鋼板樁在基坑開挖支護中的應用

□張征浩　□張光明（河南省水利勘測設計研究有限公司）

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鋼板樁在基坑開挖支護中的應用

□張征浩□張光明（河南省水利勘測設計研究有限公司）

摘要：隨著經濟的快速發展，中國基礎設施建設行業發展迅猛，有時需要在很多現狀河道或者渠道上修建跨河、跨渠建筑物，在有條件限制時，需要對現狀河道或者渠道的邊坡進行開挖施工。鋼板樁作為一種快速、有效并能顯著減少開挖范圍的臨時支護方案，已經廣泛應用于工程中的分離墻、河堤、碼頭、壁岸防護、臨時圍堰等。文章通過對鋼板樁在南水北調總干渠渠道外坡開挖中的具體應用分析，對以后類似跨渠建筑物的修建提供參考。

關鍵詞：鋼板樁；渠道外坡；開挖支護

1工程概述

省道236改建工程在南水北調總干渠寶豐至郟縣段SH（3）55+791.40處跨越，路渠夾角90°，橋面全寬13 m。橋位處總干渠為半挖半填渠道斷面，總干渠底板高程120.59 m，設計水位127.59 m，最大水位128.22 m，底寬24.50 m，堤頂高程129.08 m。總干渠渠堤填高約4 m，全斷面采用混凝土板襯砌，渠道外坡腳采用干砌塊石加強防護，防護高度2.50 m。

為避免橋梁建設對總干渠輸水能力的影響，橋梁采用50+90+50 m跨徑組合，中跨一跨直接跨越總干渠，將橋墩置于總干渠外坡坡腳之外。由于橋墩設置有3 m高承臺，承臺施工開挖時需要占用總干渠渠堤外坡，承臺底高程121.45 m，現狀渠堤外坡腳處地面高程124.52 m，承臺施工時渠堤外坡臨空面高度4.50 m。由于橋梁建設時，南水北調總干渠渠堤已經填筑完成并已試通水，渠堤外坡應盡可能減少開挖范圍，并需進行必要的臨時支護，同時需保證總干渠的運營安全。

橋位處場區地層主要有第四系上更新統沖洪積成因及中更新統沖洪積成因土層、上第三系洛陽組巖層，與渠堤滲透穩定分析及邊坡穩定分析有關的地層為黃土狀重粉質壤土、重粉質壤土。

2承臺基坑開挖支護方案

由于承臺基坑開挖深度約4 m，且總干渠渠堤填高約4 m，經比較分析，決定在承臺基坑開挖時采用工程經濟、施工快捷的鋼板樁支護方案對渠堤外坡進行臨時支護。根據鋼板樁性能參數，型號采用PU12型。為減少對總干渠渠堤的擾動，施工方式采用靜壓施工，鋼板樁施工完成后不再拔出，為此需要對鋼板樁做防銹蝕處理：刷紅丹酚醛防銹底漆，再涂灰鋁粉石墨面漆，各兩道，每道干膜厚度≥35 μm，總干膜厚度≥140 μm。

鋼板樁中心沿承臺四周距離承臺邊緣1m（渠堤外坡腳側距離承臺邊緣0.25 m，鋼板樁直接作為承臺模板使用）布置。總干渠渠堤側鋼板樁樁頂高程為125.95 m，樁底高程116.95 m，樁長9 m；承臺其余三側的鋼板樁樁長8 m，樁頂高程與現狀地面齊平。為減少鋼板樁變形對總干渠渠堤安全的影響，在鋼板樁施工完成并進行承臺基坑開挖時，采用18#工字鋼對鋼板樁進行支撐加固，橫橋向間隔3 m設置，邊開挖邊支撐，支撐位置在鋼板樁樁頂以下50 cm處。

為保證總干渠的安全，在鋼板樁施工過程中，要求施工單位在橋位處30 m范圍內的總干渠堤頂每間隔10 m設置4處觀測點對渠堤的沉降和變形進行監測。

3總干渠外坡滲透穩定分析

以橋位處總干渠斷面進行滲流計算分析，該斷面為半挖半填斷面，填土采用渠道開挖棄料黃土狀重粉質壤土，渠基為黃土狀重粉質壤土。滲透穩定計算考慮的工況為防滲材料失效，渠道內水向渠堤外滲漏，計算鋼板樁布設前后渠堤堤身、堤基及背水坡滲流出逸段的滲透穩定性。

