鋼板樁在軟土窄基坑支護(hù)中的應(yīng)用

◎林克昌

（作者單位：中化地質(zhì)江蘇巖土工程有限公司）

由于鋼板樁具有施工便捷、可回收的特性，因而在管道溝槽基坑中得到了大量的應(yīng)用。本文結(jié)合管道溝槽狹長的特點(diǎn)，分析了鋼板樁在管道溝槽基坑中應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問題，具體包括：鋼板樁的選型、基坑開挖寬度的確定、鋼板樁嵌固深度的確定和鋼板樁打拔方式的選擇等。

一、引言

鋼板樁支護(hù)是一種用機(jī)械將特定型號(hào)的鋼板樁打入地下，形成一道連續(xù)的地下板墻，作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)方式。鋼板樁是預(yù)制好的成品，可直接運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)施工，具有施工速度快的特點(diǎn)。鋼板樁可拔出再利用，具有綠色可回收的特點(diǎn)。鋼板樁在橋梁基礎(chǔ)圍堰中得到了大量的應(yīng)用。

管道溝槽是為了明挖埋管需要而開挖的溝槽，在溝槽開挖完成后，在基底施工墊層、管道基礎(chǔ)、埋深管道、回填溝槽等一系列工作。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，尤其是海綿城市的大量建設(shè)，新建了大量的市政管道。這些管道往往位于已建道路或小區(qū)內(nèi)，周邊需保護(hù)的管線、建筑物眾多，且往往施工空間小，因此，鋼板樁在市政管道溝槽基坑中也得到了大量的應(yīng)用。

管道溝槽基坑具有狹長的特點(diǎn)，其沿管道縱向很長，從幾米到幾公里甚至上百公里不等，但其開挖寬度窄，往往只有2～4m，屬于窄基坑。工程實(shí)踐表明，狹窄基坑具有更好的穩(wěn)定性。因此，其他條件相同時(shí)，狹窄基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度可以適當(dāng)減小。

本文結(jié)合管道溝槽基坑狹長的特點(diǎn)，從鋼板樁的選型、基坑開挖寬度的確定、鋼板樁嵌固深度的確定和鋼板樁打拔方式的選擇四個(gè)方面進(jìn)行了分析。

二、鋼板樁的選型

鋼板樁的型式很多，常用的有槽鋼和拉伸鋼板樁等。槽鋼支護(hù)為一種簡(jiǎn)易的鋼板樁，由槽鋼正反扣或并排搭接而成，槽鋼型號(hào)常用的為25a～30a，長度一般為6m，一般適用于開挖深度＜3m的基坑。

熱軋U型鋼板樁是鋼板樁最為常見的型式，型號(hào)多樣，標(biāo)準(zhǔn)表示形式為SP-U+有效寬度W1×有效高度H1×腹板厚度t，常用的為SP-U400×170×15.5（俗稱拉伸Ⅳ鋼板樁，其中SP為鋼板樁英文名稱sheetpile的縮寫）。鋼板樁長度有6m、9m、12m、15m和18m等，其中9m、12m和15m較為常見。鋼板樁的鋼材牌號(hào)為Q295bz、Q390bz和 Q420bz，市面上常見的是 Q295bz，表示其屈服強(qiáng)度為295MPa。

鋼板樁的選型應(yīng)根據(jù)受力和變形分析確定，理論上鋼板樁剛度越大，抗變形和抗彎能力越強(qiáng)，但為了鋼板樁采購便捷、租賃方便，設(shè)計(jì)及施工時(shí)多采用SP-U400×170×15.5鋼板樁，當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算該型號(hào)鋼板樁不滿足強(qiáng)度及變形要求時(shí)，可通過增設(shè)鋼支撐來減少鋼板樁的受力和變形，在軟土地區(qū)，當(dāng)基坑開挖深度＞5m時(shí)，往往需要增設(shè)二道甚至三道鋼支撐。鋼支撐道數(shù)的增加，會(huì)給土方開挖和管道埋設(shè)帶來不便，降低施工效率。如能采用大截面鋼板樁增加鋼板樁自身抗彎剛度，減小鋼支撐道數(shù)，將會(huì)為土方開挖和管道埋設(shè)帶來便捷。因此，隨著管道溝槽基坑越來越深，大截面的鋼板樁需求會(huì)越來越多，增加大截面鋼板樁的市場(chǎng)保有量迫在眉睫。

