市政工程基坑中的鋼板樁應用

李玉才

（湖北地礦建設勘察有限公司，湖北武漢 430050）

0 引言

鋼板樁支護結構在國內外的建筑、市政、港口、鐵路等領域都有悠久的使用歷史。鋼板樁支護結構屬板式支護結構之一，適用于場地等條件受限的地下工程施工，基坑或基槽無法采用放坡開挖、必須進行垂直土方開挖時采用。鋼板樁是一種帶鎖口或鉗口的熱軋（或冷彎）型鋼，靠鎖口或鉗口相互連接咬合，形成連續(xù)的鋼板樁墻，用來擋士和擋水（在防水要求不高的工程中，自身防水基本滿足）；具有高強、輕型、施工快捷、環(huán)保、美觀、可循環(huán)利用等優(yōu)點[1]。

1 工程概況

沙塘安置小區(qū)周邊配套道路工程建設地點位于湖北省鄂州市新廟鎮(zhèn)。本次工程范圍為學府路及球團西路的雨水管、污水管基坑工程。擬建學府路（文塘路-球團西路）起點樁號為K0+040，終點樁號為K0+950，道路紅線寬度為30m，屬城市次干路。擬建球團西路（鄂東大道—吳楚大道）起點樁號為K0+035，終點樁號為K1+760.635，道路紅線寬度為30m，屬城市次干路。雨水管徑為0.8～1.8m，污水管徑0.5m。基坑支護用地范圍不得超出擬建道路紅線寬度。支護長度1126m，基底開挖寬度為3m，基坑挖深為5.0～8.0m。

2 工程水文地質

場地沿線地貌單元主要為剝蝕堆積壟崗及長江沖洪積二級階地，局部地段見剝蝕殘丘?？辈炱陂g，場地主要為農田、水塘、溝渠、菜地、村莊、林地及道路等。場地地段地勢有起伏較大，現(xiàn)狀地面標高在19.73～28.40m。

擬建場地巖土層自上而下主要由6 個單元層組成：第（1）單元層為人工填土層（Qml）、素填土混淤泥層（Qml）；第（2）單元層為第四系全新統(tǒng)沖積形成的一般黏性土層（Q4al）；第（3）單元層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積老黏性土、粉質黏土夾粉土、黏質粉細砂層（Q3al+pl）；第（4）單元層為花崗巖殘積土和紅黏土層（Qel）；第（5）單元層為燕山期侵入的花崗巖（η）；第（6）單元層為石炭系（C）灰?guī)r層及溶洞。

擬建工程沿線地表水體較發(fā)育，局部地段分布有魚塘、藕塘和溝渠等，地表水主要來源于地表散水和大氣降水的補給，以蒸發(fā)和下滲為主要排泄方式，同時與其鄰側填土層中的地下水之間存在一定的互補關系。本場區(qū)地下水按賦存條件，可分為上層滯水、層間潛水、孔隙承壓水、基巖裂隙水。

3 基坑支護設計

3.1 基坑重要性等級

根據基坑挖深、地質條件及周邊環(huán)境（無重要特殊保護對象，大部分場地較寬松，判斷周邊環(huán)境為一般）參照湖北省《基坑工程技術規(guī)程》（DB42/T 159—2012）標準，綜合考慮基坑工程重要性等級為二級。

3.2 支護設計參數

根據地勘報告及基坑支護結構影響深度范圍地層分布情況，統(tǒng)計相關地層的物理力學參數如表1 所示。

表1 地層物理力學參數

3.3 周邊荷載參數

基坑周邊施工荷載按30kPa 計入穩(wěn)定性計算，且施工荷載距基坑開口線距離不得小于3m，施工荷載不得超過設計值。

3.4 計算程序計算方法

本基坑計算和輔助設計軟件采用“天漢”軟件（V2015）。采用朗肯土壓力理論，按水土壓力合算，被動土壓力折減系數取1.0，臨時支護結構調整系數為0.95[2]。

3.5 基本設計思路

管道基坑開挖深度5.0～8.0m，大部分場地具備放坡條件，由于管道基坑施工工期短，隨挖隨填，從施工成本、施工可行性及安全因素考慮，優(yōu)先選用放坡開挖的形式。局部挖深7.0～8.0 區(qū)段為擬建橋梁，避免擾動擬建橋墩周邊地層，選用鋼板樁+內支撐+樁頂放坡的支護形式。本文主要介紹鋼板樁支護段的種植基坑支護設計。

