新加坡填海區公鐵復合高架橋鋼板樁支護技術

楊漢國

（中鐵十一局集團有限公司 武漢 430061）

至20世紀60年代，西方發達國家已普遍采用熱軋鋼板樁，因其與其他材料相比，具有構造合理、強度高、質量輕、鎖口緊密、隔水性能好、可重復利用［1］等各種優勢而發展迅速，現已廣泛應用。目前，東南亞鋼板樁年消費量達到20萬t［2］，在土地面積小、高度重視環保的新加坡，鋼板樁的租賃與打樁業在其建筑市場已十分發達。鋼板樁支護由鋼板樁、錨拉桿（或內支撐錨碇結構、腰梁等）組成，此支護法在滿足施工安全要求的前提下，占地面積小、施工方便，可重復利用，節約投資，是一種實用性很強的支護方式。新加坡軌道交通大士西延長線工程中95%的橋墩基坑開挖采用鋼板樁做臨時支護結構，本文以公鐵兩用復合高架某墩的承臺開挖臨時支護工程為例，論述該高架橋鋼板樁的支護技術。

1 工程簡介

本工程公鐵復合高架的某橋墩下部結構設計為7根1.5m×2.8m大小的的長方形狀鉆孔樁；鋼筋混泥土承臺，承臺尺寸為16.3m×9.2 m，承臺底標高98.176m，承臺頂標高101.676 m，承臺厚度3.5m，低于周圍平均水平面約2m，高架上層為鐵路，下層為公路。

該橋墩位置處于新加坡填海區，地質穩定性較差，且緊鄰兩側均為正在運營的公路既有線，地質情況及各土層參數見表1。

表1 各土層物理力學參數表

2 開挖支護方案

由于該墩處承臺開挖場地狹小，開挖深度為（5.6m，含50mm的基底鋼筋混凝土墊層）較大，且墩處兩側緊鄰運營中的公路既有線，故支護難度較大。

據其地質情況、施工開挖深度以及新加坡國家建筑局（BCA）對基坑開挖的支護要求，經開挖受力分析計算，并考慮臨時支撐的強度、穩定性和變形要求及鋼板樁材料的各種優勢，采用多支撐（多錨）鋼板樁支護結構形式，選取14m長的拉森（Larssen）FSP－IV型鋼板樁做圍護，采用 H型鋼設一層圍檁和橫撐、角撐，鋼板樁與H型鋼的具體參數分別見表2，3。支護結構平面尺寸按照承臺尺寸每側外擴2m控制，即為18.3m×11.2 m，其平面布置，立面布置見圖1，2。

表2 拉森FSP－III型與FSP－IV型鋼板樁參數表

表3 圍檁、支撐用材參數表

圖1 鋼板樁支護體系平面布置圖（單位：mm）

圖2 鋼板樁支護體系立面布置圖

3 支護系統驗算

根據鋼板樁入土的深度，按單錨淺埋板樁計算，假定上端為簡支［3］，下端為自由支承。這種板樁相當于單跨簡支梁，作用在樁后為主動土壓力，作用在樁前為被動土壓力，壓力坑底以下的土重度不考慮浮力影響。本工程鋼板樁支護體系采用PLAXIS有限元分析軟件彈性－理想塑性雙線性應力應變摩爾－庫侖模型模擬驗算。

3.1 模型理論

彈性－理想塑性雙線性應力應變摩爾－庫侖模型按理想彈塑性理論將彈性和塑性變形的比例分解為彈性部分和塑性部分：

將上式代入胡克定律公式，同時引入塑性勢函數，得到彈性－理想塑性下有效應力應變比例關系模型

式中，g為塑性勢函數；f為屈服函數，De為常系數彈性模量

屈服函數f采用完整的摩爾－庫侖屈服條件，由如下所示的6個屈服方程組成。

式中：φ為內摩擦角；c為粘聚力。

采用PLAXIS有限元軟件分析前僅須輸入5個常用的參量：楊氏模量（E）、泊松比（υ）、粘聚力（c）、內摩擦角（φ）、膨脹角（Ψ）。

3.2 基于PLAXIS軟件的鋼板樁基坑支護驗算

因新加坡當地長年多雨水，模型中加入排水分析以用來模擬長期挖掘工程施工，軟件分析中將地下水位設定于1m以下，在每一個開挖過程中地下水位基坑被定義為干開挖平整水平。穩定滲流用于模擬在墻壁上的水壓力。除泥質土和沖擊粘土采用非排水土體強度的土體材料外，所有的土層采取有效應力參數建模，本工程設置參數見表4。