三、基坑開挖寬度的確定

基坑開挖寬度的確定需綜合考慮管道直徑、接頭型式、挖土機(jī)抓斗寬度、圍檁尺寸、施工肥槽等因素，以管道兩側(cè)均采用鋼板樁+鋼圍檁及鋼支撐支護(hù)為例，溝槽基坑的開挖寬度可用下式表示：

式中：B為鋼板樁內(nèi)側(cè)寬度；D為管道內(nèi)徑；t為管道壁厚；n為管道壁厚的個(gè)數(shù)，對(duì)于平口接頭，n取2，對(duì)于承插口接頭，n取4；W為圍檁寬度；C為預(yù)留肥槽寬度。

某管道溝槽工程，管道采用鋼筋混凝土管，其內(nèi)徑為1200 mm，壁厚120mm，承插口接頭，采用SP-U400×400×15.5鋼板樁支護(hù)，頂部設(shè)一道HW400×400×13×21圍檁，中部每隔5m設(shè)一道HW400×400×13×21橫撐，考慮300mm肥槽以便于工人操作，支護(hù)剖面如圖1所示。據(jù)式（1），可計(jì)算出其基坑開挖寬度為：

圖1某管道溝槽基坑支護(hù)典型剖面

四、鋼板樁嵌固深度的確定

鋼板樁嵌固深度是指鋼板樁插入基坑開挖面以下的長度，嵌固深度的確定與基坑抗傾覆和抗隆起穩(wěn)定性有關(guān)。以圖所示單支點(diǎn)鋼板樁支護(hù)為例，鋼板樁的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)為主動(dòng)區(qū)主動(dòng)土壓力對(duì)支點(diǎn)的傾覆力矩和被動(dòng)區(qū)被動(dòng)土壓力對(duì)支點(diǎn)的抗傾覆力矩之比，如圖2所示，用公式表示為：

該式是基于經(jīng)典土力學(xué)推導(dǎo)而來，相當(dāng)于主動(dòng)區(qū)形成與水平面成45o+φ/2的完整滑裂面，被動(dòng)區(qū)形成與水平面成45o-φ/2的完整滑裂面，被動(dòng)區(qū)需要一定的寬度以滿足45o-φ/2滑裂面的形成。以圖1中鋼板樁A為例分析，式3適用的條件為鋼板樁A墻背形成滑裂面AF，墻前形成滑裂面AB。但由于管道溝槽基坑往往開挖寬度較小，對(duì)側(cè)鋼板樁的存在阻斷了被動(dòng)區(qū)滑裂面AB的形成，因此，被動(dòng)區(qū)的實(shí)際滑裂面不是AB，而是AC。由于沿AB滑裂面形成的土楔ABD提供的土反力是最小的被動(dòng)土反力，因此沿AC滑裂面形成的土楔ACD提供的土反力要較土楔ABD提供的大。在相同抗傾覆安全系數(shù)的要求下，由土楔ACD算出的樁的嵌固深度要較土楔ABD算出的小。

由于目前深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算多依賴?yán)碚罨?、同?jì)啟明星等電算軟件，這些電算軟件在編制時(shí)均是完全依照規(guī)范上的公式，不考慮基坑開挖寬度對(duì)被動(dòng)區(qū)土反力的影響，因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)管道溝槽基坑時(shí)，不可盲目按電算結(jié)果計(jì)算出的嵌固深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。而應(yīng)考慮管道溝槽基坑的寬度效應(yīng)，結(jié)合手算，合理確定管道溝槽基坑支護(hù)樁的嵌固深度，避免嵌固深度過大造成浪費(fèi)。

圖2 基坑抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

五、鋼板樁打拔方式的選擇

鋼板樁打拔的方式主要有靜力打拔和動(dòng)力打拔兩種方式。目前常見的主要為振動(dòng)打拔，即在鋼板樁樁頭施加激振力，通過激振力和機(jī)械手的豎向力共同作用將鋼板樁打入土體內(nèi)部或從土體內(nèi)部拔出。由于靜力打樁設(shè)備昂貴，機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)和租賃費(fèi)用遠(yuǎn)高于振動(dòng)打樁設(shè)備，因此，盡管靜力打拔樁具有無振動(dòng)、無噪音、高精度等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際工程中并沒有廣泛應(yīng)用。

