從設(shè)計、施工淺談鋼板樁在支護(hù)工程中的應(yīng)用

劉亮亮 2013年

(江蘇順達(dá)工程科技有限公司)

 

摘要：隨著鋼板樁在建筑、市政、鐵路、港口、碼頭等基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用越來越廣,本文作者結(jié)合工程實例從設(shè)計、施工角度闡述了其對鋼板樁在支護(hù)工程中應(yīng)用的一些體會、心得。

 

 

鋼板樁是一種帶鎖口的型鋼板樁，可以利用振動錘或植樁機(jī)將其壓入地下構(gòu)成連續(xù)的板墻，作為基坑施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)。鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)通常由鋼板樁和必要的支撐或拉錨體系組成,以抵抗外側(cè)荷載。因鋼板樁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快等優(yōu)點，近年來在國家基礎(chǔ)建設(shè)、城市建設(shè)的快速發(fā)展下，鋼板樁在基礎(chǔ)工程支護(hù)施工中也得到了廣泛應(yīng)用。

本文結(jié)合我公司近年來鋼板樁支護(hù)工程實例，從設(shè)計、施工角度對鋼板樁在支護(hù)工程中的應(yīng)用談一些體會、心得。

 

1 鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

鋼板樁按生產(chǎn)工藝分為冷彎薄壁鋼板樁和熱軋鋼板樁兩種類型。在工程建設(shè)中，冷彎鋼板樁應(yīng)用范圍較狹窄,大多作為應(yīng)用的材料補充，熱軋鋼板樁一直是工程應(yīng)用的主導(dǎo)產(chǎn)品。目前我國工程中應(yīng)用的熱軋鋼板樁主要還是從日本、盧森堡等國外廠家進(jìn)口鋼板樁截面形式主要有U型、Z型、直線型及組合型，而目前在國內(nèi)工程應(yīng)用中主要以U型鋼板樁為主。

鋼板樁因其質(zhì)量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快等優(yōu)點正在各領(lǐng)域基礎(chǔ)工程支護(hù)施工中迅速得到推廣，并逐漸取代部分傳統(tǒng)基坑支護(hù)方法。但鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)也并非適用于所有基坑支護(hù)施工，還得根據(jù)實際工程內(nèi)外部環(huán)境并綜合考慮施工環(huán)境、工期、造價等因素進(jìn)行比選，筆者認(rèn)為鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)在以下幾種條件的工程項目中應(yīng)用更有優(yōu)勢。

 

(1)基坑周邊環(huán)境復(fù)雜、施工環(huán)保要求高、施工作業(yè)面小。例如某些位于城市市中心或擬施工基坑周邊相鄰建筑間距較小的項目，采用傳統(tǒng)支護(hù)工法(如地下連續(xù)墻法、鉆孔灌注樁法、SMW工法等)需要較大的機(jī)械作業(yè)及材料堆放場地，且施工過程中會產(chǎn)生泥漿、污水等污染物及噪音。而采用鋼板樁支護(hù)只需少量機(jī)械，且若采用液壓植樁機(jī)進(jìn)行鋼板樁插打可很好的解決施工過程中的噪音污染問題。

(2)建筑基坑由于周邊條件限制無法采用拉錨加固,基坑開挖深度約13m以內(nèi)且基坑面積1萬m以內(nèi)。筆者所提這一條件并非采用鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的必要條件，而是根據(jù)以往施工經(jīng)驗認(rèn)為在此類條件下采用鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。基坑施工采用何種類型支護(hù)形式，業(yè)主方通常需綜合考慮工期進(jìn)度、造價因素從而選擇最適合自己工程的支護(hù)方法。傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計的原則是“強支護(hù)、弱支撐”即盡量采用較強的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而盡量減少基坑內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)。這樣做的目的一是盡量減少內(nèi)支撐對后序主體結(jié)構(gòu)的干擾,二是為土方開挖時挖機(jī)、運土車等留出更大的作業(yè)空間。而鋼板樁由于自身剛度的限制，在建筑基坑特別是一些側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù)較高的基坑，采用鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)往往需要設(shè)計較強的內(nèi)支撐體系,支撐層數(shù)較多,每層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若采用鋼結(jié)構(gòu)支撐需要較多的鋼材料并且施工存在大量的安裝、焊接工作;若采用混凝土支撐又需要較長的支撐施工、拆除時間。所以在遇到開挖深度或基坑面積大于上述數(shù)值的基坑時，業(yè)主方需要權(quán)衡考慮以確定支護(hù)方案。

