出鋼板樁→拔出空隙注漿填充[4]。

表1 工況信息表

4.1 工程地質和水文地質條件

擬建場地地下水類型為上層滯水和潛水。上層滯水主要賦存于①層耕填土層中，無自由穩定水面，主要補給來源為大氣降水，地下水位隨季節變化，主要以蒸發方式排泄，并受地表水徑流影響。潛水主要賦存于②層粉質黏土、③層粉土夾粉細砂、④層粉細砂、⑤層中粗砂夾礫石層中，主要以側向徑流方式補給和排泄。勘探期間測得混合地下水位（靜止）埋深為0.30～1.60m，靜止水位標高為7.67～8.14m。

表2 基坑支護設計參數一覽表

本基坑支護結構安全等級為二級，γ0＝1.0。

土壓力計算，按朗肯土壓力計算理論作為土側向壓力設計計算的依據，即：

主動土壓力系數ka＝tg2（45°-φ/2），被動土壓力系數kp＝tg2（45°+φ/2）。

主動土在開挖面之下水土合算取三角形壓力，計算中不考慮樁土間的摩擦力。

4.2 內力計算

基坑側壁安全等級為二級，基坑重要性系數為1.0。坑外地面標高-3.00m，承臺墊層底標高為-8.70m，計算挖深為5.70m，采用鋼板樁加一道型鋼支撐支護。地面外附加荷載q0=20kPa。施工工況如圖3所示。

圖3 基坑工況施工順序圖

圖4 基坑穩定計算示意圖

圖5 工況1內力位移包絡圖

圖6 工況2內力位移包絡圖

圖7 工況3內力位移包絡圖

圖8 工況4內力位移包絡圖

圖9 基坑監測曲線圖

①截面驗算

基坑內側抗彎驗算（不考慮軸力）：

基坑外側抗彎驗算（不考慮軸力）：

式中：σwai—基坑外側最大彎矩處的正應力（MPa）；σnei—基坑內側最大彎矩處的正應力（MPa）；Mw—基坑外側最大彎矩設計值（kN·m）；Mn—基坑內側最大彎矩設計值（kN·m）；Wx—鋼材對x 軸的凈截面模量（m3）；f—鋼材的抗彎強度設計值（MPa）。

基坑穩定性計算方法為瑞典條分法，應力狀態為總應力法，條分法中的土條寬度為1.00m。

②滑裂面數據

圓弧半徑R=11.916m、圓心坐標X=-1.514m、圓心坐標Y=5.462m，整體穩定安全系數Ks=2.266＞1.30，滿足規范要求。

③抗傾覆（踢腳破壞）穩定性驗算

式中：∑MEp—被動區抗傾覆作用力矩總和（kN·m/m）；∑MEa—主動區傾覆作用力矩總和（kN·m/m）；Kt—帶支撐樁、墻式支護抗傾覆穩定安全系數，取Kt≥1.200。

工況1：此工況不進行抗傾覆穩定性驗算。

工況2：Kt=21720.101/6491.222=3.346＞1.200，滿足規范要求。

工況3：Kt=8140.599/6491.222=1.254＞1.200，滿足規范要求。

工況4：已存在剛性鉸，此后工況均不進行抗傾覆穩定性驗算。

安全系數最小的工況號為工況3。最小安全Kt=1.254＞1.200，滿足規范抗傾覆要求。

5 基坑監測

該基坑開挖過程中需持續對開挖影響范圍內的建構筑物以及基坑內圍護結構進行沉降和位移監測。具體監測內容見表3，并按照基坑監測方案布置相關檢測設備及電子信號傳輸設備。原始水準點及坐標點布置于可長期保存的堅固位置，以便于對基坑進行長期持續的變形檢測，保證數據準確。

表3 基坑支護監測內容

按照基坑檢測方案要求，在每一個測區布置不少于3 個監測基準點[5]。對各測試項目在基坑土方開挖前，持續采集3 次初始數據，并取其平均值以保證初始數據科學準確。監測報警界限見表4。

表4 基坑監測報警界限值

由監測沉降曲線圖可以看出，各個工況下鋼板樁變形均較小。實測值與理論值基本相符，沉降最大出現在基坑最近處（即鋼板樁頂部）。最大沉降量滿足規范要求，基坑沉降變形在安全范圍以內。

6 結論

本文結合工程實例，實踐了鋼板樁及型鋼內支撐支護技術在周邊存在既有建筑物施工條件下，施工基坑工程能取得良好的支護效果。由于該基坑施工情況復雜，周邊存在較多影響施工安全的因素，尤其是在周圍既有建筑正在使用的限制條件之下，任何因素疊加起來都會對該基坑的安全施工造成嚴重的影響。該基坑工程利用鋼板樁維護施工速度快、對周邊環境影響小、強度高、占地空間小、可重復利用的優點，成功在既有建筑物周邊進行了新建基坑施工并且保證了基坑開挖及地下建構筑物施工的安全。對于施工條件復雜、開挖深度超過5m 的深基坑，結合基坑內井點降水，通過在基坑開挖過程中持續降水，保持基坑內側水位始終低于基坑底面以下1.0 m，并通過鋼板樁＋鋼圍檁＋內支撐三種支撐相互結合的支護方式，利用持續基坑變形及位移監測，確保基坑及地下建構筑物在施工期間的安全，同時該方案的造價合理且順利通過專家論證，該方案具有一定的參考價值。