皖南地區特大橋承臺深基坑鋼板樁圍堰施工技術分析

劉愛曦，項鵬 （安徽建工路港建設集團有限公司，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著城市化進程的不斷推進，深基坑工程已經屢見不鮮。深大基坑工程對施工技術以及基坑支護結構設計和應用的要求也越來越高。通過合理的結構設計，結合工程實踐經驗，選擇恰當的支護結構，既能確保基坑安全施工，又可以有效節約工期、成本。帶有鎖口的拉森鋼板樁因其擁有良好的支護性能，被廣泛應用于基坑支護工程及圍堰工程中。

2 工程概況

皖南地區特大橋位于宣城市硤石山物流園碼頭下游約300m處，主橋墩承臺基坑開挖超過5m，屬于超過一定規模的危大工程，安全等級二級。為了確保基坑施工安全，擬采用15m 長拉森鋼板樁搭配型鋼圍檁和鋼管內支撐作為主橋墩基坑支護結構。14號墩（15號墩）基坑長寬高尺寸為29.8m×15.8m×8.8（9.0）m，過渡墩承臺13#（16#）基坑長寬高尺寸為23.8m×10.7m×5.88（3.28）m。

皖南地區地屬中亞熱帶北緣氣候，四季分明，氣候較為溫和，雨量偏多，年平均氣溫約16℃，最高月平均氣溫27℃，最低月平均氣溫3℃，多年平均降雨量1317mm，多年平均蒸發量為1055mm。

地質情況主要為素填土、粉質黏土、淤泥質土。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

鑒于開挖較深且坑壁、坑底滲水量大，下部結構施工時需加強鋼板樁圍堰支護，并對基坑底采用混凝土水下封底。

表1 FSP-Ⅳ型拉森鋼板樁技術參數

采用長臂挖掘機開挖至第一道內支撐下50cm 處（標高8.5m），安裝第一道內支撐。長臂挖掘機繼續開挖至下一道內支撐以下50cm，再安裝內支撐。長臂挖掘機繼續開挖至水位標高，后采用吸泥設備輔助進行水下基坑開挖，吸泥開挖至封底混凝土底面（標高1.0m），澆筑水下封底混凝土，達到相應強度后，進行抽水至封底混凝土頂面，將封底混凝土上部浮漿清除干凈后，施工承臺部位。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

該處大橋鋼圍堰工程擬投入3 套主橋墩承臺的鋼圍堰，不考慮周轉。

3.2 操作要點

3.2.1 圍堰設計及鋼板樁的選用

本工程鋼板樁圍堰平面尺寸為10.70m×23.80m，綜合考慮地質條件、鋼板樁的特性及施工工藝，采用單根鋼板樁長為9m、單位重76.1kg/m 的拉森4 型400mm×170mm 鋼板樁，圍堰的內支撐使用HW350·350·8·14 型鋼、Φ 426×8mm 管樁，并利用單位重114.15kg/m 的特制角樁支撐圍堰四周，插打時鋼板樁上頂標高為11.0m。

3.2.2 導架的安裝

通過設置具有足夠剛度的導架，導架與冠梁聯合作用，從而精準控制鋼板樁打入深度，確保沉樁過程鋼板樁的軸線位置準確和樁身順直，控制鋼板樁在沉入過程不產生屈曲變形，進而提高其貫入能力。

3.2.3 板樁施打

①鋼板樁施打前首先應探明施工區域周邊的地下管線及毗鄰的建（構）筑物的準確位置、埋設深度、目前運行情況等，并征得相應的權屬及使用單位同意后，再準確放出支護樁位置中線等。拉森鋼板樁采用帶振動錘吊機施打。

②鋼板樁施打前應逐根仔細檢查鋼板樁外觀質量是否完好，抽檢力學性能是否合格等，并清除連接鎖口銹蝕、油污、雜質等，不使用變形嚴重或破損嚴重的板樁，不得使用不合格鋼板樁，修整合格后才可使用。

③打樁前，在板樁的鎖口內涂減摩材料，如油脂等潤滑止水材料，降低摩阻力，以方便板樁的打入和拔出。

④測量人員在插打過程中實時監控測量每塊鋼板樁的斜度，確保每一塊樁的傾斜度小于2%。當偏斜角度＞2%，且不能使用拉齊等方法校正順直時，應拔出干板，重新施打。

⑤圍堰施工使用屏風法施打鋼板樁。將40 根鋼板樁呈屏風狀對稱間隔成排插入導架內，施打應對稱同時進行。屏風墻兩端的板樁施打至設計深度后，采用焊接方式與圍檁連接，中間位置按順序分板樁一半的高度分別施打。屏風法施打精度高且封閉合攏容易，同時鋼板樁不易彎曲變形、傾斜扭轉。

