復雜地質條件下鋼板樁引孔施工技術研究與應用

李宏賓

（中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建廈門）

引言

鋼板樁圍護是深基坑施工中的常用支護方法，但遇到復雜地質條件時，將增加鋼板樁施工難度，例如遇到硬塑地質條件時，難以順暢地將鋼板樁施打到位，存在施工效率低、鋼板樁變形或受損等問題，使得鋼板樁的周轉效率低，深基坑支護效果差。引孔施工是解決復雜地質條件下鋼板樁施工難題的重要技術手段，引孔后方便插打鋼板樁，保證深基坑支護效果。基于此，下文以廈門新機場飛行區B 區專用排水箱涵項目為例重點研究鋼板樁引孔施工技術。

1 項目概況及施工方案確定

本項目為廈門地區機場項目，該工程地質條件以硬塑地質為主，土體壓縮模量為23.0 MPa，地基承載力特征值為280 kPa，土體的硬度高，壓縮性小。根據現場地質條件，提出鋼板樁引孔施工工藝，主要包含“旋挖鉆機鉆孔”和“孔道回填砂及粉質土”兩部分，解決在卵石層及泥巖層插打鋼板樁難度偏大的問題，在順暢插打鋼板樁的同時，回填砂及粉質土進行嵌固，保證鋼板樁的穩定性。引孔的孔徑為1.0 m，孔深為11.5 m，引孔后分兩段回填，其中樁基底以上3 m 回填砂，剩余部分回填粉質干土，施工原理如圖1 所示。

圖1 鋼板樁引孔施工原理

2 鋼板樁引孔施工要點

2.1 鋼板樁引孔施工

2.1.1 設備選型

通過現場樁基鉆孔機械進行鋼板樁引孔施工，配置的是1 臺R285RC10 型旋挖鉆機，由專人規范操作，保證引孔效果[1]。

2.1.2 旋挖鉆機引孔

引孔直徑為1 000 mm，深度為800 mm，布置情況如圖2 所示。旋挖鉆機引孔，埋設鋼護筒，維持孔壁的穩定性，避免塌孔。每結束一處引孔后，隨即采取回填處理措施，確認無誤則進行下一樁孔的引孔作業，以此類推。

圖2 引孔孔位布置（單位：cm）

2.1.3 引孔施工順序

先埋設1、2 號鋼護筒，鉆孔后對兩孔回填，將護筒移至4、5 號孔，埋設3 號鋼護筒并對3 號孔引孔，3～5 個孔位的回填作業均結束后，插打鋼板樁，具體如圖3 所示。根據上述提及的流程有序施工，將承臺周圍引孔和鋼板樁插打作業落實到位。

圖3 引孔順序

2.1.4 引孔灌砂及灌干土

引孔結束后，采用粒徑不大于10 cm 的砂和粉質土進行樁基回填處理。樁基底部3 m 范圍的回填料采用砂，剩余部分的回填料采用粉質干性土，回填深度共計12 m，回填至樁基頂部時結束。

2.1.5 插打鋼板樁

（1） 機具配置。鋼板樁插打采用的是50 t 吊車和功率為90 kW 的90 t 振動錘。

（2） 鋼板樁圍堰體系。圍堰截面尺寸為12.5 m×12.5 m，中間增設兩道圍檁和一道內支撐，用于提升圍堰的穩定性。承臺采用材質為SY295 的12 m 長拉森Ⅳ型鋼板樁，用填充泥夾土的方法筑島，鋼板樁底端深入強風化泥巖，維持穩定。根據支撐體系的類型及側土壓力計算結果構建MIDAS 模型，鋼板樁和土體連接處為彈性連接，底端采用滑動鉸支座，對外側施加主動土壓力。計算結果表明，鋼板樁圍堰的承載性能達標，能夠安全使用[2]。

（3） 定位架。原材料為I36b 工字鋼，搭配適量的板結構，構成定位架，作為插打鋼板樁時的輔助設施，沿著指定的方向將鋼板樁準確插打到位。

2.2 基坑開挖及內支撐

（1） 吊盤的制作。加長臂挖機的運行效率低，成本高，且項目現場及周邊地區缺乏此設備。針對該機械設備配置現狀，采用[12 槽鋼和δ6 mm 鋼板制作土方吊盤，并在施工現場配置小型60 挖掘機和50 t汽車吊，高效地將開挖的土方清運至指定存放場所。

（2） 開挖及內支撐設置。分層依次開挖基坑土方，根據開挖進度隨即設置支撐設施，保證開挖部位的穩定性。承臺挖土深度為6.6 m，土方開挖分兩層進行。第一層開挖完成后，搭設圍檁和內支撐，再進行第二層土方開挖。由于開挖具有一定的破壞性，在開挖以及后續施工中密切監測基坑邊坡，判斷實際位移量和變形量采取控制措施。