目前，基坑坑邊地面開裂是振動(dòng)打拔鋼板樁在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土或松散砂層中應(yīng)用所存在的主要問題，振動(dòng)打拔鋼板樁引起的地面開裂如圖3所示。鋼板樁振動(dòng)會(huì)對(duì)軟塑～流塑狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土造成振陷、對(duì)松散的砂層造成振密，從而引起地面沉降，造成地面開裂。鋼板樁拔出過程的振動(dòng)往往大于打入過程的振動(dòng)，這是由于鋼板樁打入后鎖扣相互咬合形成一個(gè)整體，鋼板樁在拔出的過程中，雖然只拔一根鋼板樁，但也會(huì)帶動(dòng)其相鄰兩側(cè)一定范圍內(nèi)鋼板樁呈被拔趨勢(shì)，從而增大鋼板樁拔樁的難度，需要增大激振力。因此，在鋼板樁打入前，在鋼板樁樁身涂抹黃油等減摩劑可減輕鋼板樁拔出過程中的阻力，減小振動(dòng)。

圖3鋼板樁振動(dòng)打拔造成地面開裂

另鋼板樁在軟土地層中，拔出過程中會(huì)帶出一部分土體，造成土體損失，如拔出后的空隙不及時(shí)注漿充填，那空隙兩側(cè)的土體會(huì)向縫隙內(nèi)滑動(dòng)，從而造成地面沉降甚至引起地面開裂。因此，鋼板樁拔出后的空隙應(yīng)及時(shí)注漿充填。目前，大量的工程實(shí)踐表明，在鋼板樁拔出過程中同步注漿可有效減少鋼板樁拔樁產(chǎn)生的縫隙對(duì)周邊地層的擾動(dòng)。即在拔樁前，在每塊鋼板樁墻背0.1m處預(yù)埋注漿管，在鋼板樁拔出前即開始啟動(dòng)注漿，待漿液使鋼板樁樁底土體受注漿壓力影響并向鋼板樁位置流動(dòng)時(shí)開始緩慢拔出鋼板樁。在緩慢拔樁的過程中，漿液在壓力作用下向鋼板樁拔出后的空隙流動(dòng)，能夠及時(shí)填實(shí)鋼板樁拔樁產(chǎn)生的縫隙，有效減小縫隙兩側(cè)土體的擾動(dòng)和變形，從而能夠減小拔樁對(duì)周邊地面的擾動(dòng)。

振動(dòng)打拔鋼板樁適用于基坑周邊環(huán)境寬松，沒有重要的自來水管、燃?xì)夤堋⒌罔F隧道、淺基礎(chǔ)房屋等地段，對(duì)于周邊環(huán)境要求嚴(yán)格的區(qū)段，應(yīng)采用靜力打拔鋼板樁的方式。靜力打拔鋼板樁沒有振動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生振陷或振密的現(xiàn)象，因此對(duì)周邊地層擾動(dòng)小，基坑周邊土體的變形主要來自于基坑開挖過程中鋼板樁在墻背主動(dòng)土壓力的作用下向坑內(nèi)的水平變形和鋼板樁拔樁過程中產(chǎn)生縫隙引起的周邊土體的變形，鋼板樁拔樁過程同步注漿仍然非常重要。

六、結(jié)論

1.鋼板樁的選型應(yīng)綜合受力和變形分析確定，市面上常用的鋼板樁型號(hào)為SP-U400×170×15.5鋼板樁，當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算該型號(hào)鋼板樁不滿足強(qiáng)度及變形要求時(shí)，可通過增設(shè)鋼支撐來減少鋼板樁的受力和變形。

2.鋼板樁支護(hù)的寬度應(yīng)綜合管徑、壁厚、接頭型式、圍檁尺寸和預(yù)留肥槽寬度等綜合確定，可按公式B=D+n×t+2×W+2×C計(jì)算。

3.管道溝槽基坑狹窄，鋼板樁的嵌固深度應(yīng)按考慮基坑寬度的實(shí)際滑裂面進(jìn)行計(jì)算，不可盲目按規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

4.鋼板樁振動(dòng)打拔適用于基坑周邊環(huán)境寬松的區(qū)段，對(duì)于周邊環(huán)境保護(hù)需求高的區(qū)段，應(yīng)采用靜力方式打拔。無論振動(dòng)還靜力打拔鋼板樁，都應(yīng)采用同步注漿的方式以減少拔樁縫隙產(chǎn)生的不利影響。