施打順序作為板樁施工工藝的關鍵環節之一，有正向、逆向、往復、中分、中和、復合等多種順序。施打順序直接影響了板樁垂直度、位移、軸線方向的伸縮、板樁墻的凹凸及打樁效率。當屏風墻兩端已打設的板樁呈逆向傾斜時，應采用正向順序施打。反之，采用逆向。當屏風墻兩端板樁保持垂直狀況時，可采用往復順序施打。當板樁墻長度很長時，可用復合順序施打。

板樁打設的公差標準如表2所示。

表2 鋼板樁指標要求

⑥板樁之間密扣，且開挖后樁入土≥2.0m，需重點關注圍堰的四個角，設置轉角板樁確保板樁連接緊密。

⑦板樁打入至設計深度時，對圍護樁應開展閉水試驗，檢查圍堰的密封性，對檢查中發現的漏水位置進行補漏，針對補漏位置需重點關注并由專人定期巡檢。

3.2.4 內支撐的安裝及拆除

為防土壓力、水壓力過大影響基坑穩定，基坑土方開挖過程中須同時安裝內支撐，內支撐包括冠梁和腰梁、對撐和角撐、橫梁和支柱等。

各個部位的內支撐設置不僅要考慮結構受力，還應確保板樁設置不能影響基坑內部的工序施工。內支撐的設置按照“自上而下、先撐后挖、隨挖隨撐”原則。無縫鋼管對撐安裝與H 型鋼圍檁正交且緊密連接，及時安裝隅撐，此外在對撐與鋼圍檁相交處設置20mm 厚鋼端板。

無縫鋼管對撐拆除應對稱進行，避免內支撐的預加應力瞬間釋放，導致圍堰局部受力過大引起變形、開裂。焊縫質量是鋼管對撐、H 型鋼圍檁等鋼構件加工的重點環節，板狀施打前應逐根進行詳細的焊縫檢查。

3.2.5 板樁的拔出

圍堰板樁的拔出過程容易引起周邊土體及地表沉降和位移，不當的振動施工會影響臨近建筑物、管線的安全，危害地下結構施工。此外，板樁拔出后盡可能不損壞，以實現重復利用的目的。拔樁的方法、順序及拔出時間、土孔處理措施也應引起重視。

板樁拔出采用振動錘，通過強力振動，強行擾動板樁周邊地質土層，使板樁與周邊土層產生間隙，降低兩者之間的粘聚力，再通過起吊力作用將板樁強力拔出。

4 結構驗算分析

4.1 設計安全等級

拉森鋼板樁長度9.00m，基坑深度5.63m，嵌固深度3.37m。基坑采用二級基坑的安全系數驗算，結構重要性系數為1.0。

4.2 內支撐剛度及材料抗力計算

內支撐體系中，圓管內支撐采用φ 426×8鋼管樁，Q235鋼材。圍檁和斜撐型號為HW350×350×8×14，Q235 鋼材。圓管內支撐支點剛度系數為：

圓管內支撐材料抗力為：

式中，ε為工程形式有關的調整系數,通常取1；φ為長細比有關調整系數，通常取0.9。

4.3 結構變形計算

工況一為插入鋼板樁；工況二為開挖至高程-1.5m，在-1.0m 處安裝內支撐；工況三為開挖至坑底高程-5.63m。

根據軟件分析結果，各工況下鋼管樁變形結果輸出為工況一無變形、工況二如圖2所示、工況三如圖3所示。

圖2 工況二鋼管樁結構變形

圖3 工況三鋼管樁結構變形

根據輸出結果，鋼管樁最大水平變形發生在工況三，最大變形6.2mm。根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）3.1.8 條文說明，鋼板樁支護結構最大水平位移限制取0.01h=56.30mm，滿足要求。

