昆明滇池環湖南岸截污工程基槽開挖施工支護方案

楊媛

【摘要】文章通過對拉森鋼板樁在昆明滇池環湖南岸截污工程的應用，詳細的介紹了方案階段對拉森鋼板樁的選型和受力驗算，鋼板樁施工的安全技術措施、拉森鋼板樁常見問題的原因分析與防治措施。拉森鋼板樁在昆明滇池環湖截污工程中的應用結果表明拉森鋼板樁具有質量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快、施工安全、占地空間小、節省投資、質量容易控制、有利于施工現場的環境保護等優點，特別適用于開挖深度在8米內的軟土基坑支護圍護結構。

【關鍵詞】拉森鋼板樁 基槽開挖 支護 驗算

一、工程概況

昆明市滇池環湖南岸截污工程，始于晉城彎腰村，止于晉寧海口污水處理廠，在滇池環湖南路外側，全長29.92公里，由晉城段干渠、古城段干渠和昆陽段干渠以及污水處理廠等組成，干渠全長約24公里；我標段位于昆陽段干渠的最尾端，長1.18km，設計干渠斷面為4×3m（寬×高） 鋼筋混凝土箱涵，埋深6～6.5m，由于多種因素影響，原中標方滿足不了工期要求的前提條件下，項目法人才決定改由我集體公司承擔該項目的施工任務，合同要求總工期60天。

工程區地形、地貌情況：工程區地形平坦開闊，地表有耕地、稻田、魚塘等，表層土質主要以耕作土和淤泥質粉質粘土，土質較差，干渠中部有約5米寬的河流和4.5米寬的公路穿過，干渠左側有約（距離干渠5m左右）15000的養魚塘，有近300m的魚塘邊與干渠平行，魚塘梗為土埂，魚塘水深1.5～2m。

工程區地下水情況：工程區地下水位較高，在地表下0.9米左右，其補給來源主要為大氣降水和周邊魚塘、河流以及滇池地下滲水，并受地表徑流影響，水量豐富。

工程區地質情況：主要土質為有機質耕作土、粘性土、粉質粘土、泥炭質土、粉砂、淤泥等組成，自上而下各層土分別為①耕作土，②粉質粘土，③淤泥質粉質粘土，④淤泥質粘土，⑤粉質粘土。

工程區降雨情況：每年11月至次年4月為枯水期，是施工的最佳施工時期，5～10月為雨季，6～8月為主汛期。多年平均降雨量800mm左右，主要降雨時間大多集中在6～8月，為全年降雨總量的70%以上。

二、基槽開挖支護方案選擇

由于施工工期較短，工區地表主要為農田，干渠旁有魚塘，并有河流橫穿干渠，所以必須在主汛期到來前完成施工任務，要求基坑支護方案首先必須是施工簡單方便，確保工期需要，同時滿足基坑支護穩定和防水要求，確保安全施工和環境保護，最后能夠滿足降低施工成本的原則選擇基坑支護方案。

第一方案為原設計的鋼筋混凝土鉆孔樁結合深攪樁支護方案。該方案能夠滿足施工支護穩定和防水要求，但施工時間較長，滿足不了施工要求，同時相對造價較高。

第二方案為放坡開挖方案。該方案施工設備方便，造價較低，滿足工期要求，但截污干渠左側為即將完工的環湖公路，右側有近300m長的魚塘邊與干渠距離較近（距離只有4～5m），放坡開挖尺寸不夠，同時滿足不了防水要求，施工安全風險加大。

第三方案為鋼筋混凝土地下連續墻支護方案。該種方案能夠滿足支護穩定和防水要求，但施工時間長，滿足不了工期要求，而且造價高昂。

第四方案為拉森鋼板樁支護方案。該方案施工時間短，能夠滿足支護穩定和施工防水要求，而且造價低廉，有利于環保，但沒有施工經驗，有一定的施工風險。

通過比選最后決定采用拉森鋼板樁支護方案作為截污工程的基坑支護方案，通過引進有拉森鋼板樁施工經驗的專業施工隊伍進行基坑支護施工，規避施工風險。并確定基坑開挖寬5m，分三段進行組織施工，拉森鋼板樁施工的樁機用日立450液壓反鏟挖掘機改裝帶液壓振動錘的樁機進行施工，用日立330長臂挖掘機進行土方開挖，混凝土全部采用商品混凝土進行澆筑，采用中聯重科32m臂長的混凝土汽車泵進行混凝土入倉，完全能夠滿足施工進度要求，確保工程施工質量和施工安全。

