鋼板樁在特殊地質(zhì)條件下的應(yīng)用

陳西平

0 引言

鋼板樁是一種支護(hù)結(jié)構(gòu)，既可擋土又可防水；當(dāng)開挖的基坑較深，地下水位較高、又有出現(xiàn)流砂現(xiàn)象的危險(xiǎn)時(shí)，則可將鋼板樁打入土中，使地下水在土中滲流的路線延長(zhǎng)、降低水力坡度、阻止地下水滲入基坑內(nèi)，從而防止流砂現(xiàn)象發(fā)生；帶有鎖口聯(lián)動(dòng)裝置的鋼板樁，可以自由組合形成一種連續(xù)緊密的擋土或者擋水墻的鋼結(jié)構(gòu)體，鎖口對(duì)稱分布于中性軸兩側(cè)，且腹板是連續(xù)的，這極大地提高了截面模量和抗彎剛度，保證截面力學(xué)特性能夠充分發(fā)揮，提高抵抗土方和水的側(cè)向壓力，防止土性邊坡坍塌；常見有拉森式，拉森鋼板樁又叫U 型鋼板樁，屬熱軋鋼板樁，它作為一種新型建材，在建橋圍堰、大型管道鋪設(shè)、臨時(shí)溝渠開挖時(shí)作擋土、擋水、擋沙墻；拉森鋼板樁做土方支護(hù)不僅綠色、環(huán)保而且施工速度快、施工費(fèi)用低，具有很好的防水功能，在施工中運(yùn)用較為廣泛。

1 鋼板樁支護(hù)施工

鋼板樁支護(hù)適用于軟弱土、粉土、黏性土、砂土等一般土層地質(zhì)，支護(hù)結(jié)構(gòu)類型包括懸臂式、錨拉式、支撐式和組合式。懸臂式用在非軟土基坑時(shí)，基坑深度不宜大于6m，用在軟土基坑時(shí)，基坑深度不宜大于4m；錨拉式對(duì)周邊環(huán)境要求嚴(yán)格，基坑深度不宜大于8m；支撐式基坑深度不宜大于9m；組合式場(chǎng)地應(yīng)滿足放坡條件，自然地下水位不高或提前降水，放坡與鋼板樁支護(hù)體系結(jié)合，適用于開挖深度大于9m 的深基坑。鋼板樁打樁方法：錘擊法、振動(dòng)法和靜壓法；主要根據(jù)打樁插入深度，地層條件、施工場(chǎng)地條件、周邊環(huán)境要求或當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)選用合適的打樁方法。

鋼板樁抗彎承載能力計(jì)算按照式（1）進(jìn)行：

式中：δ 為鋼板樁截面應(yīng)力N/mm；M 為作用在鋼板樁上的彎矩設(shè)計(jì)值kN/m；W為鋼板樁截面抵抗矩mm；β 為抵抗矩折減系數(shù)，當(dāng)設(shè)計(jì)有整體鋼腰梁時(shí)取值1.0，不設(shè)置腰梁或分段設(shè)置時(shí)取值0.9；ξ 為鋼板樁重復(fù)利用折減系數(shù)，首次使用的新鋼板樁取值1.0，重復(fù)利用的舊鋼板樁取值0.85～0.95；f 為鋼板樁材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值N/mm。

2 實(shí)際案例

某公司施工的巢湖電廠干煤棚基礎(chǔ)工程，二、三號(hào)煤場(chǎng)之間地質(zhì)情況為④層含碎石粉質(zhì)粘土（Q3al），開挖范圍內(nèi)無承壓水，二號(hào)煤場(chǎng)A 軸交8～30 段新建干煤棚采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-4.5m 和-5.0m，基礎(chǔ)墊層厚度100mm，基坑開挖深度為4.6m 和5.1m。由于A 軸交8～30 段基礎(chǔ)與三號(hào)煤場(chǎng)既有干煤棚的條形基礎(chǔ)之間水平距離約3.5m。

