鋼板樁支護施工技術(shù)在市政道路施工中的應(yīng)用

徐雙

（浙江滄海建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

路面開裂、隆起、塌陷等質(zhì)量問題嚴重影響著市政道路工程的施工質(zhì)量及安全性。藍宏[1]以拉森鋼板樁支護技術(shù)作為研究對象，強調(diào)該支護結(jié)構(gòu)適用于軟土地基，并與灌注樁等工藝方案比較分析，為市政基坑支護施工提供重要借鑒。鐘遠享等[2]研究了軟土地基沉降量的計算方法，在原有室內(nèi)單向壓縮試驗的基礎(chǔ)上建立三維模型。本文以前人研究所得出結(jié)論為基礎(chǔ)，圍繞市政道路施工中鋼板樁支護技術(shù)的具體應(yīng)用展開討論，以供參考。

2 某市政道路施工問題

2.1 工程概況

以某市政道路工程為例，其中一個標段的主要施工任務(wù)為城市新區(qū)快速路建設(shè)，該市政道路全長5.8 km，規(guī)劃紅線60～100 m。工程建設(shè)區(qū)域場地屬長江三級階地地貌，地勢總體平坦、多為湖泊與湖積平原，局部略有起伏，呈剝蝕堆積地貌，巖土層自上而下依次為雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、含碎石黏土、強風化泥灰?guī)r及灰?guī)r、黏土巖夾灰?guī)r，各地層地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 工程建設(shè)區(qū)域各地層地質(zhì)參數(shù)

2.2 市政道路施工面臨問題

該項目在針對K1+255～K1+300 段開展現(xiàn)場勘察時發(fā)現(xiàn)，該施工區(qū)域原為湖灣沉積相，湖泊底部淤泥質(zhì)軟土層厚5～7 m。受市政道路規(guī)劃開發(fā)影響，在場地范圍內(nèi)填入2 m 厚雜填土，采用水泥攪拌樁施工方案完成場地處理。但受外部因素影響，在項目施工過程中停工2～3 個月，加之連續(xù)多日降水后，在該路段沿輔道中線走向處發(fā)現(xiàn)路基隆起現(xiàn)象，路基基底產(chǎn)生塑性變形，且現(xiàn)場布設(shè)的水泥攪拌樁出現(xiàn)傾斜、斷裂等問題。經(jīng)施工團隊現(xiàn)場勘察與調(diào)研，判斷造成路基隆起、變形的原因如下。

1）在施工路段停工期間，周圍房建工程開始動工，將基坑開挖土方清運至鄰近施工道路紅線側(cè)，高約6.5 m 的棄土堆對市政道路下伏軟弱土層產(chǎn)生擠壓力。

2）原水泥攪拌樁施工擾動軟弱土層，且攪拌樁強度不足以抵抗棄土堆擠壓作用下形成的側(cè)向位移。

3）在停工期間遇連續(xù)多日降雨，因雨水下滲使土體自重大于原軟弱土層承載力，影響市政道路建設(shè)質(zhì)量。

3 軟基處理施工方案及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟基處理方案

基于現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果可知，施工區(qū)域地質(zhì)條件不利于深基坑開挖作業(yè)，在路基范圍內(nèi)原水泥攪拌樁未達到設(shè)計強度，改用抗滑灌注樁等施工方案工程造價較高。在現(xiàn)場勘察過程中發(fā)現(xiàn)，鄰近施工道路挖出土方頂部存在寬10～30 cm 裂縫，沿路基隆起邊界開挖時可見軟土層滑移現(xiàn)象，在市政道路左幅水泥攪拌樁施工邊緣的斷面存在3 個滑弧剪出點，由此確定圓弧滑動面分布位置。經(jīng)施工團隊組織論證，最終確定采用鋼板樁支護施工方案，以道路紅線為分界線將滑動面劃分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)兩個區(qū)域，將鋼板樁沿分界線穿過圓弧滑動面、嵌入淤泥層下方一定深度處，充當臨時支護結(jié)構(gòu)，待水泥攪拌樁強度形成、鄰近道路紅線棄土堆移除后，即可將鋼板樁拆除，并支持回收后循環(huán)利用。