 

 

(3) 基坑內(nèi)抽水后,基坑內(nèi)外水位高差25m以內(nèi)的橋梁、港口、碼頭基礎(chǔ)基坑工程。在鋼板樁沒有被大量采用之前，水中基礎(chǔ)的施工往往采用鋼圍堰法,鋼圍堰施工需要分塊預(yù)制、就地組裝或在別處組裝后浮運到位、下沉等工序,施工工序較多、施工工期較長。采用鋼板樁可以大大縮短施工工期，且在一些沒有覆蓋層的卵石層、巖層地層的情況下,采用特殊的鋼板樁插打工藝可以解決鋼板樁下沉困難的問題。

 

2 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、鋼板樁型號及內(nèi)支撐材料的選擇、施工工藝的確定等。

 

2.1鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算

2.1.1計算荷載的選取

岸上鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載主要為土壓力，水壓力、基坑外側(cè)施工車輛作用及材料、機(jī)具堆放引起的附加力;水中鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載主要為土壓力、水壓力、水流力、波浪力。對于任何結(jié)構(gòu)計算而言,荷載的選取極其重要，過于保守的取值會造成結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、材料浪費以致增加施工成本;然而荷載取值考慮不周全又會造成結(jié)構(gòu)不安全，因此合理的荷載取值是支護(hù)結(jié)構(gòu)安全、合理進(jìn)行設(shè)計計算的前提。

(1)土壓力、水壓力  

基坑工程中,要準(zhǔn)確模擬、計算支護(hù)結(jié)構(gòu)實際所受土壓力、水壓力極其復(fù)雜,目前針對這方面的研究成果也比較多，但是絕大多數(shù)并沒有得到廣泛的應(yīng)用。支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中所受的實際土壓力、水壓力受諸多因素的影響，計算時通常參考現(xiàn)有研究理論及根據(jù)實際施工情況進(jìn)行調(diào)整。土體力學(xué)特征值的取值可以參考施工場地地質(zhì)報告(建筑工程在施工前均會進(jìn)行詳細(xì)的、針對性的地質(zhì)勘探并提供設(shè)計方、施工方詳細(xì)的分析報告，而在一些鐵路、公路工程中,由于工程線路較長,待施工的基坑位置并不一定有地質(zhì)勘查點，對于較大型基坑建議施工前對這些位置進(jìn)行補勘)。目前土壓力的計算主要采用庫侖土壓力法和朗肯土壓力法，水壓力的計算直接采用靜水壓力公式。在分析采用水土分算還是合算時，目前一般籠統(tǒng)概括為粘土和粉土采用水土合算,砂土、卵石層采用水土分算。這種計算方法在許多工程實例中也被證實是合適的，筆者認(rèn)為在不存在滲流的情況下粘土和粉土采用水土合算是合適的，但是在存在滲流的情況下，這種計算方法并不能真實的反應(yīng)實際情況。滲流會對土體強度、土體自重應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，所以在分析采用水土分算還是合算時,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)報告及現(xiàn)場實際施工工序情況，對施工中可能存在滲流現(xiàn)象的不管是何種土層，均應(yīng)采用水土分算法。

(2)水流力、波浪力

水中鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)除了受到靜水壓力外，一些環(huán)境下的結(jié)構(gòu)還會受到水流力、波浪力的作用。