如圖1 所示為本次專項(xiàng)方案的施工段平面位置，二號(hào)煤場(chǎng)A 軸交8～0 段新建煤棚基礎(chǔ)約88m 的施工段與三號(hào)煤場(chǎng)已建舊煤棚基礎(chǔ)并行，并且新舊煤棚基礎(chǔ)間距約3.5m，二號(hào)煤場(chǎng)新建基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式為柱下錐形獨(dú)立基礎(chǔ)，三號(hào)煤場(chǎng)舊筏板基礎(chǔ)通常88m。通過查閱三號(hào)既有干煤棚基礎(chǔ)施工資料，得知三號(hào)干煤棚基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)高為黃海高程18m，基礎(chǔ)基底標(biāo)高高于持力層，施工時(shí)土方開挖至持力層后按照設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)處理建議采用C15 混凝土換填至基底標(biāo)高。三號(hào)既有干煤棚基礎(chǔ)施工完成已達(dá)10 年時(shí)間之久，換填的C15 混凝土與筏板基礎(chǔ)形成整體，相當(dāng)于重力型基礎(chǔ)特點(diǎn)，由此可以判斷三號(hào)煤棚筏板基礎(chǔ)整體性好，穩(wěn)定性及抗剪能力優(yōu)異。筏板基礎(chǔ)施工完成后采用砂石回填至地面標(biāo)高。

圖1 平面圖

2.1 本工程施工難點(diǎn)

圖1 中標(biāo)識(shí)了二（新煤場(chǎng)）、三（舊煤場(chǎng)）之間A 軸交8～30段位置，長(zhǎng)度88m，三號(hào)煤場(chǎng)為獨(dú)立柱基礎(chǔ)上部為鉸接鋼結(jié)構(gòu)封閉屋架，地基為黏土夾碎石土層；由于三號(hào)煤場(chǎng)長(zhǎng)年對(duì)儲(chǔ)煤進(jìn)行噴水降溫處理，土層中含水量較大；本次煤場(chǎng)施工二號(hào)、三號(hào)煤場(chǎng)基礎(chǔ)相對(duì)位置只有3.3m 且二號(hào)煤場(chǎng)基礎(chǔ)比三號(hào)煤場(chǎng)基礎(chǔ)低2.5m。

施工現(xiàn)場(chǎng)具備放坡開挖的條件，但項(xiàng)目部認(rèn)為放坡開挖存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)；一是三號(hào)煤棚是全封閉的拱形鋼屋架結(jié)構(gòu)，受力點(diǎn)在獨(dú)立柱頂端，一旦采取放坡開挖，將三號(hào)煤棚基礎(chǔ)周圍的土方全部挖出，失去了土方的側(cè)向抵抗力，勢(shì)必造成三號(hào)煤棚的受力體系的變化，引起三號(hào)煤棚的坍塌；二是三號(hào)煤棚常年有水，水的浮托力與煤棚基礎(chǔ)形成共存的受力平衡，開挖會(huì)造成水的浮托力降低，改變受力平衡，從而引發(fā)坍塌；三是從圖中可以看出，三號(hào)煤棚球形節(jié)點(diǎn)銹跡斑斑，銹蝕嚴(yán)重，大的振動(dòng)會(huì)引起球形節(jié)點(diǎn)破壞問題。

項(xiàng)目部決定采取鋼板樁支護(hù)方案，計(jì)劃沿二號(hào)、三號(hào)煤場(chǎng)間打入鋼板樁，利用鋼板樁的抵抗力，平衡因三號(hào)煤棚開挖土間失去的側(cè)向壓力，從而順利對(duì)二號(hào)煤場(chǎng)進(jìn)行開挖。從現(xiàn)場(chǎng)開挖探孔看，碎石土層2～3m 厚度不等，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)鋼板樁估計(jì)下沉困難，準(zhǔn)備采取輔助下沉方案，采取長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)帶鋼護(hù)筒鉆孔輔助鋼板樁下沉方法。

