鋼板樁圍堰淺巖段預應力錨索抗滑樁的應用

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

0 引言

鋼板樁圍堰常用于港口碼頭、電廠取排水、造船廠等大型工程中。這些工程一般位于海陸結合區域，地質條件較為復雜，基巖面常常由陸域向海域延伸，并且高低起伏不一。尤其在近岸處基巖面埋藏較淺，而鋼板樁一般不易入巖，且入土深度淺，導致插入比過小，使鋼板樁圍堰在淺基巖區域成為一個薄弱環節。在圍堰基坑內進行開挖時，被動土壓力減少，加之海域潮汐、波浪等周期性作用，都會影響到整個圍堰的安全。根據對鋼板樁圍堰結構和地質條件、潮汐風浪的研究，借鑒了常用于邊坡、滑坡治理的預應力錨索抗滑樁[1-4]，對鋼板樁圍堰淺基巖段進行加固。

1 工程概況

本圍堰采用雙排鋼板樁，外形呈喇叭口狀，圍堰寬10 m，周長535.4 m。鋼板樁采用拉森WRU26型，外排鋼板樁頂標高為+6.0 m，內排+3.0 m，設計樁底標高-22.5 m或至基巖。圍堰形成后在內側施工水泥土攪拌樁，形成圍堰基坑的圍護體系，后續進行基坑開挖施工內部結構。

圍堰西側為岸邊，東向海域方向延伸約160 m。西側基巖區向東逐步過渡到海域，海域地貌為海涂灘地，灘地表面地形較為平坦，絕對高程在-0.5～-1.0 m。海域地層分布主要為①3層流泥、②層淤泥、③層黏土等，強度較低，其下為基巖。鋼板樁插入深度范圍內土層主要為軟土性的淤泥、淤泥質土、黏土等。

本工程區域潮汐系東海潮波，每日2次漲落，屬正規半日潮流性質。工程處設計潮位采用三門健跳潮位站實測資料統計值，20年一遇設計高潮位為4.79 m，20年一遇設計低潮位為-3.62 m。工程區前沿海域具有風吹浪起、風停浪息和隨季節變化的波浪特征。

2 工況條件

根據地質勘察報告及打樁記錄，圍堰南側基巖面比原設計抬高較多，整個南側區域外排鋼板樁樁底標高在-5～ -10 m，內排鋼板樁樁底標高在-9～-13 m，較原設計的基巖底標高抬高8 m左右。結合地質資料，從內、外排鋼板樁樁底標高來看，圍堰南側部分的基巖面整體傾向基坑內（圖1）。

圖1 圍堰南側鋼板樁樁底情況示意

結構施工階段，在圍堰基坑內，該處最大挖深將達到-7.2 m，而高潮位期間，最大潮位將達到+3.5 m以上，從圍堰整體分析，將圍堰主體模擬成重力壩，基底面向基坑內傾斜，最大達29.3°，圍堰間土層主要為淤泥，下覆直接是基巖，圍堰的滑移可能性非常大。高潮位期間，圍堰內外的高差為10.8 m，加上風浪的影響，主動水土壓力較大，而圍堰內側僅有寬不到4 m的深攪樁作為支護，坑底距鋼板樁根腳最小距離僅2.5 m，圍堰亦有整體傾覆的風險。經計算復核，一旦開挖至坑底，圍堰將有滑移及整體傾覆的危險，必須采取措施才能進行開挖。

受現場條件制約，圍堰寬度逾100 m，采取對撐的方式既不經濟也不合理；整個基坑內土層均為軟弱土，斜支撐也無固定支點，因此直接增加支撐的方式行不通；增加深攪樁加固的寬度可以提高被動區的土壓力，使圍堰基坑穩定，但受永久結構邊線限制，無法再增加深攪樁加固的寬度。

考慮到該處的基巖面較淺，可采用沖孔樁進行處理。增加沖孔樁后，一方面相當于增加了抗滑樁，限制了鋼板樁根腳的滑移，同時利用沖孔樁自身的剛度，也可防止圍堰傾覆。根據相關文獻[5,6]，一般抗滑樁需嵌入下部固定端1/3樁長左右，根據相關驗算，此處需嵌入基巖6 m以上，且樁身直徑及配筋率較大，費用較高，且對已完成的深攪樁擋墻將造成大范圍破壞。

綜合上述分析，利用原有深攪樁及圍堰自身的抗力，通過采取在圍堰內側進行拉錨的措施可解決圍堰基坑開挖穩定性問題，同時應考慮圍堰整體在根腳處滑動的可能性。圍堰基巖淺區域的基巖地形外高內低，正有利于設置錨索。錨索在施工時，對原圍堰的整體穩定性影響很小，不會對圍堰芯土造成大范圍擾動。在圍堰根腳處設置抗滑樁，防止由于基巖面內傾造成的滑移，從而確保圍堰的安全。

