錨拉鋼板樁在軟土基坑工程中的應用與探討

鐘 錚 林 巧 顏 超

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

鋼板樁支護屬于傳統的板式支護結構形式，由打入土層中的鋼板樁和必要的支撐或拉錨體系組成，以抵抗水、土壓力并保持周圍地層的穩定，確保地下工程施工的安全。鋼板樁支護具有高強、輕型、施工快捷、環保、美觀、可循環利用等優點，在國內外的建筑、市政、港口、鐵路等領域都有悠久的使用歷史[1]。

在軟土地區基坑工程中，鋼板樁支護已得到普遍使用，但是其中的懸臂式鋼板樁抗彎能力較差，樁撐式鋼板樁出土效率較低，而錨拉式鋼板樁的出現則有效地克服了這些缺點。

錨拉鋼板樁支護是在鋼板樁的頂部設置錨拉鋼筋，通過外側的錨碇結構固定錨拉鋼筋，使其可以提供足夠的拉力維持圍護鋼板樁的受力平衡，還可通過預加軸力等方式控制圍護鋼板樁的變形。這種支護結構將錨拉鋼筋和錨碇結構均設置在基坑外側，故坑內無支撐支擋，可以進行敞開式挖土施工，大大方便了土方開挖和地下結構的施工作業，提高了施工效率[2]。

雖然場地條件的要求對錨拉鋼板樁支護的推廣應用造成了一定的限制，但施工便利、剛度可靠、靈活多變等優點也讓其在港口、橋梁、船塢等工程中占有一席之地[3]。在實際應用中，錨拉鋼板樁支護中設置的剛性錨碇結構（多為鋼筋混凝土結構構件）不僅施工速度慢、施工周期長，而且不能回收利用，對工程工期和造價成本都有一定的影響。

為了滿足施工現場的需要，常常采用相同型號的鋼板樁作為錨碇結構，在基坑工程施工完成后拔出回收。但是，作為錨碇結構的鋼板樁與常規的鋼筋混凝土錨碇結構相比，構件剛度大大減少，應作為柔性結構考慮，其自身的受力和變形較大，對整個支護結構的影響相較剛性結構有較大的不同；然而，現行規范中并沒有給出柔性結構作為錨碇結構的設計計算方法，如果仍舊套用規范中的設計計算方法，可能與實際受力狀態有一定的區別，柔性錨碇結構甚至可能無法提供足夠的錨拉力而導致整個支護體系失效[4-7]。

本文結合錨拉鋼板樁支護結構在上海軟土地區某基坑工程險情處理中的應用，就采用柔性錨碇結構錨拉鋼板樁的變形特性和設計方法開展了一些探討性的分析研究，力求為其在工程建設中的推廣應用提供技術支持和實踐基礎。

1 工程概況

上海市某大型居住社區項目擬在地下建設整體1層、局部2層的框架結構地下車庫，采用樁筏基礎和預制樁基。基坑整體呈方形，平面尺寸約為140 m×120 m，總面積16 500 m2，基坑普遍開挖深度地下1層區為5.45 m，地下2層區為9.70 m。

1.1 周邊環境

基地周邊環境條件較好：東側為待建園田路，現為空地；北側為現狀楓沛路，路面下有少量市政管線分布；西鄰陳家灣港；南側為楊家婁河，河道均已整治，河道藍線外2 m處設有護岸結構。項目基坑具體環境平面關系如圖1所示。

圖1 基坑環境總平面示意

1.2 工程地質

本工程場地屬于湖沼平原I1區地貌，地基土主要由黏性土、粉性土和砂性土組成，土層有一定起伏，屬第四紀全新世（Q4）及上更新世（Q3）沉積物。

場地淺層有③t層灰色砂質粉土分布，透水性好，對基坑穩定性影響較大；第③1層淤泥質粉質黏土力學強度低、層厚大，對圍護結構變形控制十分不利。與基坑工程相關的主要土層地質情況見表1。

表1 土層物理力學參數

2 支護方案

2.1 整體施工方案

根據本工程基坑規模較大且深坑嵌套深坑的特點，選定“分區順作、先深后淺”的整體施工方案：地下1層區和地下2層區分別獨立圍護、先后開挖施工，在地下2層區完成地下結構施工后再進行地下1層區的開挖施工，通過時空效應原理減少基坑暴露的時間和空間，控制基坑變形，保護周邊環境。