對(duì)A 軸交8～30 軸段南側(cè)基坑邊坡（靠近三號(hào)煤場(chǎng)側(cè)的邊坡）采用鋼板樁支護(hù)方式，鋼板樁采用拉森Ⅳ型，小鎖口打入，樁長(zhǎng)為9m，使用打樁機(jī)將鋼板樁沉入土內(nèi)，要求鋼板樁相鄰鎖口一正一反小鎖口打入，鋼板樁入土深度比新基礎(chǔ)基底標(biāo)高深約4.5m，拉森Ⅳ型鋼板樁規(guī)格為400×170mm，腹板厚度15.5mm，長(zhǎng)度9m，距樁頂1.5m 的樁腰位置，設(shè)置橫向槽鋼拉梁，將槽鋼與鋼板樁焊接形成整體。

鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)植入土層深度：基底標(biāo)高以下4.5m，土方開挖每段長(zhǎng)度不超過20m，多段跳挖累計(jì)長(zhǎng)度不得超過40m，同一時(shí)間基坑坑底最大暴露面積不得大于300m；基坑北側(cè)邊坡（靠近二號(hào)煤場(chǎng)）坡頂外3m 范圍不得堆載，基坑南側(cè)邊坡在3 號(hào)煤場(chǎng)干煤棚以內(nèi)6.5～7.0m 范圍不能堆載。

2.2 鋼板樁支護(hù)計(jì)算

2.2.1 抗彎計(jì)算

基坑內(nèi)側(cè)抗彎驗(yàn)算（不考慮軸力）

基坑外側(cè)抗彎驗(yàn)算（不考慮軸力）

式中：σwai—基坑外側(cè)最大彎矩處的正應(yīng)力（Mpa）

σnei—基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩處的正應(yīng)力（Mpa）

Mw —基坑外側(cè)最大彎矩設(shè)計(jì)值（kN.m）

Mn —基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩設(shè)計(jì)值（kN.m）

Wx —鋼材對(duì)x 軸的凈截面模量（m）

f —鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Mpa）

2.2.2 鋼板樁穩(wěn)定性計(jì)算

計(jì)算方法：瑞典條分法

應(yīng)力狀態(tài)：有效應(yīng)力法

條分法中的土條寬度：0.40m

滑裂面數(shù)據(jù)

圓弧半徑（m）R=10.585

圓心坐標(biāo)X（m）X=-0.140

圓心坐標(biāo)Y（m）Y=6.071

整體穩(wěn)定安全系數(shù) K=3.715 ＞ 1.30,滿足規(guī)范要求。

2.3 鋼板樁支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

按照設(shè)計(jì)要求樁頂部位移連續(xù)3 天位移增量達(dá)到3mm/d 或累計(jì)位移達(dá)到25mm，三號(hào)煤場(chǎng)既有干煤棚基礎(chǔ)水平位移增量達(dá)到3mm/d 或累計(jì)水平位移達(dá)到6mm，應(yīng)立即聯(lián)系設(shè)計(jì)單位采取專項(xiàng)處理措施。

項(xiàng)目部采取全站儀對(duì)三號(hào)舊煤棚位移變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在三號(hào)舊煤場(chǎng)每個(gè)獨(dú)立柱基礎(chǔ)頂端沿縱向軸線統(tǒng)一布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此監(jiān)測(cè)點(diǎn)為每個(gè)獨(dú)立柱縱橫軸線交匯點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)33 個(gè)，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量記錄分析，為方便監(jiān)測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)另行布置三個(gè)固定測(cè)控點(diǎn)（原點(diǎn)）用于現(xiàn)場(chǎng)校核測(cè)控?cái)?shù)據(jù)，原點(diǎn)裝好后需對(duì)原點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)，防止原點(diǎn)被破壞。在鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，用全站儀將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)、標(biāo)高值進(jìn)行測(cè)量并記錄在案；鋼板樁圍梁安裝前后，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量記錄；在基坑開挖期間，要每天早晚各一次進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果繪制成：時(shí)間、深度及數(shù)據(jù)變化曲線，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較；開挖完成后可每4 小時(shí)測(cè)量1 次，若變化在控制范圍內(nèi)，可不再增加監(jiān)測(cè)頻次；鋼板樁可以對(duì)鋼圍梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，比較每次在同一點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，更直接反應(yīng)鋼板樁變形情況，當(dāng)位移（變形）超過設(shè)計(jì)值時(shí)需立即采取控制措施防止變形擴(kuò)大，造成安全事故。