3.2 鋼板樁支護施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 鋼板樁選型

根據(jù)道路施工區(qū)域水文地質(zhì)條件，將棄土堆視為均布荷載，主動土壓力、被動土壓力與水壓力的調(diào)整系數(shù)均取值為1.0。結(jié)合各地層地質(zhì)參數(shù)計算鋼板樁嵌入各地層的深度（見表2），分別獲取不同嵌入深度下鋼板樁承受土體壓力的分布特征，例如，在路面處鋼板樁承受的主動土壓力6.78 kPa、被動土壓力為0 kPa，在深18 m 處鋼板樁承受的主動土壓力190.3 kPa、被動土壓力為752.98 kPa。經(jīng)抗傾覆力矩、抗隆起量及安全系數(shù)驗算，確認鋼板樁在道路紅線處打入土層的深度≥13.9 m，打入棄土堆部分外露高度≥4.1 m，打入粉質(zhì)黏土層深度≥6.7 m，由此在鋼板樁選型環(huán)節(jié)，選用拉森Ⅳ-400 mm×125 mm 型鋼板樁，鋼板樁長度包含18 m 與24 m 兩類。

表2 鋼板樁嵌入地層深度計算結(jié)果

在鋼板樁施工前，協(xié)調(diào)房建項目負責人停止堆放棄土，對鄰近道路紅線3 m 范圍內(nèi)棄土執(zhí)行現(xiàn)場清理作業(yè)，將路基整平至設(shè)計高程，再將路基隆起部位挖除，并避讓原道路路基隆起部位斷裂、傾斜的水泥攪拌樁，以一定間距選擇臨近點位重新施打。

3.2.2 安裝導向架

選用工字鋼與高強螺栓以焊接形式連接，與兩側(cè)圍檁槽鋼配合組成鋼板樁支護結(jié)構(gòu)，利用可調(diào)旋轉(zhuǎn)基座將鋼板樁橫向支撐結(jié)構(gòu)定金，并調(diào)節(jié)支撐層次及標高。在安裝導向架環(huán)節(jié)，采用導梁、圍檁組成單層雙向?qū)蚣荏w結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場施工人員利用經(jīng)緯儀、水準儀測放出架體安裝位置，確認導向架安裝高度與垂直度，并嚴格控制導向架與鋼板樁的間距，為鋼板樁施打提供良好條件。

3.2.3 施打鋼板樁

待完成前期施工準備與現(xiàn)場踏勘后，控制履帶吊進入施工區(qū)域停留在道路右幅路面處，逐根查驗鋼板樁外觀質(zhì)量，確認無銹蝕或變形問題，在鎖扣內(nèi)涂抹適量潤滑油脂。在正式施打鋼板樁環(huán)節(jié)，控制振動錘勻速下降，將鋼板樁逐漸下放至夾扣處，啟動液壓設(shè)備將鋼板樁夾緊；隨后控制振動錘勻速上升，使鋼板樁恰好位于打樁點上方，對準鎖扣后釋放振動錘，利用錘擊與鋼板樁自重將樁體打入土層下方指定深度處，捶打30 s，樁體距設(shè)計高度約30～40 cm 時停止振動，借助振動錘的慣性作用將鋼板樁壓入堅實土層，使鎖扣實現(xiàn)順利咬合。在施打鋼板樁過程中，施工人員需密切觀察樁體垂直度，將樁體軸線偏差、樁頂標高偏差均控制在±10 cm 以內(nèi)，當測得樁體傾斜度大于2%時，需將其拔起并重新施打。待將鋼板樁打入土層后，松開液壓夾扣使錘體恢復指定高度，及時開展鋼板樁閉水試驗，對滲漏點采取修堵措施，并準備施打第二根樁。

