鋼板樁圍堰技術在砂土地層中的應用

王漢席 于微微 王龍偉

(長春市海威市政工程設計有限公司，吉林 長春 130062)

鋼板樁圍堰技術在砂土地層中的應用

王漢席 于微微 王龍偉

(長春市海威市政工程設計有限公司，吉林 長春 130062)

結合工程實例，介紹了砂土地層中采用鋼板樁圍堰基坑支護設計的方案，并對基坑支護結構設計進行了計算，闡述了鋼板樁圍堰支護結構施工的工藝流程及施工注意事項，實踐證明應用該支護方案取得了良好的施工效果。

鋼板樁，圍堰，支護結構，基坑

1 工程概況

伊通滿族自治縣庫侖大橋橋梁墩臺基礎采用擴大基礎，位于伊通河內，施工時墩位處平均水位0.8 m～1.2 m。墩臺處地層情況從上至下為：①中粗砂，松散狀態；②礫砂，稍密狀態；③礫砂，中密狀態；④礫砂，密實狀態；⑤泥質砂巖，全風化。橋梁墩臺基坑長為40 m，寬為8 m，開挖深度為8.5 m，基坑周圍為河床，開挖深度范圍主要為中粗砂和礫砂，坑底為強度較高的泥質砂巖。該工程地下水系連通，設置節流困難，且造價高，施工周期長。經論證，采用鋼板樁支護，達到基坑支護和止水帷幕雙重目的[1]。鋼板樁是一種廣泛應用的材料,具有節能、高效、環保、綠色和可重復利用等優點，應用廣泛[2,3]。根據文獻，砂層中鋼板樁會隨著抽水過程自愈，在施工過程初始階段滲水量大，后期滲水量會顯著降低[4]。因此，采用鋼板樁圍堰技術，能達到支護和止水雙重效果。

2 圍堰基坑支護設計

2.1 圍堰基坑支護結構

支護結構主要由鋼板樁、鋼圍檁和內支撐三部分組成，鋼板樁主要承受土壓力兼止水帷幕的作用，內支撐和鋼圍檁的作用是增加鋼板樁的強度，減少其變形的作用。本基坑的設計深度為8.5 m，支護鋼板樁長為12.0 m，要求嵌入泥質砂巖不小于1.0 m。設置內支撐兩道，距離坑頂2.0 m為第一道，距離坑頂5.5 m為第二道，內支撐采用φ377鋼管，間距為3.5 m布置。基坑的圍堰尺寸為40 m×8.0 m。其平面布置見圖1，剖面見圖2。

2.2 基坑支護結構設計計算

鋼板樁圍堰屬于柔性支護結構，適當的非線性設計有助于抗彎能力的恢復，節約材料[5]。基坑支護設計計算方法主要有極限平衡法、圖解法、等值梁法和有限單元法等[6]，本工程將整個結構分解為擋土結構、內支撐結構兩部分進行分析；擋土結構采用平面桿系結構彈性支點法，內支撐結構按平面結構分析，同時考慮其相互之間的變形協調[7]。由于本工程為砂土地層，應采用水土分算的方法，其主動土壓力和被動土壓力的計算見式(1)和式(2)，內支撐力計算見式(3)，水壓力計算見式(4)。

(1)

(2)

Fh=kR(vR-vRo)+Ph

(3)

ua=γwhwa,up=γwhwp

(4)

其中，σak，σpk分別為支護結構主動土壓力和被動土壓力；ua,up分別為支護結構內、外側的水壓力；Ka,i，Kp,i分別為支護結構主動土壓力系數和被動土壓力系數；hwa和hwp均為主被動水壓力計算深度；ci為粘聚力；vR和vRo分別為擋土構件支撐點的水平位移和內支撐支點的水平位移；Ph為擋土結構計算寬度內的法向預加力。

本工程在計算的過程中，基坑內側和外側水位的變化引起鋼板樁受力的不同，設計中應予以考慮。特別是隨著坑內水位的降低，圍護結構主動壓力增大[8]。鋼板樁的截面形狀和截面高寬比影響主動土壓力的分布形式[9]，設計時也應充分考慮。鋼板樁采用FSP-Ⅳ型鋼板樁，有效寬度為500mm，有效高度200mm，每米截面積為267.6cm2，慣性矩3.96×104cm4，截面模量2.2×103cm3，允許彎拉應力145MPa，其允許最大彎矩Mmax=319kN·m。共計算5個基坑開挖支護工況，本工程的設計計算參數見表1，計算結果如表2所示，表中列出每個工況的最大彎矩、最大剪力和支撐軸力。最大彎矩出現在第3工況，彎矩值為121.59kN·m，小于[Mmax]的319kN·m。圍檁采用規格為440×300×18×11的H型鋼。內支撐采用φ377鋼管，厚度為10mm，截面積115.24mm2，重量90.51kg/m，慣性矩19 430.86cm4，截面模量1 030.81cm3，回轉半徑12.98cm。內支撐設置間距為3.5m。