2.4 鋼板樁施工

2.4.1 鋼護(hù)筒施工

上述方案經(jīng)監(jiān)理、業(yè)主審批后開始施工，從西側(cè)第一個(gè)柱基開始放線下沉鋼板樁，鋼板樁垂直下沉?xí)r由于地層含有大量碎石致使鋼板樁跳動(dòng)異常，下沉緩慢，偏離軸線，雖加大下沉力度，情況仍無改觀，遂決定采取引孔輔助措施，輔助下沉鋼板樁，采用螺旋鉆機(jī)鉆孔，引孔孔徑600mm，引孔間距800mm，為防止鉆孔由于碎石層造成塌孔現(xiàn)象，在鉆孔前先下鋼護(hù)筒，使得鉆機(jī)在護(hù)筒內(nèi)鉆孔，鉆好的孔避開了碎石層，從而避免塌孔；護(hù)筒直徑800mm、長(zhǎng)度2m，護(hù)筒用6～8mm 厚鋼板卷制而成，內(nèi)徑比設(shè)計(jì)樁徑大 20cm，埋設(shè)深度 2.0m；護(hù)筒埋設(shè)前先設(shè)第一個(gè)護(hù)筒軸線控制樁，控制樁連線交點(diǎn)為護(hù)筒控制中心點(diǎn)，用來控制護(hù)筒下沉位置；下護(hù)筒前旋挖鉆機(jī)挖孔1.5m 左右，再用人工配合鉆機(jī)將護(hù)筒就位，護(hù)筒位置調(diào)整好后，用鉆機(jī)鉆桿將鋼護(hù)筒壓入土中，護(hù)筒頂高出地面 20cm，周圍填粘土并搗實(shí)，護(hù)筒要保證垂直、上口水平；用螺旋鉆機(jī)在護(hù)筒內(nèi)鉆孔，孔徑Φ600，孔深2.0m（主要是鉆過碎石層，進(jìn)入粘土層），護(hù)筒準(zhǔn)備兩個(gè)，操作時(shí)兩個(gè)護(hù)筒一起壓入土中，待鉆孔完成后，將護(hù)筒拔出，依次向前打入鉆孔、在拔出，直至88m 碎石層全部引孔完成。

2.4.2 鋼板樁施工

拉森鋼板樁采用專用機(jī)械施打，施打前對(duì)鋼板樁逐根進(jìn)行檢查，剔除連接鎖扣處的銹蝕、變形嚴(yán)重的鋼板樁。打樁前，在鋼板樁表面涂抹隔離劑，鎖口內(nèi)涂抹潤滑油，以方便鋼板樁的打入、拔出；機(jī)械將第一塊鋼板樁夾住，緩慢上提，當(dāng)鋼板樁提離地面約500mm 時(shí)，兩個(gè)操作工人上前將鋼板樁扶正，緩慢下入鉆孔內(nèi)，在調(diào)整好位置后，司機(jī)開動(dòng)振動(dòng)錘將第一根鋼板樁振入土中，鋼板樁外露200mm，在震動(dòng)下沉過程中要不斷調(diào)整鋼板樁位置，避免傾斜；第二根鋼板樁在鉆機(jī)提起后，操作人員上前將鋼板樁一端對(duì)準(zhǔn)第一根鋼板樁鎖口插入，另一端調(diào)整位置，準(zhǔn)確后壓入土中；第二根鋼板樁壓入土中后將第一根鋼板樁鉆孔部位回填密實(shí)，以此類推直至最后一根鋼板樁振入土中；在鋼板樁插打過程中每塊樁位偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于1%，當(dāng)偏斜過大不能用拉齊方法調(diào)正時(shí)，必須拔起重打；要保證鋼板樁開挖后入土不小于4.5m，鋼板樁鎖口部位密封好。

鋼板樁打入完成后進(jìn)行基礎(chǔ)開挖，基礎(chǔ)開挖至-2.5m 時(shí)，對(duì)鋼板樁進(jìn)行橫梁加固，在鋼板排樁靠近基坑側(cè)設(shè)置橫向拉梁，橫向拉梁采用20 的工字鋼，將一個(gè)個(gè)鋼板樁與橫向拉梁焊接形成整體結(jié)構(gòu)，橫梁設(shè)置在樁頂向下約1.5m 位置，使之于鋼板樁形成一個(gè)受力整體，共同抵御土的側(cè)向壓力；開挖完成后要隨時(shí)觀察鋼板樁的變化情況，若有明顯的傾覆狀態(tài)，立即采取措施回填基坑。