三、拉森鋼板樁選型

由于基槽開挖深6.0m～6.5m，開挖寬度5m，并結合拉森鋼板樁施工的專業施工隊伍的施工經驗和拉森鋼板樁類型，決定采用拉森IV12米的鋼板樁作為基槽開挖的主要支護樁。從上到下設兩道圍檁和兩道支撐，第一道圍檁和支撐設在樁頂以下1.5m處，第二道圍檁和支撐設在樁頂下4.5m處；圍檁選用400×400×13×21肋H型鋼作圍檁，支撐選用Ф500cm、t=12mm鋼管作支撐，每一道圍檁設一道支撐，縱向間距為4米設一道支撐。

四、拉森鋼板樁受力驗算

為確保施工安全，選取有代表性的地質斷面進行荷載計算，取最不利荷載為拉森鋼板樁支護的驗算校核荷載。

（一）代表性地質斷面土質物理力學指標如下表

（二）拉森鋼板樁參數

（三）拉森鋼板樁入土深度驗算

1.參數計算。12m SKSPⅣ型拉森鋼板樁（取土層最大影響深度12m）：

r=（18.4×1.9+20.3×1.6+15.9×5.5+20.1×2.4+19.3×0.6）/12=17.89KN/m3

φ=（23×1.9+6.2×1.6+4.4×5.5+22.2×2.4+14.2×0.6）/9=11.62

Ka=tga2（45°-11.62/2）=0.664

Kp=tga2（45°+11.62/2）=1.504

根據Ka×r最大值選取最不利荷載土層參數作為計算依據。

2.計算簡圖。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，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，計算簡圖如下：

3.最小入土深度的計算。為使鋼板樁保持穩定，在A點的力矩等于零，即

∑MA=0，亦即：0.5F1+3.5F2+EaHa-EpHp=0

其中：主動土壓力Ea=1/2ea（H+t）=1/2r（H+t）2Ka

被動土壓力Ep=1/2ept=1/2rt2Kp

r=17.89，φ=11.62，Ka=0.664，Kp=1.504，H=6.5m

根據拉森鋼板樁受力平衡即F1+F2+Ep-Ea=0及鋼板樁下端彎矩平衡即：

（5+t）F1+（3+t）F2+Ep/3-（6.5+t）Ea/3=0

F1=（1.5+0.33t）Ep-（0.42+0.33t）Ea

F2=（1.42+0.33t）Ea-（2.5+0.33t）Ep

將各參數分別代入彎矩平衡方程式得：t3+13t2-44t-65.8=0

解得t=3.7m，鋼板樁最小長度為：地面預留部分0.5m+開挖深度6.5m+入土深度3.7m=10.7m，故采用12mSKSPⅣ型拉森鋼板樁，雙支撐支護滿足6.0～6.5m基槽開挖深度的要求。

（四）拉森鋼板樁支撐圍檁驗算

1.計算參數。由于圍檁選用400×400×13×21肋板H型鋼，其主要參數為：

Ix=66900cm4，Wx=3340cm3，S=219.5cm2，[σw]=210MPa，[τ]=120MPa

q1=F1/1=（1.5+0.33t）Ep-（0.42+0.33t）Ea=126.7KN/m

q2=F2/1（1.42+0.33t）Ea-（2.5+0.33t）Ep=321.6KN/m

選q2進行400x400x13x21帶肋板H型鋼驗算

2.荷載分布圖。為簡化計算采用3等跨連續梁進行受力驗算。

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3.抗彎驗算。400×400×13×21肋板H型鋼圍檁（腰梁）最大彎矩。

Mmax=0.08ql2=0.08×321.6×42=411.6KN.m

Wx[σw]=3340×210/1000=701.4 KN.m>Mmax

故400×400×13×21肋板H型鋼圍檁（腰梁）滿足抗彎要求。

4.抗剪驗算。400×400×13×21肋板H型鋼（腰梁）

最大剪力Qmax=0.6ql=0.6×321.6×4=771.8KN

[τ]S=210×219.5/10=4609.5KN>Qmax

故400×400×13×21肋板H型鋼圍檁（腰梁）滿足抗剪要求

（五）拉森鋼板樁支撐驗算

1.荷載分布圖。

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c=（17.3×1.9+28×1.6+5.5×5.5+17.3×2.4+40.5×0.6）/12=14.5KPa

