新加坡填海區(qū)公鐵復(fù)合高架橋鋼板樁支護技術(shù)

楊漢國

（中鐵十一局集團有限公司 武漢 430061）

至20世紀60年代，西方發(fā)達國家已普遍采用熱軋鋼板樁，因其與其他材料相比，具有構(gòu)造合理、強度高、質(zhì)量輕、鎖口緊密、隔水性能好、可重復(fù)利用［1］等各種優(yōu)勢而發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用。目前，東南亞鋼板樁年消費量達到20萬t［2］，在土地面積小、高度重視環(huán)保的新加坡，鋼板樁的租賃與打樁業(yè)在其建筑市場已十分發(fā)達。鋼板樁支護由鋼板樁、錨拉桿（或內(nèi)支撐錨碇結(jié)構(gòu)、腰梁等）組成，此支護法在滿足施工安全要求的前提下，占地面積小、施工方便，可重復(fù)利用，節(jié)約投資，是一種實用性很強的支護方式。新加坡軌道交通大士西延長線工程中95%的橋墩基坑開挖采用鋼板樁做臨時支護結(jié)構(gòu)，本文以公鐵兩用復(fù)合高架某墩的承臺開挖臨時支護工程為例，論述該高架橋鋼板樁的支護技術(shù)。

1 工程簡介

本工程公鐵復(fù)合高架的某橋墩下部結(jié)構(gòu)設(shè)計為7根1.5m×2.8m大小的的長方形狀鉆孔樁；鋼筋混泥土承臺，承臺尺寸為16.3m×9.2 m，承臺底標(biāo)高98.176m，承臺頂標(biāo)高101.676 m，承臺厚度3.5m，低于周圍平均水平面約2m，高架上層為鐵路，下層為公路。

該橋墩位置處于新加坡填海區(qū)，地質(zhì)穩(wěn)定性較差，且緊鄰兩側(cè)均為正在運營的公路既有線，地質(zhì)情況及各土層參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 開挖支護方案

由于該墩處承臺開挖場地狹小，開挖深度為（5.6m，含50mm的基底鋼筋混凝土墊層）較大，且墩處兩側(cè)緊鄰運營中的公路既有線，故支護難度較大。

據(jù)其地質(zhì)情況、施工開挖深度以及新加坡國家建筑局（BCA）對基坑開挖的支護要求，經(jīng)開挖受力分析計算，并考慮臨時支撐的強度、穩(wěn)定性和變形要求及鋼板樁材料的各種優(yōu)勢，采用多支撐（多錨）鋼板樁支護結(jié)構(gòu)形式，選取14m長的拉森（Larssen）FSP－IV型鋼板樁做圍護，采用 H型鋼設(shè)一層圍檁和橫撐、角撐，鋼板樁與H型鋼的具體參數(shù)分別見表2，3。支護結(jié)構(gòu)平面尺寸按照承臺尺寸每側(cè)外擴2m控制，即為18.3m×11.2 m，其平面布置，立面布置見圖1，2。

表2 拉森FSP－III型與FSP－IV型鋼板樁參數(shù)表

表3 圍檁、支撐用材參數(shù)表

圖1 鋼板樁支護體系平面布置圖（單位：mm）

圖2 鋼板樁支護體系立面布置圖

3 支護系統(tǒng)驗算

根據(jù)鋼板樁入土的深度，按單錨淺埋板樁計算，假定上端為簡支［3］，下端為自由支承。這種板樁相當(dāng)于單跨簡支梁，作用在樁后為主動土壓力，作用在樁前為被動土壓力，壓力坑底以下的土重度不考慮浮力影響。本工程鋼板樁支護體系采用PLAXIS有限元分析軟件彈性－理想塑性雙線性應(yīng)力應(yīng)變摩爾－庫侖模型模擬驗算。

3.1 模型理論

彈性－理想塑性雙線性應(yīng)力應(yīng)變摩爾－庫侖模型按理想彈塑性理論將彈性和塑性變形的比例分解為彈性部分和塑性部分：

將上式代入胡克定律公式，同時引入塑性勢函數(shù)，得到彈性－理想塑性下有效應(yīng)力應(yīng)變比例關(guān)系模型

式中，g為塑性勢函數(shù)；f為屈服函數(shù)，De為常系數(shù)彈性模量

屈服函數(shù)f采用完整的摩爾－庫侖屈服條件，由如下所示的6個屈服方程組成。

式中：φ為內(nèi)摩擦角；c為粘聚力。

采用PLAXIS有限元軟件分析前僅須輸入5個常用的參量：楊氏模量（E）、泊松比（υ）、粘聚力（c）、內(nèi)摩擦角（φ）、膨脹角（Ψ）。

3.2 基于PLAXIS軟件的鋼板樁基坑支護驗算

因新加坡當(dāng)?shù)亻L年多雨水，模型中加入排水分析以用來模擬長期挖掘工程施工，軟件分析中將地下水位設(shè)定于1m以下，在每一個開挖過程中地下水位基坑被定義為干開挖平整水平。穩(wěn)定滲流用于模擬在墻壁上的水壓力。除泥質(zhì)土和沖擊粘土采用非排水土體強度的土體材料外，所有的土層采取有效應(yīng)力參數(shù)建模，本工程設(shè)置參數(shù)見表4。