3.6 支護方案

（1）拉森鋼板樁：采用長12m 新Ⅳ型拉森鋼板樁小鎖口打入。

（2）鋼支撐及圍檁：選用?478×12 焊接鋼管，縱向間距3.0m，雙拼型鋼HW300×300×10×15 圍檁，圍檁與鋼板樁間空隙采用C30 細石混凝土填實。

（3）樁頂平臺寬1.0m，樁頂坡高2.0m，坡率1∶1。坡面掛鋼筋網噴混凝土護坡，噴射混凝土強度等級C20，厚80mm，二次噴射?，F(xiàn)場拌制，配比為水泥：砂：石子：速凝劑＝1∶2∶2∶0.03。選用?6.5@250×250 鋼筋網，土釘為1m 長HRB400?16 鋼筋，與土釘連接部位，設雙向HRB400?16 加強筋，與土釘焊接。

3.7 支護結構構件信息

樁頂標高：-2.000m（24.3m），樁頂埋深：2m。

入土樁長：11.0m，樁排水平間距：1m。

鋼板樁型號：拉森鋼板樁FSP－Ⅳ型，壁厚為15.5mm，單片樁截面寬400mm，高度170mm，單片樁截面面積96.99cm2，慣性矩4670cm4，截面模量362cm3。

樁身計算截面幾何類型：矩形；計算面截參數：寬×厚=1000mm×340mm。

樁身每延米截面面積：0.02425m2；每延米截面慣性矩：0.000386m4；每延米截面模量0.002270m3。

鋼材質：Q235，彈性模量：200GPa。

圍檁：雙拼HW300×300×10×15 型、對x 軸截面凈截面模量Wnx=2657.70cm3、鋼材質：Q235。

支撐：?478×12 焊接鋼管，對x 軸截面凈截面模量Wnx=2270cm3、鋼材質：Q235。

4 支護結果計算

4.1 天漢計算結果

工程名稱：沙塘安置小區(qū)周邊配套道路工程管道基坑。

計算單元名稱：學府路污水管K0+457—K0+530

計算單元說明：基坑重要性等級：2，臨時支護結構調整系數：0.95，采用總應力法（水土合算），被動區(qū)無加固。

引用鉆孔名：QLK6，孔頂絕對標高：26.69m，結構±0.00=26.3m，采用整平標高作為計算地面標高，計算地面相對標高=26.3m，結構±0.00 與計算地面的相對高差：0m，最大開挖深度=8m，共4 工況。

結構信息：樁排結構，設計樁長：11m 方形截面，樁排截面高（垂直邊坡方向）：340mm，樁排截面寬（平行邊坡方向）：1000mm，嵌入坑底深度：5m，小于彈性嵌固特征深度：6.8m。

計算結果：最大位移：14.4mm，最大位移發(fā)生在相對標高=-7.10m（地面以下7.10）m，最大位移發(fā)生在工況：4/最大正向彎矩：27kN·m，最大正向彎矩發(fā)生在相對標高=-11.05m（地面以下11.05）m，最大負向彎矩：-144kN.m，最大負向彎矩發(fā)生在相對標高=-6.70m（地面以下6.70）m。

計算結果：最大正向剪力：69kN，最大正向剪力發(fā)生在相對標高=-8.79m（地面以下8.79）m，最大負向剪力：-51kN/最大負向剪力發(fā)生在相對標高=-4.61m（地面以下4.61）m，最小被動區(qū)彈性抗力安全系數=1.76，發(fā)生在工況4，滿足相關規(guī)范要求。計算結果如圖1 所示。