3.2.4 鋼板樁拔除

待完成基坑回填后，由施工人員逐樁測量鋼板樁打入深度，判斷拔樁難易度，采用振動錘拔樁法將鋼板樁拔除，并在拔樁過程中避讓地下管線與水泥攪拌樁，對拔樁后產(chǎn)生的土孔采取分層灌水搗實法。此外，現(xiàn)場施工人員需在基坑兩側(cè)設(shè)置截水明溝、坑內(nèi)布設(shè)臨時排水溝，并落實支護結(jié)構(gòu)位移量、基坑沉降量監(jiān)測，保證基坑支護質(zhì)量。

4 施工效果檢驗與評價

4.1 建立計算模型

4.1.1 軟基固結(jié)沉降變形模型

由于軟基的沉降主要包含固結(jié)沉降變形、塑性變形等，因此，引入比奧固結(jié)理論建立二維固結(jié)控制方程。在軟弱地基沉降、固結(jié)狀態(tài)下建立平衡微分方程：

式中，γ 為土體重度，g/cm3；μ 為孔隙水壓力，Pa；G 為土體剪切模量，Pa；υ 為泊松比；i 和j 分別為小應(yīng)變下，幾何方程中x向、y 向的位移分量，mm。

利用上述方程式可求解出i、j 兩個未知量，還需引入連續(xù)方程求解未知量μ，基于達西定律，將飽和土中水的滲流速度設(shè)為q，單位m/d；滲透系數(shù)張量（kx，ky）為k，單位cm/s[3]。當單位飽和土體內(nèi)水的體積發(fā)生變化，其變化量等同于水從單位飽和土體邊界流入/ 流出時的體積，已知飽和土應(yīng)變?yōu)棣纽裕焕绽顾阕訛棣?；流體流動時間為t，單位s，則軟基市政道路的比奧固結(jié)連續(xù)方程滿足以下條件：

4.1.2 土體塑性變形控制模型

基于德魯克-普拉格準則與非關(guān)聯(lián)流動法則，用應(yīng)力不變量i1、j2表示土體彈塑性變形的屈服條件，將描述土體內(nèi)摩擦角的常數(shù)記為αφ；土體黏聚力常數(shù)記為kc；土體發(fā)生塑性變形的載荷為f，單位Pa。建立以下方程判斷土體是否發(fā)生塑性變形、屬于軟弱土體：

4.2 有限元分析與現(xiàn)場測試結(jié)果

采用有限元法建立斷面施工區(qū)域模型，對模型施加重力荷載與水壓力完成靜態(tài)應(yīng)力求解，將鋼板樁設(shè)為固體單元，彈性模量為2×105MPa，泊松比取值為0.2，鋼板樁支護結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)為8.8×105kN/m，獲取沉降觀測期間模型滲透系數(shù)計算結(jié)果（見表3）。從中可發(fā)現(xiàn)，鋼板樁支護結(jié)構(gòu)在30 d 內(nèi)應(yīng)力變化處于穩(wěn)定狀態(tài)，周圍土層已基本結(jié)束變形，僅在1.5 m 高程處的水平位移出現(xiàn)輕微回彈現(xiàn)象，累計位移量13.4 mm，遠小于臨界值50 mm，符合軟基形變控制要求。

表3 模型滲透系數(shù)計算結(jié)果

表3 中，kx是x 方向的滲透系數(shù)；ky是y 方向的滲透系數(shù)。

5 結(jié)語

采用鋼板樁臨時支護施工技術(shù)可有效抵抗軟土路基施工過程中鄰近棄土堆對施工部位產(chǎn)生的擠壓變形作用，為水泥攪拌樁的重新施打提供良好施工條件，防范樁體再次出現(xiàn)斷裂、傾斜等問題。測試結(jié)果顯示，經(jīng)鋼板樁支護后，復合地基承載力突破100 kPa，后期監(jiān)測結(jié)果表明路基沉降量、軟基形變量均控制在允許范圍內(nèi)，證明鋼板裝支護作業(yè)順利解決了軟基處理問題。未來還需持續(xù)研究關(guān)于市政道路軟基處理工藝、置換填土成分的優(yōu)化設(shè)計方案，嘗試引入高強度塑鋼材料提高現(xiàn)有支護結(jié)構(gòu)強度與路基承載力，為后續(xù)同類復雜路況下施工方案編制提供示范經(jīng)驗。