鋼板樁在鐵路橋梁深基坑支護中的應用

段建國

(中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

鋼板樁屬板式支護結(jié)構(gòu)之一，是一種帶鎖口或鉗口的熱扎(或冷彎)型鋼，靠鎖口或鉗口相互連接咬合，形成連續(xù)的鋼板樁墻，用來擋土和水，具有高強、輕型、施工快捷、環(huán)保、可循環(huán)利用等優(yōu)點。鋼板樁支護結(jié)構(gòu)由打入土層中的鋼板樁圍護體和內(nèi)支撐或拉錨體系組成，以抵抗水、土壓力并保持周圍地層的穩(wěn)定，確保地下工程的安全。鋼板樁支護結(jié)構(gòu)形式主要可分為懸臂板樁、單錨(單撐)板樁和多錨(多撐)板樁等，此外常見的圍護(擋土、擋水)結(jié)構(gòu)還有樁板式結(jié)構(gòu)、雙排或格構(gòu)型鋼板樁圍堰等。本文通過杭甬客專某特大橋跨西小江連續(xù)梁水中墩深基坑工程的設計計算與施工，采用靜力平衡法、等值梁法對支護工程的設計與施工技術(shù)加以論述。

1 工程概況

杭甬客專某特大橋跨杭甬運河西小江設計為(60+100+60)m連續(xù)梁，主墩177號墩位于水中緊鄰河岸處，設計為φ2.0 m鉆孔樁、鋼筋混凝土承臺，承臺尺寸為15.5 m×11.4 m，承臺底面標高－3.78 m，承臺頂面標高0.72 m，承臺厚度4.5 m，河流最大洪水位標高5.32 m，最大水深5.47 m。經(jīng)方案比選采用先筑島，再打設拉森鋼板樁，然后進行鉆孔樁和承臺施工的方法。筑島頂面尺寸每側(cè)大于承臺3.0 m，筑島頂面標高5.82 m，拉森鋼板樁平面尺寸按承臺尺寸每側(cè)向外擴1.2 m控制，即為17.9 m×13.8 m，基坑開挖深度9.9 m(含0.3 m的基底鋼筋混凝土墊層)，采用Ⅳ型拉森板樁。

橋墩處地質(zhì)為①人工填土，厚度5.97 m;②2潮濕粉土，中密，厚度約3.98 m;②3流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度約3.6 m;②6硬塑粉質(zhì)粘土，厚度約1.3m;②6-2軟塑粉質(zhì)粘土，厚度約11 m。各土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學參數(shù)表

2 基坑支護設計計算

根據(jù)基坑開挖深度，該基坑采用多錨(支撐)鋼板樁支護結(jié)構(gòu)形式，設三道圍檁和支撐，圍檁采用H型鋼，支撐采用外徑609 mm鋼管，角撐采用H型鋼，總體計算分三個工況對支護結(jié)構(gòu)進行驗算。工況一，為設置三道圍檁支撐，基坑開挖至設計標高;工況二，為澆筑0.3 m厚C40鋼筋混凝土墊層，達到強度后拆除第三道圍檁支撐，開始承臺澆筑施工;工況三，為承臺施工完成，用粘土夯實回填承臺與鋼板樁間隙后，拆除第二道圍檁支撐，留第一道圍檁支撐進行墩身施工。

2.1 鋼板樁長計算

以水中最不利受力情況進行分析計算，最大洪水位5.32 m時，水深5.47 m;基坑周邊由于工程車輛通行和施工，工程計算按距坑邊1.0 m布置寬6.0 m的q1=20 kPa的均布荷載。支撐按等彎矩布置，即支撐各跨度間的最大彎矩相等。由于基坑底以下為粘性土，故基坑底以上按浮重度計算，基坑底以下不考慮浮力影響。

1)土體密度γ、內(nèi)摩察角φ、粘聚力c的加權(quán)平均值計算。

基坑外側(cè)：γam=18.4 kN/m3;φak=19.88°;cak=9.9 MPa。

基坑內(nèi)側(cè)：γpm=18.53 kN/m3;φpk=9.8°;cpk=14.82 MPa。

2)土壓力系數(shù)。

3)計算樁頂最大容許懸臂長度。

其中，［f］為鋼板樁的抗彎強度容許值，［f］=200×103kPa; γm為鋼板樁墻后土的重力密度，γm=18.4 kN/m3;W為鋼板樁每延米截面模量，W=2 037×10－6m3;Ka為主動土壓力系數(shù)，Ka= 0.493。

考慮安全系數(shù)為2，h=3.23 m。

計算各層支撐跨度：h1=1.11h=3.58 m;h2=0.88h=2.84 m。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮承臺模板的安裝、基坑開挖等，確定圍檁及支撐各層跨度為h=1.0 m;h1=3.3 m;h2=3.0 m。