Ea=0.5×17.89×122×0.664-2×14.5×12√0.664+2×14.52/17.89=595.2KN

Ep=0.5×17.89×5.52×1.504=407.0KN

根據鋼板樁受力平衡及對A點彎矩平衡求得：

F1=90.5KN，F2=97.7KN

故支撐鋼管受力N1=4F1=362KN，N2=4F2=390.8KN，取較大值N=390.8

回轉半徑i==4.25cm

按最大開挖寬度5m自由長度lo=0.5 （5.0-0.4）=2.3m

長細比λ=230/4.25=54.12<56

φ=1.02-0.55（λ+20）2/10000=0.719

容許壓應力[σ]=140MPa

鋼管截面積Am=π/4（D）=3.14/4（0.52-0.472）=0.02285m2

N/Am=390.8/0.02285×1000=17.1MPa<φ[σ]=140×0.719 =100.66MPa

故在考慮土的粘結力的情況下，DN500×15鋼管雙支撐滿足6.5m挖深的鋼板樁支撐要求。

五、鋼板樁施工的安全技術措施

第一，機械作業點地面應平整壓實，防止翻車事故發生；若地面松軟，支承腳底部應墊實牢固。

第二，應用鋼絲繩和鎖扣扣緊樁身，并輕起輕放。拔樁前應檢查震錘是否夾緊，防止震錘未夾緊，損壞鋼板樁而造成事故。

第三，作業范圍內嚴禁站人，以防各種突發事件造成事故。

第四，拔樁嚴禁超負荷作業，不準超力矩，仰角也不得超過限度，以防“翻車”或“折臂”事故。

第五，不得在風力超過6級及大雨、雪、霧等惡劣天氣下作業。

第六，回轉操作要平穩地接觸回轉離合器，盡量減少鋼板樁的擺動，起吊時應先鳴笛示警，要穩妥操作。

第七，支撐架設應及時，不得拖延；支撐安裝應平直，不得傾斜彎曲，支撐安裝焊接時應注意用火作業安全。

第八，隨時檢查鋼板樁和支撐是否完好，發現松動應及時補焊和加焊補強，發現鋼板樁彎曲時應及時進行加固，確保施工安全。

第九，鋼板樁施工應設專人指揮，統一信號，夜間作業應有良好的施工照明。

第十，應設專人對鋼板樁和支護結構的位移、沉降、周邊環境、地下水位、基坑底部回彈及隆起等進行監測。

監測點的位置及數量：第一，在基坑頂部各轉角處應設置沉降、傾斜及水平位移觀測點；第二，支護板樁、支撐、圍檁的應力及應變觀測點應設置在受力較大位置，數量及位置宜結合現場條件確定；第三，地下水位的觀測宜在基坑四周設四個觀測井；第四，基坑底部回彈及隆起觀測，視現場情況確定。

監測與測試的控制指標：第一，支護樁頂水平位移累計不大于30mm，位移速率不大于3mm/d；第二，樁身、圍檁、支撐構件及立柱的應力值不大于設計值的80%；第三，周圍道路及管線水平位移總量不大于30mm；第四，地下水位應低于設計指標。

監測要求：第一，在圍護結構施工前精確測定初始值；第二，施工中應加強對測試點及測試設備的保護，防止損壞；第三，應采取有效措施保證測試基準點的可靠性及測試設備的完好，以確保測試數據的準確性；第四，應及時向設計人員提供監測數據及最終測試評價成果，以便進行分析及采取相應的防范措施。

監測周期：從基坑土方開挖至基坑回填施工前，都應進行基坑支護監測。在正常情況下，臨近監測對象每2天觀測1次，當日變化量或累計變化量超警戒值時，監測頻率適當加密，每天觀測1次。特殊情況如監測數據有異常或突變，變化速率偏大等，適當加密監測頻率，直至跟蹤監測。在地下結構施工階段，各監測項目觀測頻率為2～3次/周，支撐拆除階段1次/天。