2.2 基坑支護方案

地下1層區選用自立式圍護結構——水泥土重力式圍護墻，墻體采用“椅子式”布置形式，坑內能敞開挖土，施工便捷，有利于縮短工期。

地下2層區采用板撐式支護體系——鉆孔灌注樁圍護＋三軸攪拌樁止水＋2道鋼筋混凝土水平支撐，施工工藝成熟，環境影響小，變形控制能力強。

3 施工過程

本基坑自2018年5月開始施工，至9月地下2層區施工完成，地下1層區開始由西向東進行土方開挖。10月初，為加快進度，施工單位在未作任何道路強化處理的情況下，允許混凝土攪拌車、土方運輸車等重型車輛駛上西側圍護墻頂并來往行走，實際施工超載遠大于設計限值。10月8日下午基坑西側重力式擋墻墻體開始出現裂縫，之后墻體變形迅速增加，至次日早晨一夜間變形增量達21 mm；現場圍護墻墻頂多處出現縱向開展裂縫，壩體中部向坑內傾斜，存在垮塌失穩的風險；坑外地表明顯沉降，外側土體向河道方向滑移，河道護岸結構基礎下沉引起頂部欄桿斷裂損壞，如圖2所示。施工單位已停止挖土作業，為減緩變形發展速度，采取了被動區堆土反壓的臨時措施。

圖2 施工現場險情照片

10月9日，相關參建單位就西側壩體險情處理集中商議，認為基坑存在重大安全隱患，需要立即進行加固處理。由于重力式擋墻水平位移大、表面開裂嚴重，墻體內部大概率存在可能導致擋土隔水性能失效的結構性破壞，因此考慮在變形最大的圍護墻體中部區段外側加設一套錨拉鋼板樁作為加強支護結構，鋼板樁圍護兩端與完整性較好的重力式擋墻搭接形成止水封閉，基坑內部仍可開敞施工，有利于加快搶險施工速度。

此外，為降低中部壩體垮塌風險，將其內插型鋼與圍護鋼板樁頂部進行了部分連接，以限制變形發展。施工過程中，加強現場管理，基坑頂部禁止車輛通行；加密監測頻率，遇到異常情況及時通知相關各方啟動應急預案。通過上述手段，達到保障基坑本體穩定與周邊建（構）筑物安全的目的。

4 錨拉鋼板樁設計計算方法研究

根據本工程基坑的特點，主要考慮搶險時間的緊迫性，作為加強圍護結構的錨拉鋼板樁選用相同規格的鋼板樁作為錨碇結構，錨拉鋼筋從陳家灣港上方越過并錨固于對岸的公共綠地中，設計計算中偏于安全地忽略河道范圍內土體的抗力貢獻，采用有限元仿真分析對規范方法進行復核修正，具體過程如下。

4.1 規范設計方法

根據相關規范[2-4]，采用豎向彈性地基梁法，按帶1道支撐的鋼板樁支護模型用“m”法算得滿足穩定性變形要求的圍護鋼板樁長度不少于12 m，單位長度鋼板樁上錨拉鋼筋的拉力為151.2 kN。

錨碇結構的埋入深度和平面尺寸應符合穩定性要求，即錨拉鋼筋的拉力與主動土壓力之和不大于被動土壓力，且錨碇結構和圍護結構之間的控制距離根據兩側結構的滑動破壞面確定。通過對錨碇結構臨界插入深度的迭代計算，最終確定采用6 m長的錨碇結構時，錨碇結構和圍護結構之間保持10 m的最小距離可以滿足平衡計算要求。

然而，規范計算方法是以剛性錨碇結構為設計對象的，其受力性狀和破壞模式都與柔性錨碇結構有較大的不同。為了確保錨拉鋼板樁支護體系的整體有效性，有必要建立有限元模型對開挖過程進行數值模擬，以便對規范設計結果進行完善和修正。