4)用頓恩近似法計算鋼板樁的入土深度。

假定作用在鋼板樁EB'段上的荷載EFN'B'，一半傳至E點上，另一半由坑底被動土壓力MB'R'承載，由圖1可得：

由上式解得：x=10.11 m。

所以，板樁的總長度至少為：L=9.9+10.11=20.0 m。

其中，Kn為 的斜率;eak為基坑底MQ處主動土壓力強度; eam為基坑底處浮重度產(chǎn)生的主動土壓力強度;ew為基坑底處水產(chǎn)生的側(cè)壓力強度。

Ⅳ型拉森鋼板樁實際長度取22.0 m。

圖1 多層支撐鋼板樁入土深度計算圖（一）

2.2 支撐及圍檁計算

工況一：按設置三道支撐圍檁基坑開挖至設計標高計算：

距支護結(jié)構(gòu)b1外側(cè)，地表作用有寬度為b0的條形施工附加荷載q時(見圖2)，基坑外側(cè)深度CN范圍內(nèi)的附加豎向應力為：

圖2 多層支撐鋼板樁入土深度計算圖（二）

設距基坑底y處土壓力強度為0，即外側(cè)主動土壓力強度與內(nèi)側(cè)主動土壓力強度相等，則由

設定各道圍檁支撐承受相鄰兩跨各半跨上的土壓力，可計算出各道橫撐的支反力：

其中，F(xiàn)n為所求圍檁支撐承受的土壓力，kN;D為支撐支點至鋼板樁定的距離;hn為支撐支點至上一支點的跨度;hn+1為支撐支點至下一支點的跨度。

1)鋼板樁強度計算。

假定支撐支點近視不轉(zhuǎn)動，即把每跨都視作兩端固定，并按最大跨度7.96 m和荷載最不利的基坑底部計算，荷載在該跨間等效換算成矩形荷載：q均=91.8 kN/m。

經(jīng)計算Ⅳ型拉森鋼板樁強度滿足要求。

2)圍檁強度計算。

由于基坑三面臨水，且地界狹窄，考慮基坑僅從岸上一面開挖，故垂直于橋向不設橫向支撐，順橋向?qū)ΨQ設兩根支撐，每個角設兩根角撐，基坑平面詳細布置尺寸見圖3。

第一道圍檁采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm H型鋼，第二、第三道圍檁采用雙拼H588 mm×300 mm×15 mm×20 mm H型鋼;角撐采用與圍檁同型號的H型鋼;支撐采用外徑609 mm、壁厚16 mm鋼管。H400 mm×400 mm H型鋼截面模量Wx=3 268× 10－6m3，截面靜矩Sx=1 800.06×10－6m3，慣性矩Ix=65 361.6× 10－8m4，回轉(zhuǎn)半徑ix=17.45×10－2m;H588×300 mm H型鋼截面模量Wx=3 993×10－6m3，截面靜矩Sx=2 267.07×10－6m3，慣性矩Ix=117 398×10－8m4，回轉(zhuǎn)半徑ix=24.09×10－2m;外徑609 mm鋼管慣性矩 Jx=131 117.3×10－8m4，截面面積 A= 298.07×10－4m2，回轉(zhuǎn)半徑ix=20.97×10－2m。

圖3 基坑支撐圍檁平面布置圖

本文以第三道圍檁為例進行計算，圍檁按不等跨連續(xù)梁作用均布荷載進行計算。

a.長邊方向。

工況一，第三道圍檁長邊方向圍檁受力分析簡圖見圖4，均布荷載q3=F3=550.2 kN/m。

圖4 工況一第三道圍檁長邊受力分析圖

經(jīng)計算最不利位置為中跨及D，E兩支點處，跨中最大彎矩Mmax=521.15 kN/m;D，E兩支點處最大剪力Qmax=1 182.93 kN，最大支反力Rmax=2 230.7 kN，最大彎矩Mmax=－750.5 kN/m。

b.短邊方向。

工況一，第三道圍檁短邊方向圍檁受力分析簡圖見圖5，均布荷載q3=F3=550.2 kN/m。

圖5 工況一第三道圍檁短邊受力分析圖

經(jīng)計算最不利位置為中跨及C，D兩支點處，跨中最大彎矩Mmax=352.5 kN/m;C，D兩支點處最大剪力Qmax=990.36 kN，最大支反力Rmax=1 886.5 kN，最大彎矩Mmax=－538.8 kN/m。