六、拉森鋼板樁常見問題的原因分析與防治措施

（一）滲漏和涌沙的處理

鋼板樁施工完畢在基坑挖土到5.8m時，發現鋼板樁滲漏，主要在接縫處和轉角處有漏水現象，有的地方還有涌沙現象。現場采用的處理方法：第一，采用水玻璃水泥漿以閥管雙液灌漿系統施工堵漏；第二，采用麻絲等柔軟物進行堵塞。

主要原因：第一，拉森鋼板樁舊樁較多，使用前未進行校正修理或檢修不徹底，鎖扣處咬合不好，以致接縫處易漏水；第二，轉角處封閉合攏不嚴，沒有采用特殊形式的轉角樁；第三，打設拉森鋼板樁時，兩塊板樁的鎖口可能插對不嚴密，不符合要求；第四，拉森鋼板樁的垂直度不符合要求，導致鎖口漏水。

預防措施：第一，舊鋼板樁在打設前應對彎曲變形的鋼板樁可用油壓千斤頂頂壓或火烘等方法矯正；第二，做好圍檁支架，以保證鋼板樁垂直打入和打入后的鋼板樁墻面平直；第三，為了防止鋼板樁鎖口中心線位移，在打樁行進方向的鋼板樁鎖口處設卡板，阻止板樁位移；第四，為防止鋼板樁打入時傾斜，且鎖口結合處有空隙或封閉合攏不密扣，可用異形板樁或采用軸線封閉法等方法處理。

（二）拉森鋼板樁側傾和基坑底土隆起及地面裂縫

開挖土方到基底標高后，縱向長近35m的鋼板樁發生側傾，坑底土隆起，地面出現裂縫并下沉，局部坍塌。現場采用的處理措施：對坍塌段剝坡減荷，局部回填土后，拔出鋼板樁，重新施打鋼板樁后，再行開挖支護。

主要原因：第一，地質資料不準，塌方段底部出現粉細砂層，地下水量大，行成管涌；第二，鋼板樁的設計嵌固深度不夠，造成樁后地面下沉，局部坍塌，坑底發生管涌；第三，在挖土作業時由于挖土機及運土車在鋼板樁頂側，增加了土的地面荷載，導致樁頂側移；第四，沒有及時進行墊層混凝土的施工。

預防措施：第一，地勘資料必須準確，鋼板樁的選用和必須按基坑支護技術規程、規范進行計算確定；第二，挖土機及運土車不得在基坑邊作業，如必須施工，應將該項荷載計入鋼板樁大的設計荷載中，以增加樁的嵌固深度；第三，基底水壓較大時，應對基底做注漿封水處理；第四，地下水位較高時需進行降水后再行土方開挖。

（三）圍檁（腰梁）發生扭曲失穩處理

在進行土方開挖至第二層支撐底面，還未安設第二層支撐時，出現第一層支撐失穩扭曲。現場采用的處理措施：在H型鋼圍檁上增加加勁板，及時將鋼板樁與H型鋼圍檁之間的空隙加墊嚴實，增加鋼板樁與H型鋼圍檁的焊接連接點長度。

主要原因：第一，樁頂一側有機械作業，增加施工荷載，選用的400×400×13×21肋板H型鋼圍檁剛度不夠；第二，鋼板樁施工垂直度和平整度誤差較大，圍檁與鋼板樁之間的結合不好，影響受力。

預防措施：第一，進行荷載計算時施工機械荷載必須計算準確；第二，選用剛度大的H型鋼圍檁；第三，確保鋼板樁的施工質量，控制好鋼板樁的垂直度和平整度，確保鋼板樁與H型鋼圍檁的連接牢固嚴實。

七、結尾

通過引進拉森鋼板樁作為基坑支護在昆明滇池環湖截污工程中的應用，在60天施工工期內，很好地完成了施工任務，確保了工程的施工進度，同時降低了施工成本。充分體現出拉森鋼板樁是一種特制的型鋼板樁，用打樁機及振動錘將鋼板樁壓入地下構成一道連續的板墻，作為深基坑開挖的臨時擋土、擋水圍護結構，具有質量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快、施工安全、占地空間小、節省投資、質量容易控制、有利于施工現場的環境保護等優點，特別適用于開挖深度在8米內的軟土基坑支護圍護結構。