表4 摩爾－庫侖準(zhǔn)則土工數(shù)據(jù)設(shè)置參數(shù)

建模中鋼板樁采用相應(yīng)的軸向和彎曲剛度梁單元，而橫撐及斜撐采用相應(yīng)軸向剛度和間距的端部錨固的固結(jié)模型。模擬計算中不僅考慮0.5 m的平整度處理厚度，同時也考慮了20%的超荷載分析。

本高架墩承臺開挖5.6m深，經(jīng)PLAXIS軟件分析計算后，最大橫向位移為108.7mm，最大地面沉降為－101mm，最小安全系數(shù)為1.42，鋼板樁最大彎矩為365.7kN·m，鋼板樁最大剪力為234.4kN，橫撐最大受力為346.5kN。

模型的分析嚴格根據(jù)以下施工步驟模擬分析：考慮到施工額外的20%荷載→插打鋼板樁→開挖至橫撐以下0.5m深度→安裝橫撐→開挖至設(shè)計標(biāo)高→施工承臺并回填→移除橫撐。

根據(jù)新加坡建筑局（BCA）施工標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)項目設(shè)計的臨時支護系統(tǒng)其強度計算結(jié)果須報國家認證資質(zhì)的第三方單位復(fù)核，復(fù)核內(nèi)容主要為鋼板樁的抗彎和抗剪、極限荷載下橫撐和圍檁的承載力、某一結(jié)構(gòu)失去作用工況下橫撐和圍檁的復(fù)核。根據(jù)表5所示驗算結(jié)果，鋼板樁、橫撐及圍檁均滿足設(shè)計要求。

表5 鋼板樁、橫撐及圍檁的承載力驗算結(jié)果

4 施工過程及要求

本工程根據(jù)現(xiàn)場施工條件，采用施工工藝流程見圖3。

（1）鋼板樁打設(shè)。本工程根據(jù)現(xiàn)場施工條件，采用單獨打入法，即從一角開始逐塊插打，每塊中途不停頓。

圖3 鋼板樁施工工藝流程圖

（2）圍檁、支撐施工。本工程支護體系只布設(shè)一層支撐，在鋼板樁打設(shè)完畢后，先將基坑開挖至地面線以下2m的深度后再安裝圍檁、支撐體系。土方開挖應(yīng)分層分區(qū)連續(xù)施工，并對稱開挖。安裝支撐調(diào)整構(gòu)件位置等細部要求見圖4。鋼圍檁與鋼板樁之間的空隙采用C30級混凝土填筑，使每根鋼板樁都能與圍檁有良好的接觸，以使其均勻受力。

圖4 支護系統(tǒng)安裝細部圖

（3）移除支撐結(jié)構(gòu)與鋼板樁。先鑿除圍檁與鋼板樁之間的整體混凝土，而后下掉或切斷支撐和圍檁之間及圍檁與圍檁之間的連接螺栓或焊縫。鋼支撐體系拆除后，進行墩柱施工，待其鋼筋混凝土強度達到要求后，采用原土進行第二次回填，填土夯實至地面標(biāo)高后拔除鋼板樁。做到最大限度地減小拔樁的振動對已施工地下結(jié)構(gòu)的影響。

5 結(jié)語

（1）從工程實際情況看，臨時支護理論設(shè)計計算與施工實況基本一致，計算所選取參數(shù)及材料合理，可滿足實際工程要求，具有很強的實用性，此支護系統(tǒng)可以應(yīng)用在與該橋墩地質(zhì)情況相同的其他橋墩處。

（2）從本工程鋼板樁應(yīng)用效果看，本工程鋼板樁支護體系由鋼板樁、鋼圍檁、H型鋼支撐及斜角撐組成，施工簡便，工序簡單，強度高的情況下質(zhì)量比較輕，占地面積小容易控制，且現(xiàn)場整潔，對周圍環(huán)境影響較小。對于工程施工場地小的情況非常適用。

（3）新加坡軌道交通大士西延長線工程中400多個承臺開挖工程采用鋼板樁支護技術(shù)，表明施工過程安全、環(huán)保、節(jié)約投資，其實用性和功能性得到了充分證實。

［1］劉亮亮.水下深基坑基礎(chǔ)鋼板樁圍堰的設(shè)計與施工［J］.交通科技，2009，（3）：23－25.

［2］王加利.鋼板樁墻在不同施工工序下的變形及內(nèi)力特征研究［D］.廣州：土木與交通工程學(xué)院，2012.

［3］段建國.鋼板樁在鐵路橋梁深基坑支護中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2012，38（19）：174－176.