在沒有潮汛作用的情況下，對于最大流速小于2m/s的支護(hù)結(jié)構(gòu)，筆者認(rèn)為水流力對整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響不大，甚至可以在計算時不予考慮。但是對于受到潮汛作用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)對整個結(jié)構(gòu)取一般施工水位、最高水位及最低水位(最高、最低峰值水位根據(jù)基坑施工、使用周期、安全性要求考慮取 25 年一遇、50年一遇進(jìn)行取值)分別進(jìn)行計算,并根據(jù)結(jié)構(gòu)實際受水流力作用的位置進(jìn)行整個基坑的穩(wěn)定性驗算。

對于需要計算波浪力的支護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計波浪的重現(xiàn)期可取25年一遇。由于波峰作用時，鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到波壓力作用;而波谷作用時,鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受到波吸力的作用。計算時應(yīng)根據(jù)可能出現(xiàn)的不同工況按最不利組合進(jìn)行計算。

水流力、波浪力的計算方法可以根據(jù)各行業(yè)相關(guān)設(shè)計規(guī)范中的計算公式進(jìn)行。

(3)基坑外側(cè)的附加力

基坑外側(cè)的附加力主要指岸上基坑施工中外側(cè)施工車輛及材料、機(jī)具堆放引起的,有些作用荷載對支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算影響較大，所以在設(shè)計計算時應(yīng)根據(jù)擬施工情況進(jìn)行考慮并且在施工過程中對基坑外施工車輛的站位、行車位置及機(jī)具材料的堆放位置進(jìn)行限制,不允許出現(xiàn)超出設(shè)計考慮荷載的情況。

 

2.1.2鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算方法很多，主要包括經(jīng)典計算法(如靜力平衡法、等值梁法),彈性地基梁法。靜力平衡法、等值梁法均不考慮墻體及支撐變形，將用經(jīng)典的土壓力理論計算的土壓力作為外力施加在鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上，然后通過求解水平方向合力及支撐點彎矩為零的方程求得結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支撐反力,再將支撐反力加載到內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)上。彈性地基梁法則是基于支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體的變形協(xié)調(diào)一致的實際情況，將支護(hù)結(jié)構(gòu)作為支撐在一系列彈性支座上的梁來求解支護(hù)樁的變形與支撐反力，然后求解最大彎矩及其位置，再將支撐反力加載到內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)上。以上不管何種計算方法均是假設(shè)取單元寬度鋼板樁結(jié)構(gòu)作為梁單元，在求得梁單元自身的內(nèi)力和反力后，再將反力加載到內(nèi)支撐系統(tǒng)上去。

目前這兩種計算方法運用均較普遍，但是通過計算我們也可知兩種方法計算結(jié)果差距較大，因此在面對設(shè)計工程時采用何種計算方法是設(shè)計人員的疑慮。筆者認(rèn)為針對懸臂式鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)、單支撐鋼板樁結(jié)構(gòu)可以采用經(jīng)典法計算;采用“邊開挖邊支撐”法施工的多支撐式鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可以采用彈性地基梁法計算。

當(dāng)然目前市面上，還有不少關(guān)于基坑支撐設(shè)計的應(yīng)用軟件，針對上述三種鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)均可以進(jìn)行模擬計算。但是遇到一些特殊施工工藝的支護(hù)結(jié)構(gòu),上述兩種計算方法在計算中均存在較大缺陷。例如我公司多次在水中鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工采用的“先形成支撐后挖土”“水下吸泥后澆筑封底混凝土”、“施工中多次抽水、注水”的工藝，在采用上述兩種計算方法時均不能較好的模擬實際施工工況，根據(jù)我公司對采用上述工藝施工的鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形監(jiān)控反應(yīng)實測結(jié)果跟計算結(jié)構(gòu)相差較大經(jīng)過不斷分析、總結(jié)及實際工程的檢驗，我們認(rèn)為采用有限元軟件對整個鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，根據(jù)施工工序進(jìn)行施工階段的模擬更能反映實際的施工工況。

 