滲流計算采用有限元數值分析方法計算，采用河海大學工程力學研究所編制的《水工結構有限元分析系統》程序進行計算分析。基本模型為：

式中：H為滲流場的水頭函數，P為水壓力，γ為水容重，Kx和Ky分別為x和y方向土的滲透系數。

典型斷面所采用的地質參數見表1。

根據《水利水電工程地質勘察規范》（SL274-2001）及地層情況，土的滲透變形類型判別為流土型，因此按流土型計算臨界水力坡降和允許水力坡降，計算公式如下：

表1　滲透計算采用地質參數表

式中：Jcr—土的臨界水力坡降；J允許—土的允許水力坡降；GS—土的顆粒密度與水的密度之比；n—土的孔隙率（%）；e—孔隙比；K—安全系數為1.50～2.50，按2.00選取。

經有限元程序計算，渠道斷面在外坡腳的出逸高度和出逸段的計算滲透比降具體見表2。

表2　滲透計算成果表

根據計算結果，渠道防滲失效后，按照規范要求，鋼板樁布設前后，不安全出逸高度相差約1m，不安全出逸高度以下邊坡需采取貼坡排水防護措施，貼坡排水為：土工布（400 g/m2）+ 10 cm砂礫石+30 cm干砌石。

考慮到填方高度、浸潤線不安全出逸高度及浸潤線出逸高度，設計貼坡排水防護高度H=浸潤線出逸點高度+0.50 m= 1.95 m。由于總干渠渠堤外坡設計有高度2 m的干砌塊石坡面防護，略大于設計貼坡防護高度，渠坡增設鋼板樁阻水致使浸潤線抬高后，干砌塊石貼坡防護高度滿足要求。

4總干渠邊坡穩定分析

根據外坡滲流分析計算成果，渠堤增設鋼板樁后，渠道浸潤線明顯抬高，需對渠道邊坡進行復核計算分析。渠道內坡計算考慮“渠道防滲有效，地下水穩定滲流”，渠段地下水位低于設計渠底以下約5m，故鋼板樁布設對渠道內坡穩定基本無影響，故僅對渠道外坡進行計算分析。

渠道外邊坡計算工況、計算參數及計算方法與初步設計階段一致，計算參數見表3。

表3　計算參數采用值表

鋼板樁布設前，邊坡穩定計算成果為：設計工況“渠道內設計水深7 m，地下水處于穩定滲流，防滲有效”，安全系數F1= 3.12；校核工況“填方渠內加大水深，局部防滲失效，計算渠堤外坡穩定”，安全系數F2=2.13，均滿足設計要求。

鋼板樁布設后，浸潤線抬高，在僅考慮鋼板樁對邊坡臨空面的支撐時，邊坡穩定計算成果為：設計工況“渠道內設計水深7 m，地下水處于穩定滲流，防滲有效”，安全系數F1=2.98；校核工況“填方渠內加大水深，局部防滲失效，計算渠堤外坡穩定”，安全系數F2=1.98，較鋼板樁布設前安全系數有所降低，但仍均滿足設計要求。

根據以上計算分析可知，橋梁樁基承臺施工采用鋼板樁支護后，由于鋼板樁施工完畢后不再拔出，鋼板阻水致使浸潤線抬高后，貼坡防護高度仍滿足設計要求，同時使渠堤外坡穩定安全系數降低，設計和校核工況下，安全系數分別由F1=3.12和F2= 2.13降低至F1=2.98和F2=1.98，仍滿足設計安全系數≥1.50和校核安全系數≥1.30的要求。

5結語

根據對總干渠邊坡的滲透穩定及邊坡穩定分析計算，鋼板樁布設后，浸潤線不安全出逸高度1.45 m，設計貼坡防護高度1.95 m，仍小于總干渠渠堤外坡設計的干砌塊石坡面防護高度2 m；雖然鋼板阻水致使浸潤線抬高、渠堤外坡穩定安全系數降低，但貼坡防護高度、安全系數仍滿足設計安全系數、校核安全系數的要求。綜合以上情況，采用鋼板樁臨時支護方案對總干渠渠堤外坡進行局部開挖是可行的。

目前，省道236改建工程跨南水北調總干渠大橋已經竣工通車，總干渠也已正式通水運營且運營情況良好。渠道邊坡的局部開挖支護方案得到實踐驗證，可以為以后跨渠建筑物的修建提供參考經驗。

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

中圖分類號：U445

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）05-0062-02

收稿日期：2016-02-12