小型圓形鋼板樁圍堰在淺基坑中的應用

摘 要：淺水河流中的基坑施工采用筑島圍堰方案是一種安全、高效、經濟的施工方案，但該方案無法適用于富含砂層等透水性強的地質情況。在富含砂層的河流中，基坑施工的圍堰方案有很多種，其中鋼板樁圍堰施工速度快，成本低，具有良好的適用性。與矩形圍堰相比，小型基坑采用圓形鋼板樁圍堰具有顯著的優勢。本文結合工程實例，將小型圓形鋼板樁圍堰應用于淺水河流中的鑿除樁頭及立柱施工，重點介紹其設計、適用條件、受力分析、施工技術要點以及現場監測與理論數據對比分析，可以為類似工程提供參考。

關鍵詞：淺基坑；圓形鋼板樁圍堰；圍堰設計；受力分析

中圖分類號：TV 55" " 文獻標志碼：A

1 工程概況

湛江市遂溪大道工程項目河涌2號中橋跨越源水河，該橋為3m×20m預應力混凝土簡支小箱梁橋，其1號橋墩落在西溪河支流源水河中，下部結構采用柱式墩，柱徑為130cm，柱高為3.5m～4.7m，樁基采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑為150cm，樁長為50m，共13根。下部結構及基礎為一柱一樁的形式，樁與樁之間無系梁連接。1號墩樁頂高程均為3.500m，河床底高程為3.800m，按百年一遇的將水位設計為7.680m，施工時實測最高水位為5.260m。

橋址區屬于沖海積濱海平原-沖洪積平原地貌。根據本工程的地質勘察報告，橋址區地質相對穩定，巖土層分布較規律，揭露的河床底淺層地層主要為第四系全新統沖積層，含粉細砂、淤泥粉質黏土、粉質黏土以及第四系下更新統湛江組海陸交互沉積層，含粉細砂、黏土，其中粉細砂層位強透水層，層厚31.5m～32.8m。

2 小型圓形鋼板樁圍堰設計

在橋梁樁基礎施工完成后，清理河道中填土施工平臺，待樁基檢測合格后進入鑿除樁頭以及立柱施工階段。該道工序需要創造一個干處作業的工作面，而圍堰施工是一種比較常用的創造干處作業面的方式。

淺基坑筑島圍堰雖然是最簡捷且經濟性最好的方案，但根據本工程地質勘察揭露，河床底表層土為粉細砂層，透水性強，采用筑島圍堰無法將基坑內的給水排除，無法創造出干處作業面，因此直接排除該圍堰方案。而鋼板樁圍堰能夠達到較明顯的阻水效果，且安全高效、經濟實用，通過本工程技術人員研究討論，決定采用鋼板樁圍堰。本工程基坑處于淺水中，且基坑尺寸較小，因此最終確定采用小型圓形鋼板樁圍堰進行基坑施工，圍堰設計如圖1所示。

本工程小型圓形鋼板樁圍堰直徑為4.074m，鋼板樁長為12m，其中入土深度為10.04m，內部未設置圍檁及內支撐。鋼板樁采用FSP拉森Ⅳ型，其截面長度為400mm，寬度為170mm，腹板厚度為15.5mm[1]。

3 小型圓形鋼板樁適用性分析

鋼板樁圍堰施工便捷、可周轉次數多、使用成本較低，工程中使用十分廣泛。與矩形圍堰相比，圓形圍堰可將平面外大部分彎矩轉化為平面內軸力，內部沒有密集的內支撐，極大地減少了施工干擾。因此對方形或圓形承臺來說，采用圓形鋼板樁圍堰進行施工更加合適。鋼板樁圍堰具備良好的止水效果，對黏性土、砂土具有良好的適用性，但具有基巖的地基一般極少采用這種方式。小型圓形鋼板樁圍堰可不設置圍檁，施工更加簡便、快捷，適用于需要降水的淺基坑，例如一柱一樁橋梁下構、給排水檢查井施工等，尤其是砂土地層，該圍堰具有明顯的優勢[2]。

4 有限元仿真計算分析鋼板樁剛度及強度

4.1 鋼板樁參數

FSP拉森Ⅳ型鋼板樁采用的是Q345鋼，單根鋼板樁的截面面積為96.99cm2，理論質量為76.1kg/m，慣性矩為4670cm4，截面模量為362cm3。抗彎強度設計值為305N/mm2，抗剪強度設計值為175N/mm2。

4.2 地質情況

根據地質勘察報告揭露：地質自上而下依次為4.84m粉細砂、2.2m淤泥質粉質黏土、4.6m粉細砂。各層土的容重、黏聚力、內摩擦角以及地基承載力特征值等相關參數如圖1所示。

4.3 荷載計算

在鋼板樁打入土中后，回填黏性土夯實，封底混凝土。因此需要分兩種荷載工況對鋼板樁圍堰進行計算分析。荷載工況1為基坑開挖后，荷載工況2為回填黏性土并夯實，并抽排圍堰內水。如圖2、圖3所示。

荷載工況中水壓力的計算過程如公式（1）所示。

p0=γwhw " "（1）

式中：γw為水的容重，可取10kN/m3；hw為水的深度。

根據朗肯土壓力理論確定圍堰外部主動土壓力，其中砂性土按水土分算計算，黏性土按水土合算計算，計算過程如公式（2）～公式（4）所示。

ka=tan2（45°-φ/2） （2）

水土分算：pa=kaγh+γwhw （3）

水土合算： （4）

式中：ka為主動土壓力系數；φ為內摩擦角；c為黏聚力；γ為土的干容重；γsat為土的飽和容重。

圍堰內部被動土壓力采用節點彈性支撐模擬土彈簧，采用m法計算土彈簧的剛度K，計算過程如公式（5）、公式（6）所示。

K=b0hmz （5）

（6）

式中：b0為計算寬度，取板單元寬度0.2m；h為土層厚度；m為土的水平地基抗力系數；vb為鋼板樁在坑底處的水平位移量，取0.01m。

土彈簧的剛度K的計算值見表1和表2。

4.4 模型建立及強度、剛度驗算

利用MIDAS CIVIL計算軟件進行模擬分析，建立鋼板樁圍堰空間模型，采用板單元，共建立2880個板單元[3]。根據MIDAS CIVIL計算軟件建立小型圓形鋼板樁圍堰空間模型，對兩種荷載工況進行計算分析，計算分析結果如下。