整體穩定性計算分析安全系數為1.91，對應的滑動圓弧半徑為R=8.062m，圓心坐標為(-2.343,4.081)。抗傾覆計算穩定性安全系數Ks=Mp/Ma，Mp為被動土壓力和支撐點對樁底的彎矩之和；Ma為主動土壓力和水壓力對樁底的彎矩。Ks=1.61>1.30，抗隆起安全系數Kb=2.046>1.60，均滿足規范要求。由于樁底端已經嵌入強度較高的泥質砂巖，其上有密實的礫砂層，因此也不會產生隆起和管涌問題。

表1 基坑支護設計土層參數表

表2 基坑支護結構內力及變形計算結果匯總表

3 鋼板樁圍堰支護結構施工

3.1 施工工藝流程

由于日本在鋼板樁生產工藝方面具有先進的技術[10]，因此本項目采用日標U型鋼板樁，其型號為FSP-Ⅳ。其施工工藝流程如下：施工準備→土方開挖→鋼板樁打設→土方開挖→內支撐制作安裝→第二次土方開挖→墩臺基礎混凝土澆筑→土方回填→拆除內支撐和圍檁→拔出鋼板樁。1)鋼板樁打設。現場鋼板樁打設主要包括：導架安裝、鋼板樁安裝、振動沉樁。由于本工程要穿透礫砂層，因此采用振動沉樁法，預先在鋼板樁圍堰位置開挖一個深為1.5m的坑，目的是為了減小阻力。為保證鋼板樁施工質量，設置鋼板樁導向框架[11]。導框的安裝，可直接懸掛在浮臺上，待打入少量鋼板樁后，逐漸將導框固定到鋼板樁上[12]。2)拔出鋼板樁。為節約成本，在基坑施工完成后，拔出鋼板樁。為減少拔樁的摩擦力，對打入土層的鋼板樁內外兩側涂刷瀝青[13]。拔樁采用振動拔樁法，在現場選擇一個相對較容易拔出的鋼板樁，先用拔樁機夾住鋼板樁振動2min，使其松動后，再上拔鋼板樁。

3.2 施工注意事項

1)本基坑在施工過程中應加強監測工作，特別是基坑頂部的水平位移、豎向位移[14]，同時觀察基坑周圍的水位變化。2)施工中鋼板樁垂直度控制是關鍵，將直接影響鋼板樁的咬合密封[15]，處理不好將引起滲漏，施工過程中應通過設置導向架來解決鋼板樁的垂直度問題。3)對于多臺樁機施工合龍控制問題[16]，本項目通過每個墩臺采用一臺樁機施工，收口位置精準測量來解決。4)在施工中出現裂縫不可避免，可采用干細砂溜縫、棉絮填塞的方法[17]。本工程采用棉絮填塞的方法，成本低，效果較好。5)水平鋼管和圍檁支撐應焊接牢固，出現間隙應采用木楔塞緊[18]，以確保鋼板樁和圍檁結構能夠將土壓力均勻傳至水平鋼管。

3.3 施工效果

現場橋梁墩臺位置基坑開挖表明，圍堰支護結構變形較小，支護結構穩定。基坑底部和側面沒有出現滲漏、管涌等現象，結果表明采用鋼板樁圍堰支護和止水帷幕方案是成功的。

4 結語

1)鋼板樁圍堰技術在砂土地層中的應用是可行的，能夠同時解決支護和止水帷幕的問題。2)在鋼板樁圍堰設計中，將整個結構分解為擋土結構、內支撐結構兩部分進行分析計算，擋土結構采用平面桿系結構彈性支點法，內支撐結構按平面結構分析，保證整體的安全性。3)在施工過程中，應控制鋼板樁的垂直度，出現裂縫后應采用棉絮及時封堵；為保證鋼板樁的穿透力和施工完成后拔樁的方便，施工中采取在樁身上涂抹瀝青和樁底端做成鈍尖狀的方法，以減少側摩阻力。

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On application of steel sheet pile cofferdam technology in sand soil

Wang Hanxi Yu Weiwei Wang Longwei

(ChangchunHaiweiCivilWorksDesignCo.,Ltd，Changchun130062,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the scheme for adopting steel sheet pile cofferdam technique in the foundation pit support design, calculates the foundation pit support structure design, illustrates its craft procedure and precautions, and proves by the practice that the support scheme has better construction effect.

steel sheet pile, cofferdam, support structure, foundation pit

2014-11-29

王漢席(1978- )，男，碩士，高級工程師，注冊土木工程師(巖土)； 于微微(1984- )，女，工程師； 王龍偉(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)04-0061-02

TU473.5

A