表4 摩爾－庫侖準則土工數據設置參數

建模中鋼板樁采用相應的軸向和彎曲剛度梁單元，而橫撐及斜撐采用相應軸向剛度和間距的端部錨固的固結模型。模擬計算中不僅考慮0.5 m的平整度處理厚度，同時也考慮了20%的超荷載分析。

本高架墩承臺開挖5.6m深，經PLAXIS軟件分析計算后，最大橫向位移為108.7mm，最大地面沉降為－101mm，最小安全系數為1.42，鋼板樁最大彎矩為365.7kN·m，鋼板樁最大剪力為234.4kN，橫撐最大受力為346.5kN。

模型的分析嚴格根據以下施工步驟模擬分析：考慮到施工額外的20%荷載→插打鋼板樁→開挖至橫撐以下0.5m深度→安裝橫撐→開挖至設計標高→施工承臺并回填→移除橫撐。

根據新加坡建筑局（BCA）施工標準要求，經項目設計的臨時支護系統其強度計算結果須報國家認證資質的第三方單位復核，復核內容主要為鋼板樁的抗彎和抗剪、極限荷載下橫撐和圍檁的承載力、某一結構失去作用工況下橫撐和圍檁的復核。根據表5所示驗算結果，鋼板樁、橫撐及圍檁均滿足設計要求。

表5 鋼板樁、橫撐及圍檁的承載力驗算結果

4 施工過程及要求

本工程根據現場施工條件，采用施工工藝流程見圖3。

（1）鋼板樁打設。本工程根據現場施工條件，采用單獨打入法，即從一角開始逐塊插打，每塊中途不停頓。

圖3 鋼板樁施工工藝流程圖

（2）圍檁、支撐施工。本工程支護體系只布設一層支撐，在鋼板樁打設完畢后，先將基坑開挖至地面線以下2m的深度后再安裝圍檁、支撐體系。土方開挖應分層分區連續施工，并對稱開挖。安裝支撐調整構件位置等細部要求見圖4。鋼圍檁與鋼板樁之間的空隙采用C30級混凝土填筑，使每根鋼板樁都能與圍檁有良好的接觸，以使其均勻受力。

圖4 支護系統安裝細部圖

（3）移除支撐結構與鋼板樁。先鑿除圍檁與鋼板樁之間的整體混凝土，而后下掉或切斷支撐和圍檁之間及圍檁與圍檁之間的連接螺栓或焊縫。鋼支撐體系拆除后，進行墩柱施工，待其鋼筋混凝土強度達到要求后，采用原土進行第二次回填，填土夯實至地面標高后拔除鋼板樁。做到最大限度地減小拔樁的振動對已施工地下結構的影響。

5 結語

（1）從工程實際情況看，臨時支護理論設計計算與施工實況基本一致，計算所選取參數及材料合理，可滿足實際工程要求，具有很強的實用性，此支護系統可以應用在與該橋墩地質情況相同的其他橋墩處。

（2）從本工程鋼板樁應用效果看，本工程鋼板樁支護體系由鋼板樁、鋼圍檁、H型鋼支撐及斜角撐組成，施工簡便，工序簡單，強度高的情況下質量比較輕，占地面積小容易控制，且現場整潔，對周圍環境影響較小。對于工程施工場地小的情況非常適用。

（3）新加坡軌道交通大士西延長線工程中400多個承臺開挖工程采用鋼板樁支護技術，表明施工過程安全、環保、節約投資，其實用性和功能性得到了充分證實。

［1］劉亮亮.水下深基坑基礎鋼板樁圍堰的設計與施工［J］.交通科技，2009，（3）：23－25.

［2］王加利.鋼板樁墻在不同施工工序下的變形及內力特征研究［D］.廣州：土木與交通工程學院，2012.

［3］段建國.鋼板樁在鐵路橋梁深基坑支護中的應用［J］.山西建筑，2012，38（19）：174－176.