3 錨索抗滑樁設計方案

在內側鋼板樁，水平間距1.3 m設置錨索，內錨固端頭進入微風化巖層6 m，另一端設置在鋼筋混凝土連系梁上。同時為了防止內側鋼板樁根腳的滑動，在靠近內側鋼板樁根腳的位置采用阿特拉斯鉆機引孔，設置抗滑短樁，采用φ108 mm鋼管，入巖1 m以上，然后設置高壓旋噴樁，使內側鋼板樁與深攪樁擋土墻貼合緊密，保證受力的整體性。

根據實際基巖面，為了保證錨索可以從外側鋼板樁底穿過，錨索的傾角一般控制在40°～50°之間，盡管錨索的角度較大，水平分力損失較多，但增加了錨索的垂直分力，使鋼板樁根腳更加穩定。

根據打樁時獲取的基巖面的埋深，主要驗算如圖2所示的2個剖面，分別為鋼板樁插入深度最淺的斷面和基巖面傾斜角度最大的斷面。

圖2 計算斷面示意

為簡化計算，視錨索與鋼板樁的錨固點固定不動，錨索的拉力為已知[7]。計算分2步進行，首先將雙排鋼板樁圍堰及內部的芯土、拉桿圍檁系統作為一個整體進行驗算，即將圍堰主體模擬成重力壩，水土壓力根據土性采用水土合算；然后將雙排鋼板樁分開，以內排鋼板樁及錨索抗滑樁作為支擋結構進行計算。

首先視圍堰為一整體重力壩，依據浙江省《建筑基坑工程技術規范》，以鋼板樁插入深度最淺斷面（1-1剖面）為例，建立如圖3所示的模型，根據驗算結果，該驗算圍堰的抗傾覆穩定性和抗滑移穩定性均滿足規范要求。

上述驗算將圍堰斷面作為一個整體考慮，為安全起見，將內、外排鋼板樁分離，以內排鋼板樁、錨索抗滑樁作為支護結構，驗算圍堰的抗傾覆能力。取基巖面較淺的1-1剖面，根據規范要求，以新增錨索以下部分土壓力進行抗傾覆驗算，建立如圖4所示的計算模型，根據驗算結果，滿足安全要求。

圖3 剖面驗算模型一

圖4 剖面驗算模型二

4 錨索抗滑樁加固效果

選擇基巖面最淺的區域作為分析對象，該區域基坑開挖深度為-6.7 m，各施工階段具體為：2012年3月15日開始開挖，當日挖至坑底；3月19日澆筑底板完成；3月28日澆筑上部結構。

由基坑開挖過程中的錨索頂部位移數據可見（圖5），由于采用了錨索以及嵌巖樁鎖腳，擋土墻的位移變化很小，開挖至坑底時，最大變形為10 mm；開挖后結構施工期間，擋土墻的變形基本保持穩定，甚至略有減少。從最大位移10 mm計算錨索實際伸長量為7 mm，與前述假定視錨索與鋼板樁的錨固點固定不動較為一致。

圖5 錨索端頭水平位移

從測斜孔不同深度的變形情況來看（圖6），最大變形位置位于測斜孔頂部。在基巖層以上，擋土墻的位移隨深度增大而略有減小。參考地質勘察報告上ZK59（距離測斜孔約20 m）的剖面圖，該鉆孔顯示在基巖層上均為軟弱土。由于測斜孔進入基巖后可認為底端為固定點，因此整個擋土墻在基巖層以上為主要變形區，且其變形沿深度為近似線性變化[8,9]。

圖6 測斜孔監測數據

5 結語

1）作為主要用于治理滑坡的預應力錨索抗滑樁，可在鋼板樁圍堰淺巖段使用，但需分析基巖的走向、傾向、層位等，如果基巖面較平緩或者順錨索方向，則錨索在施工時可能存在無法入巖的情況。

2）本文中在鋼板樁根腳處設置嵌巖鋼管防止根腳滑移，利用了鋼板樁作為抗滑樁的一部分，節約了成本，但在工程實踐中需經充分驗算。

3）與大型滑坡相比，由于圍堰寬度較小，為簡化計算，假設錨索與鋼板樁的錨固點固定不動，且錨索的預應力為已知，從監測數據來看，與本工程實際情況較為一致。但為安全起見，對于大型滑坡等工程，宜按照變形協調計算結構體系的內力。