對兩種荷載工況的計算分析，計算結果如圖4～圖6所示。從計算結果可以得出，荷載工況2下鋼板樁頂部的位移達到最大值，最大水平位移δmax為5.3mm，允許值[δ]為47.2mm，δmax＜[δ]，則鋼板樁的剛度滿足要求。

在荷載工況1作用下，鋼板樁底部的正應力和剪切應力達到最大，最大正應力σmax為73.26MPa，小于其抗彎強度設計值305MPa；最大剪切應力τmax為38.99MPa，小于其抗剪強度設計值175MPa，因此鋼板樁的強度滿足要求。

5 鋼板樁穩定性分析

用公式計算鋼板樁參數、地質情況以及圍堰外部水壓力和主動土壓力，根據朗肯土壓力理論確定圍堰內被動土壓力，其中，按水土分算計算砂性土，按水土合算計算黏性土，計算過程如公式（7）～公式（9）所示。穩定性驗算荷載工況如圖7和圖8所示。

kp=tan2（45°+φ/2） （7）

水土分算：pp=kpγh+γwhw （8）

水土合算： （9）

式中：kp為被動土壓力系數。

鋼板樁的穩定性的計算過程如公式（10）所示。

Ks=Mp/Ma （10）

式中：Ks為抗傾覆安全系數，本工程取1.15；Mp為圍堰內部壓力對樁底的抗傾覆力矩；Ma為圍堰外部壓力對樁底的傾覆力矩。

通過計算分析，在兩種荷載工況下，抗傾覆安全系數Ks分別為1.36和2.69，從計算結果可以看出，抗傾覆安全系數最小值為1.36，大于其允許值1.15，基坑的穩定性滿足規范要求。

6 施工工藝

與矩形圍堰相比，圓形鋼板樁圍堰施工難點在于鋼板樁定位，若鋼板樁定位無法做好，則鋼板樁圍堰平面最終可能變成其他異形平面，其受力會更復雜。本工程采取的定位方式：首先，由測量人員在樁基上放出圍堰的圓心，在該圓心上立一根鋼管，在鋼管上套一個圓環，圓環上系一根繩作為定位繩。其次，在上游位置打設第一根鋼板樁，并將其作為基準鋼板樁，鋼板樁的中心至圓心連接一根基準繩。再次，在偏離基準鋼板樁45°、135°、225°、315°的位置打設4根導向鋼板樁，以便在打設過程中及時糾偏。最后，采用單獨打入法依次左右交替，由上游向下游打入鋼板樁直至合攏[4]。鋼板樁定位和鋼板樁監測布點如圖9所示。

鋼板樁采用吊機帶振錘施打。在打樁前，對鋼板樁進行逐根檢查，剔除連接鎖口銹蝕、變形嚴重的鋼板樁，并在鎖口內涂抹油脂，以便打入或拔出。鋼板樁采用單獨打入法，即由上游向下游逐根打入，在導向鋼板樁處進行糾偏以縮小累計誤差。拔樁采用振動錘拔樁，利用振動錘產生的強迫振動，擾動土質，破壞板樁周圍土的黏聚力以克服拔樁阻力，用附加起吊力的作用將樁拔除。

7 圍堰頂部水平位移監測

為保障基坑的安全性，在鋼板樁圍堰施工過程中監測堰頂的水平位移。在圓形圍堰上設置8個監測點，對圍堰頂位移進行定時監測，監測點布置如圖10所示。在鋼板樁打入完成后開始監測，立柱施工完成結束。

監測儀器采用衛星定位系統（GPS儀），在鋼板樁打入后測得各監測點的初始數值。監測節點包括基坑開挖后、素土封底后、抽排基坑內水后以及立柱施工完成后。基坑開挖、素土封底和抽排基坑內水的施工時間較短，因此在基坑開挖前后、素土封底前后、抽排水前后各觀測1次，抽排基坑內水后每天觀測3次，直至立柱施工完成。各節點監測結果見表3。

從觀測結果可知，圍堰頂水平位移實測值因施工誤差、施工干擾以及理論假定等原因稍大于理論值，但均在允許值范圍內，鋼板樁圍堰始終處于可控狀態。

8 結語

小型圓形鋼板樁圍堰可不設置圍檁及內支撐，這樣可以減少基坑內施工干擾，方便施工，縮短施工周期，鋼板樁可周轉次數多，節約施工成本。從圍堰理論分析與監測結果來看，小型圓形鋼板樁圍堰安全可靠，對給排水檢查井等淺基坑施工具有良好的適用性。

參考文獻

[1]殷國棟，劉偉，劉開之，等.大型圓形鋼板樁圍堰施工監控[J].公路，2014（3）：80-83.

[2]李光鑫.海中灘涂區圓形鋼板樁圍堰的支護與打拔[J].石家莊鐵道學院學報，2005（18）：40-42.

[3]陳進楷.海中圓形無內支撐鋼板樁圍堰施工急速[J].公路，2021（2）：109-113.

[4]羅建華，唐嫻.深水基礎鋼板樁圍堰三維仿真驗算分析[J].科技導報，2011（12）：62-66.