4.4 結構應力計算

4.4.1 截面強度分析

鋼管內撐所受最大軸力發生在工況三，最大軸力為69kN，單元計算軸力為97kN，取最大值計算。對應豎向最大彎矩為12.96kN·m，水平彎矩為11.16kN·m。根據輸出結果，H 型鋼斜撐所受最大軸力發生在工況三，最大軸力為66.37kN，對應豎向最大彎矩為7.93N·m，水平彎矩為12.74kN·m。根據輸出結果，H 型鋼圍檁所受最大軸力發生在工況三，最大軸力為57.26kN，對應豎向最大彎矩為4.39kN·m，水平彎矩為54.58kN·m。

鋼管內撐擬采用Q235 鋼材，抗壓、抗彎強度設計值為215MPa。

H 型鋼斜撐采用Q235 鋼材，抗壓、抗彎強度設計值為215MPa。

根據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）圓形截面壓彎構件截面強度計算公式為：

式中，N為鋼管內撐所受軸力（N）；Mx、My分別為同一截面處對x 軸和y 軸的彎矩設計值（N·mm）；An為凈截面面積（mm）；Wn為圓管凈截面模量（mm3）；rm為截面塑性發展系數，取1.0。

計算得出，鋼管內撐截面強度25MPa＜215MPa，滿足要求。斜撐H型鋼繞X 軸最不利位置截面強度大小為10MPa＜215MPa，繞Y 軸最不利位置截面強度大小為23MPa＜215MPa，滿足要求。圍檁H 型鋼截面強度大小為28MPa＜215MPa。

4.4.2 穩定性分析

根據《鋼結構設計規范》（GB 50017-2017）圓形截面壓彎構件穩定性計算公式為：

式中，N為鋼管內撐所受軸力（N）；Mx、My分別為同一截面處對x 軸和y 軸的彎矩設計值（N·mm）；W為圓管凈截面模量（mm3）；φ為軸心受壓構件穩定系數，圓管內撐取0.592，H 型鋼斜撐取0.864。

計算得出，鋼管內撐穩定性32MPa/215MPa=0.15＜1，滿足要求。

計算得出，斜撐H 型鋼繞X 軸最不利位置穩定應力大小為11MPa/215MPa=0.05＜1，繞Y 軸最不利位置穩定應力大小為24MPa/215MPa=0.11＜1，滿足要求。

計算得出，H 型鋼圍檁穩定性28MPa/345MPa=0.13＜1，滿足要求。

5 基坑封底混凝土驗算

封底混凝土需保證基坑外高水位時，基坑底部水壓力不超過上覆壓重，安全系數按地基基礎設計規范，取1.05，封底厚度取1.5m。

H=23.5×1.5/（1.05×10）=3.35m。

水頭H1=3.35+2.20=5.55m＞5.30m，滿足最低通航水位要求。當水位超過5.55m時，基坑未回填處理時，需采用回灌水等措施，保證基坑穩定。

6 監測監控措施

為保證圍堰的安全性，鋼板樁插打結束、承臺基坑開挖前應在承臺四周布置沉降位移監測點，用來監測基坑開挖及承臺施工過程中鋼板樁圍堰及其周邊土體變形情況。

承臺沿鋼板樁輪廓線外1m 處、環向間距5m 布置監測點，監測點采用素混凝土基礎，基礎深度不小于50cm。監測標志采用測量專用的GPS 測釘，測點安裝在低于地面10cm 位置，避免施工期間測釘變形或位移，影響監測數據精度。

測量儀器采用全站儀，施工期間測量人員應按時進行監測點沉降位移監測，并記錄每次的監測數據，若監測數據達到預警值，應立即通知基坑內施工人員停止施工并撤離基坑，巡查位移沉降原因并采取有效措施，直至沉降位移速率小于限值并趨于穩定后，才能開始施工。

基坑開挖全過程2 次/天。早上8：00-10：00；下午18：00-20：00。

墊層澆筑至混凝土上升至一定強度2 次/天。早上8：00-10：00，下午18：00-20：00。

后續施工1次/天。10：00-14：00。

承臺基坑回填完成后，停止監測。

承臺開挖過程應加強監測頻數，根據沉降位移速率控制分層開挖深度，基坑分層開挖按1m 控制，若沉降位移變化大，根據工程實際及監測數據調節開挖深度。

7 結語

本文針對皖南地區特殊地質環境下深基坑鋼板樁圍堰支護施工難度高、精度無法保證等問題，通過精確計算和數值模擬等方法，探究鋼板樁施工對周邊土層的擾動情況，保障施工過程的安全可靠，取得了良好的施工效果。