鋼板樁打入后，施工分三段進(jìn)行；第一段從西側(cè)開始，長(zhǎng)度28m，開挖后進(jìn)行土建程序施工，基礎(chǔ)回填后，開挖第三段（東側(cè)30m），基礎(chǔ)回填后，最后施工中間段。

2.4.3 鋼板樁的拔出

當(dāng)整個(gè)88m 相鄰區(qū)域土方回填結(jié)束后即拔除鋼板樁，利用振動(dòng)錘產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)，拔樁時(shí)，可先用振動(dòng)錘將板樁鎖口振活以減小土的粘附，然后邊振邊拔。對(duì)較難拔除的板樁可先用柴油錘將樁振下100～300mm，再與振動(dòng)錘交替振打、振拔。起重機(jī)應(yīng)隨振動(dòng)錘的啟動(dòng)而逐漸加荷，起吊力一般略小于減振器彈簧的壓縮極限。供振動(dòng)錘使用的電源為振動(dòng)錘本身額定功率的1.2～2.0 倍。如鋼板樁拔不出，可采用以下措施：

用振動(dòng)錘再復(fù)打一次，以克服與土的粘著力及咬口間的鐵銹等產(chǎn)生的阻力；按與板樁打設(shè)順序相反的次序拔樁；板樁承受土壓一側(cè)的土較密實(shí)，在其附近并列打入另一根板樁，可使原來的板樁順利拔出；在板樁兩側(cè)開槽，放入膨潤土漿液，拔樁時(shí)可減少阻力。擾動(dòng)土質(zhì)，破壞鋼板樁周圍土的粘聚力以克服拔樁阻力，依靠附加起吊力的作用將其拔除。拔樁順序與土方開挖方向一致。回填的方法采用填入法，填入法所用材料為石屑或中粗砂。

基坑回填夯實(shí)至原地面以下1m 后，開始拔除鋼板樁工序（僅拔除已施工完成段16m 鋼板樁）。拔除鋼板樁前，應(yīng)仔細(xì)研究拔樁方法順序和拔樁時(shí)間及土孔處理。否則，由于拔樁的振動(dòng)影響，以及拔樁帶土過多會(huì)引起地面沉降和移位，會(huì)給己施工的地下結(jié)構(gòu)帶來危害，并影響臨近原有建筑物的安全，設(shè)法減少拔樁帶土十分重要。

鋼板樁拔出后繼續(xù)對(duì)三號(hào)煤棚基礎(chǔ)沉降及位移變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直至整個(gè)88m 施工段擋煤墻施工完成為止，結(jié)束監(jiān)測(cè)測(cè)量控制。

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑開挖過程與支護(hù)結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，應(yīng)委托有資質(zhì)等級(jí)的監(jiān)測(cè)單位對(duì)鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

鋼板樁下沉過程中遇到礫石、砂礫地層，鋼板樁下沉困難，需要采取引孔輔助下沉，采用一般鉆機(jī)鉆孔，面對(duì)塌孔無法鉆進(jìn)情況，可以采用打入鋼護(hù)筒方法，在鋼護(hù)筒內(nèi)鉆孔，既防止塌孔又提高了鉆進(jìn)速度，鉆好孔后在打入鋼板樁，最后將鋼護(hù)筒拔出重復(fù)使用，節(jié)省時(shí)間，節(jié)約材料，降低成本，此方法將會(huì)在更多工程中使用。

3 結(jié)語

鋼板樁作為一種重要的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，施工速度快，在空間狹小不能采取放坡開挖區(qū)域靈活作業(yè)，適用于軟土地基，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件（碎石土、黏性土、地下水豐富區(qū)域）可采取多種組合方法施工；從費(fèi)用角度考慮，和噴錨支護(hù)費(fèi)用相當(dāng)，在后續(xù)施工中值得推廣應(yīng)用。