圖1 計算結果

4.2 型鋼圍檁截面強度驗算

學府路K0+457—K0+530 段污水管雙拼HW300型鋼圍檁支撐軸力標準值最大值Nk=50kN、支撐間距s=3.0m、支護結構調整系數0.95、恒載分項系數1.35、對x 軸截面塑性發(fā)展系數γx=1.05、對x 軸截面凈截面模量Wnx=2657.70cm3、圍檁型號：雙拼HW300×300×10×15 型、鋼材質：Q235。

支撐軸力設計值N=1.35ψtNk·s=1.35×0.95×50×3.0=192.375kN。

圍檁均布荷載q=N/s=192.375/3.0=64.125kN/m。

端部彎矩設計值W =qs2/12 =64.125 ×32/12 =48.10kN·m。

強 度 驗 算σ=M/（γx×Wnx）=1000×48.10/（1.05×2657.70）=17.25MPa＜215MPa，滿足強度要求。

4.3 鋼板樁截面強度驗算

學府路K0+457—K0+530 段污水管最大正彎矩標準值Wk=27kN·m、最大正剪力標準值Vk=69kN；最大負彎矩標準值Wk=-144kN·m、最大負剪力標準值Vk=-51kN；支護結構調整系數0.95、恒載分項系數1.35、對x軸截面塑性發(fā)展系數γx=1.05、對x 軸截面凈截面模量Wnx=2270cm3、鋼材質：Q235。

最大正彎矩設計值W=27×1.35×0.95=34.65kN.m。

最大正剪力設計值V=69×1.35×0.95=88.50kN。

最大負彎矩設計值W=-144×1.35×0.95=-184.68kN·m。

最大負剪力設計值V=-51×1.35×0.95=-65.50kN。

根據《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）第6.1.1[3]，鋼板樁截面受力狀態(tài)為單向受彎，最大抗彎強度計算公式簡化為：

抗剪強度滿足要求。

鋼板樁抗彎抗剪強度均滿足要求。

4.4 支撐強度及穩(wěn)定性驗算

支撐強度主要為抗壓強度，由軸力及彎矩（自重及施工荷載引起彎矩，安裝偏心彎矩）兩部分組成。穩(wěn)定性驗算分為平面內及平面外兩種。限于篇幅，省略計算過程。經計算本支撐強度及穩(wěn)定性驗算滿足要求。

5 需重視的施工技術要求

本項目施工主要涉及測量放線、鋼板樁、圍檁、內支撐、土方開挖及回填、土釘掛網噴混凝土等施工內容。本文強調以下兩個內容。

5.1 鋼板樁引孔及成樁

（1）鋼板樁樁端進入硬塑狀黏性土，應采用旋挖機（長螺旋鉆樁機、攪拌樁機）等機械引孔[4]。

（2）宜進行試成樁試驗。鋼板樁樁體不應彎曲，鎖口不應有缺損和變形。

5.2 開挖和回填施工

應符合下列規(guī)定：①基坑土方開挖的順序應與設計工況相一致，嚴禁超挖；基坑開挖應分層進行；基坑開挖不得損壞支護結構和工程樁等。②基坑周邊施工材料、設施或車輛荷載嚴禁超過設計要求的地面荷載限值。③基坑開挖至坑底標高時，應及時進行坑底封閉，并采取防止水浸、暴露和擾動基底原狀土的措施。④基坑回填應排除積水，清除虛土和建筑垃坡，填土應按設計要求選料，分層填筑壓實，對稱進行，且壓實系數應滿足設計要求[5]。

6 結語

市政工程管道基坑的施工場地受很多因素限制。全工段大放坡無施工可行性。灌注樁（有時組合內支撐）的支護類型費用高、支模澆筑（養(yǎng)護及拆除）的較長工期要求。鋼板樁結合內支撐與樁頂放坡具有施工安全高效、經濟環(huán)保、循環(huán)利用的優(yōu)勢，對保證工期、節(jié)省工程造價及統(tǒng)籌工程推進有較大參考價值，類似工程可以結合實際采取適合的鋼板樁組合類型。