2.2 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝的確定

鋼板樁支護(hù)工程的施工是一個多工況的施工過程,設(shè)計、計算也是根據(jù)施工工況分階段進(jìn)行。對于一些使用鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢的工程，我們往往在設(shè)計計算時發(fā)現(xiàn)鋼板樁內(nèi)力較大、樁體變形較大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全系數(shù)偏低甚至不能滿足基坑設(shè)計要求，或者經(jīng)過計算采用支撐或拉錨工程量較大導(dǎo)致施工成本較高。面對類似情況時，通過改變施工工序往往可以達(dá)到更安全、更經(jīng)濟(jì)的效果。例如當(dāng)按常規(guī)采用“邊開挖邊支撐”法施工多層支撐(拉錨)基坑時，通過計算我們知道鋼板樁內(nèi)力及變形的較大值均出現(xiàn)在土方開挖而下道支撐(拉錨)未形成時，為此我們會增加支撐層數(shù)以減少單層開挖深度，但最終的結(jié)果是施工工期變長、施工成本增加。

從設(shè)計計算的角度分析，我們可以設(shè)想要減小鋼板樁內(nèi)力，變形那就要增大鋼板樁截面特征值、減少外部荷載、減小基坑內(nèi)外壓力差甚至在水中支護(hù)結(jié)構(gòu)抽水前提前對鋼板樁內(nèi)部進(jìn)行支撐。但是絕大多數(shù)情況下鋼板樁材料、外部荷載往往無法改變，例如支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼板樁插打后在土方開挖及支撐加設(shè)施工時，基坑內(nèi)水中取土水下加設(shè)支撐、最后水下澆筑封底混凝土，在整個施工過程中始終保持基坑內(nèi)外水壓平衡,基坑內(nèi)外壓力差主要為土壓力,通過這種施工工序可以使鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中更安全結(jié)構(gòu)材料用量明顯減少。

所以根據(jù)具體的基坑施工條件、周邊環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的特點進(jìn)行多工序的比選最終確定施工更合理、更安全、更經(jīng)濟(jì)的施工工藝是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工的重要前提。

 

3 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工主要包括鋼板樁的插打、支撐(拉錨)的加設(shè)、基坑內(nèi)取土等。支撐(拉錨)的加設(shè)、基坑內(nèi)取土等工序施工主要根據(jù)實際工程情況制定詳細(xì)的施工方案、合理的組織人員、機(jī)械、材料。相對整個鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工來講略為簡單，下面主要介紹下筆者認(rèn)為比較關(guān)鍵的鋼板樁插打的施工。

鋼板樁的插打主要包括插打設(shè)備及插打工藝的選擇。目前，國內(nèi)比較常見的插打設(shè)備主要為振動錘,其具有灌入力強、堅固耐用、故障少、使用方便、電源適應(yīng)強等特點，但是針對土層較硬或噪音控制要求高的情況下,往往無法使用,為此我公司從日本技研公司購入液壓植樁機(jī)，靜壓植樁機(jī)施工時自騎在已施工鋼板樁上，利用已施工鋼板樁的抗拔阻力作為下根鋼板樁的壓力動力，通過液壓機(jī)構(gòu)將鋼板樁壓入到位。由于靜壓植樁機(jī)施工時壓入力的作用點距地面非常近，相比振動錘施工可以更加準(zhǔn)確有效的將作用力傳至樁的前端，且整個施工過程只需要一臺吊機(jī)輔助配合，滿足施工地噪音控制嚴(yán)格及場地有限的施工環(huán)境。

針對不同區(qū)域可能出現(xiàn)的地質(zhì)情況，靜壓植樁機(jī)可以配備不同的輔助裝置來保證鋼板樁的順利壓入。

(1)一般的粘土、粉土、粉砂層,靜壓植樁機(jī)可以利用已施工樁的抗拔反力通過液壓動力自行將樁壓入到位。

(2)硬塑粘土、中粗砂層.靜壓植樁機(jī)配備水刀裝置,將高壓水噴入樁尾部的地基,使土粒子間的間隙水壓一瞬間變高而使土體液化、更容易移動，同時高壓往上的射流水可以潤滑鋼板樁的表面，防止進(jìn)入接口槽的土石變緊,在不損傷樁材的情況下，用較小的壓人力高效率的進(jìn)行壓入作用。