4.2 有限元仿真分析

在有限元分析中，土體采用適用于基坑開挖的Hardening-Soil（硬化土）模型，圍護樁和錨碇樁采用板單元、錨拉鋼筋采用錨桿單元進行模擬，圍護樁、錨碇樁和土體之間采用接觸面模擬樁土相互作用，建模的土性參數參考勘察單位提供的地勘資料，模型邊界條件采用標準邊界，即模型底部限制水平和豎向位移，兩側限制水平位移[5]。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元網格模型

隨著基坑模擬開挖施工的進行，圍護鋼板樁變形不斷增大，樁身水平位移呈“C”形，最大變形發生在開挖面附近，開挖至坑底時達到最大值11.4 mm；錨碇鋼板樁的最大受力部位在樁頂，樁身水平位移呈上大下小的形狀，在開挖卸荷作用下樁頂變形不斷增大，開挖至坑底時頂部最大位移27.4 mm，樁后方土體發生沉陷。模型開挖至坑底時的水平變形云圖如圖4所示。分析結果表明，錨碇鋼板樁在基坑開挖過程中能夠通過錨拉鋼筋對圍護鋼板樁的頂部變形起到有效約束作用。

圖4 開挖至坑底水平變形云圖

接下來，分別選取6、9、12 m三種標準長度的錨碇鋼板樁，進一步分析不同錨碇樁長的錨拉鋼板樁支護整體受力性狀，并提取開挖至坑底時圍護樁和錨碇樁的變形曲線進行比較，匯總如圖5所示。

圖5 鋼板樁水平變形曲線

從圖5中可見，隨著錨碇樁樁長的增加，圍護樁、錨碇樁的水平變形都表現出逐漸減小的變化規律，且錨碇樁底部的嵌固效果也越來越顯著。此外，由于錨碇樁樁端嵌固土層的不同，土層力學特性的不同也會對錨碇樁及圍護樁的受力變形產生影響。

綜上，為了確保圍護體系的安全和穩定，在實際應用中結合上述分析結果對規范設計進行了一定加強：錨碇鋼板樁樁長加長至9 m，確保樁端嵌固效果，并通過對錨拉鋼筋施加100 kN/m預拉應力的方式，控制圍護鋼板樁和錨碇鋼板樁的初始變形，保證錨拉力的有效提供。加強圍護剖面如圖6所示。

圖6 錨拉鋼板樁加強圍護結構剖面

4.3 方案實施效果

2018年10月16日，錨拉鋼板樁加強支護施工完畢，現場如圖7所示。此時該處累計變形約為84 mm。后續施工中加快了地下室基礎底板的澆筑進度，并按要求加強了對圍護結構的變形監測，典型測斜曲線如圖8所示。

圖7 加固施工現場照片

圖8 樁側土體測斜曲線

從圖8可見，16日以后基坑變形隨著被動區覆土的挖除有所增加，但開挖至坑底，在進行底板澆筑和地下結構施工的過程中逐漸趨于收斂，最后穩定在110 mm左右，直至基坑施工完成沒有再出現險情。從現場情況來看，錨拉鋼板樁加強支護取得了良好的加固效果。

5 結語

本文結合背景工程對錨拉鋼板樁在軟土地區基坑工程中的應用進行了一些探討，主要得出以下結論：

1）對于采用鋼板樁等柔性錨碇結構的錨拉鋼板樁支護體系，由于其剛度弱化較大，通過規范設計計算方法確定的各項技術參數，需結合合理的模擬仿真分析進行修正完善，方能保證其在實際應用中的安全性、穩定性和可靠性。

2）柔性錨碇結構在基坑開挖過程中能夠通過錨拉鋼筋對圍護結構的頂部變形起到有效約束作用，其受力和變形與圍護結構具有關聯性，并且直接影響錨拉鋼筋的張拉和收縮，分析計算時應考慮到二者的變形協調。

3）隨著柔性錨碇結構樁長的增加，圍護樁、錨碇樁的水平變形都表現出逐漸減小的變化規律，錨碇樁底部的嵌固效果也越來越顯著，錨碇樁樁端嵌固土層的力學特性會對錨碇樁及圍護樁的受力變形產生一定的影響。

在錨拉鋼板樁受力機理和變形性狀、柔性錨碇樁簡化設計方法以及在不同土層中的適用性等方面，還有待于進一步研究，希望隨著實踐積累和理論分析的不斷深入，能為錨拉鋼板樁支護在地下工程領域的推廣應用提供助力。