根據(jù)計算，工況一第三道支撐圍檁長邊受力最為不利，故按長邊進行強度設計計算。

經(jīng)計算工況一，第三道支撐圍檁強度、剛度均滿足要求。

3)支撐壓桿穩(wěn)定計算。

對鋼管柱支撐及H型鋼角撐進行壓桿穩(wěn)定計算。

a.工況一，第三道支撐圍檁角撐穩(wěn)定計算。

最不利角撐為雙拼H588×300×15×20 mm H型鋼，其長度l=6.19 m。

b.工況一，第三道支撐圍檁鋼管支撐穩(wěn)定計算。

支撐為外徑609 mm、壁厚16 mm鋼管，其長度l=13.8－2× 0.588=12.64 m。

經(jīng)計算工況一，第三道支撐圍檁的角撐H型鋼及支撐鋼管的壓桿穩(wěn)定滿足要求。

經(jīng)計算其他工況的鋼板樁、圍檁、角撐及鋼管支撐的強度和剛度均滿足規(guī)范規(guī)定，計算方法同工況一第三道支撐圍檁，在此不再細述。

依據(jù)規(guī)范要求，深基坑支護應根據(jù)水位、地質(zhì)及支護結(jié)構(gòu)受力特點的具體要求進行結(jié)構(gòu)變形、抗?jié)B透穩(wěn)定性、基底突涌穩(wěn)定性等驗算。本工程由于拉森鋼板樁已穿透硬塑粉質(zhì)粘土層，土層不透水，且周邊空曠，沉降要求等級低，結(jié)構(gòu)變形、抗?jié)B透穩(wěn)定性、基底突涌穩(wěn)定性等未做詳細驗算。

3 施工順序及要求

施工工藝流程：放樣定位→打設鋼板樁→安裝圍檁支撐→開挖基坑→澆筑底板墊層→拆除底層圍檁支撐→施工承臺→拆除中層圍檁支撐→澆筑墩身并回填基坑→拆除上道圍檁支撐→拔除鋼板樁。

3.1 鋼板樁施工

1)鋼板樁采用屏風式打樁法施工，即將多根鋼板樁插入土中一定深度，樁機來回錘擊，并使兩端1根～2根樁先達到要求深度再將中間部分的板樁順次打入，可防止板樁的傾斜與轉(zhuǎn)動，圍護結(jié)構(gòu)要求閉合成環(huán)。2)準確放樣定設鋼板樁軸線，首先精確安裝上層圍檁，利用圍檁作為鋼板樁打設的導向架，上層圍檁要求在加工廠精確加工、現(xiàn)場準確安裝，并打設定位樁，以固定導向架。3)為確保鋼板樁完整平順和保證圍堰的密封效果，對進場鋼板樁要進行通過試驗，即以人力或卷揚機拖動一塊同型號長2 m～3 m的短樁，同時對兩側(cè)鎖口進行通過試驗檢查，鎖口通不過或樁身有彎曲、死彎等缺陷時，采用冷彎、熱敲(溫度不超過1 000℃)、焊補、割除、接長等方法加以整修。4)鋼板樁在打設時，樁的鎖口內(nèi)，要涂以黃油混合物油膏(重量配合比為：黃油∶瀝青∶干鋸末∶干粘土=2∶2∶2∶1)，以減少插打時的摩阻力，并加強防滲性能。5)鋼板樁沉樁應當保證其水平向、垂直向的線性和垂直度，同時注意后沉的鋼板樁應與先沉入樁的鎖口可靠連接。6)當基坑開挖后，如出現(xiàn)板樁鎖口不嚴密的漏水現(xiàn)象時，可采用棉紗、橡膠條等進行嵌塞堵漏。

3.2 圍檁支撐施工

1)按照先支撐后開挖的原則進行施工。即鋼板樁打設完畢后，先開槽將上層圍檁支撐設置好后，再進行基坑開挖。當基坑挖至第二、第三道圍檁處時，亦要先設置圍檁支撐體系，再向下開挖。

2)支撐安裝要保持在同一水平面，鋼圍檁與鋼板樁之間的間隙采用混凝土填筑，要使每根樁都能與圍檁有良好的接觸，以使結(jié)構(gòu)均勻受力。

3)支撐體系完成后，土方挖至基底時要立即進行0.5 m厚墊層鋼筋混凝土施工，要求墊層與鋼板樁之間不留間隙，但要做好墊層與鋼板樁之間的隔離措施。

4)墊層采用C40鋼筋混凝土，墊層頂標高為承臺底標高，墊層上下各設一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋型號Q235、直徑10、間距20 cm、保護層5 cm。

5)墊層混凝土強度達到要求后，拆除第三道圍檁支撐，進行承臺施工。

6)承臺混凝土達到強度要求，并拆除模板后，用粘土回填承臺與鋼板樁的間隙，回填土應分層填筑并夯實，填土至承臺頂標高處，拆除第二道圍檁支撐，留第一道圍檁支撐進行墩身施工。

7)墩身施工完成后，回填基坑，拆除第一道圍檁支撐，最后拔除鋼板樁。

4 結(jié)語

從工程實施情況看，本工程施工與設計計算基本一致，計算所選取的參數(shù)合理，能夠滿足實際工程要求。

鋼板樁支護體系由鋼板樁、鋼圍檁、支撐鋼管及斜角撐組成，現(xiàn)場拼裝焊接成整體支護體系，具有可重復周轉(zhuǎn)使用、施工快捷、水密性好、占用空間小等明顯的優(yōu)越性;但由于其剛度小，變形較大，且打入和拔除對周邊環(huán)境具有一定的影響，故對鄰近變形敏感的建(構(gòu))筑物的基坑工程應慎重選用。

［1］ JGJ 120-99，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.