(3)卵石層、巖層等堅硬地質(zhì)。靜壓植樁機(jī)配備與其一體化控制的螺旋鉆系統(tǒng)裝置，利用獨有的除芯理論,首先將樁尾正下方的土層鉆掘使其破壞、松散。在抑制壓力球根的同時,將螺旋鉆拔出,以填埋其拔出間隙的方式將樁壓入土層。此法可以將鉆掘范圍降低到最低限度，并減小排土層,在降低土體抵抗力的同時又達(dá)到保護(hù)環(huán)境的效果。

 

4 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)工程實例

(1)滬杭客運專線橫潦涇特大橋主墩鋼板樁支護(hù)工程

橫潦涇特大橋位于上海市松江區(qū)，屬滬杭客運專線控制工期工程。主橋主墩位于橫潦涇河道中央，墩位處水深15.5m，水面至封底混凝土底高差達(dá)23m?；A(chǔ)施工采用鋼板樁圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu),鋼板樁型號為 SP-U(600x210),其單根長度為 31m。鋼板樁插打采用液壓植樁機(jī)在橋梁樁基施工時同步進(jìn)行，內(nèi)支撐采用分層整體預(yù)制后逐層水下下放到位，然后水下吸泥至設(shè)計封底混凝土底標(biāo)高、水下澆筑封底混凝土，待封底混凝土達(dá)到強度后抽水形成鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。

采用此種鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方法在降低施工成本的同時，施工工期比原計劃采用鋼圍堰施工節(jié)約工期約3個月。

 

(2)線州鐵新橋水中墩鋼板樁圍堰支護(hù)工程

杭州錢江鐵路新橋是滬杭甬客運專線杭甬段和杭長客運專線的重要組成部分。橋位處于錢塘江強涌潮區(qū)域,涌潮壓力大,基礎(chǔ)施工難度極大，且臨近既有線施工，大型吊裝設(shè)備無法操作以及墩位處障礙物較多。

水中墩采用鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼板樁型號為 SP-U(600x210),其單根長度為 20m。施工期水深變化幅度5-9m，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時不僅要考慮各水位對結(jié)構(gòu)的影響，漲落潮時支護(hù)結(jié)構(gòu)受波壓力及波吸力的作用對整個鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性影響極大,設(shè)計時對迎水面鋼板樁進(jìn)行加長、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強，施工時在迎水面鋼板樁外側(cè)拋填石籠進(jìn)行防沖刷。

 

 

 

(3)江蘇省南通市崇川區(qū)地下立體車庫地下結(jié)構(gòu)支護(hù)工程

該地下立體車庫項目位于南通市崇川區(qū)政務(wù)中心大樓門口，由于場地的限制車庫外邊距大樓底板邊緣僅1.2m,距附近民房最近處僅5.4m,距旁邊高壓線桿、人行道也不足 5m。地下結(jié)構(gòu)為直徑 22m、深度18.5m圓筒結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多次方案必選,最終確定采用鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu),整個基坑采用“逆作法”進(jìn)行施工,鋼板樁在基坑開挖期作為臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑形成后作為地下車庫結(jié)構(gòu)的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼板樁型號為SP-U(600x210),其單根長度為 27m。由于施工周邊環(huán)境復(fù)雜、施工場地狹小,鋼板樁插打采用液壓植樁機(jī)配備水刀裝置進(jìn)行施工。

 

5結(jié)語

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工是一個系統(tǒng)性、時效性、各環(huán)節(jié)密切相關(guān)的工作，且因周邊環(huán)境、地質(zhì)水位資料、施工設(shè)備等影響明顯。任何工程從設(shè)計階段還是施工階段都要進(jìn)行充分、細(xì)致的分析、論證以獲得更高效、更經(jīng)濟(jì)的施工方案,真正體現(xiàn)鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

 

作者簡介:劉亮亮,江蘇順達(dá)工程科技有限公司,總工程師