2.3 承臺結構施工

承臺基坑開挖結束后，設置第二道圍檁及內支撐，至此則構成完善的內支撐結構體系。按照與普通承臺相同的施工方式進行后續的施工活動，施工全程密切監測基坑變形及位移量，加強安全防控[3]。

2.4 圍檁拆除及鋼板樁拔除

（1） 內支撐的拆除。按照自下而上的順序拆除，時間為水中承臺及相關工序均結束后。

（2） 鋼板樁的拔除。拔樁時間根據現場施工條件而定，需在圍堰內部支撐均拆除后才可拔樁，避免拔樁時夾帶過量的土體以及振動作用過強，否則均可能引起地面下沉現象，破壞地下結構的穩定性。拔出時適當振動，通過振動作用使土和樁身分離，解決拔樁過程中大量夾帶土體的問題。拔樁過程中遇到難以正常拔起的情況時，先暫停拔樁，向下錘擊，借助外力作用松動鋼板樁周邊的土體，再繼續拔樁，若拔出難度仍較大，重復操作多次，最終順暢地拔出鋼板樁。

3 鋼板樁圍堰穩定性驗算及監測模型

3.1 基坑主動土壓力計算

擋土結構的模擬采用彈性支點法，土側壓力計算方法根據鋼板樁圍堰結構受力特點而定，本次研究采用的是朗肯理論。粘性土水土合算，砂性土水土分算。主動土壓力計算公式:

式中：γF為作用基本組合的綜合分項系數，取1.25；γ0為結構重要性系數，取1.1；γ 為土層重度；Z 為土層距離地面深度；c 為土層粘聚力；Ka為主動土壓力系數。土層相關參數如表1 所示。

表1 土層相關參數

3.2 基坑應力與變形

在確定支撐結構形式以及獲得主動土壓力計算結果后，建立MIDAS 整體模型，鋼板樁與土接觸部位為彈性連接，底部采用滑動鉸支座，外側加載主動土壓力。鋼板樁用鋼板替代，材料厚度為16.7 cm，具有等效截面慣性矩，截面距系數為4 648 cm3/m。按照“W 鋼板/W 鋼板樁”的方法進行計算，確定彎曲應力值的換算系數，即4 648/2 270=2.05。

鋼板樁圍堰基坑施工工況為：（1） 開挖至+2 099.5 m 標高，設第一道圍檁；（2） 拼裝已安裝到位的圍檁和內支撐，將兩者組合至一體，繼續開挖至基坑底+2 095.9 m 標高；（3） 拼裝第二層圍檁，繼續開挖至+2 094.9 m 標高；（4） 澆筑承臺砼，回填60 cm，拆除第二道圍檁；（5） 第一節墩身及承臺砼澆筑后，安排回填，拆除剩余的圍檁。

建模計算，判斷構件在各工況時的受力狀態，重點評價受力時的穩定性。結果表明，工況（5）的穩定性優于工況（1），故不考慮。

工況（3）時，鋼板樁的應力達到最大值，高于其它工況，此工況的應力最大位移，如圖4 所示。經計算和對比可知，28.53×2.05=58.49 MPa<[σ]=215 MPa，符合要求。

圖4 工況（3）的應力最大位移

工況（4）時，鋼板樁的變形量達到最大，為5.4 mm，在許可范圍內，因此鋼板樁在各工況時的變形量也均達標。

3.3 桿件彎曲穩定性驗算

穩定性驗算考慮的是斜撐受力最大的工況，以期獲得可靠的驗算結果。在不考慮工況（5）的前提下，各桿件在各工況的受力情況，如表2 所示。

表2 桿件受力狀態

以桿件最大應力數據為基礎，驗算桿件的局部穩定性，結果如表3 所示。

表3 桿件局部穩定性驗算結果

受壓桿件的允許長細比為150，根據表3 數據可知，大斜撐和小斜撐的長細比分別為60.27、21.27，均符合要求，從局部穩定性驗算結果來看，各類桿件均具有穩定性。

3.4 鋼圍堰的開挖基坑監測

在基坑頂部布置4 個監測點，如圖5 所示。

圖5 單個基坑變形監測點

自基坑開挖時進行基坑監測，整個基坑施工過程中連續進行。在不考慮工況（5）的前提下，工況（1）至工況（4）共歷時28 d，整個過程中的監測數據如表4所示。

表4 水平位移監測數據

根據表4 數據可知，各項基坑位移監測數據均在許可范圍內，無異常位移現象，符合要求。

結束語

綜上所述，針對較硬地質條件下常規鋼板樁施工技術應用難度大、效果差的問題，提出先旋挖鉆引孔回填、后插打鋼板樁的施工工藝，本文結合工程實例研究了該工藝的具體要點，并進行檢驗，實踐證明，鋼板樁引孔施工技術的應用效果良好，施工難度降低，具有可行性，對類似工程有參考意義。但由于封水效果不準，引孔后回填材料的選擇仍存在待改進之處，值得相關人員在此方面做進一步的探索，突破施工難點，進一步提高鋼板樁引孔施工技術的應用水平。