錨拉式雙排鋼板樁在軟土基坑中的應(yīng)用研究

鄭建建 宣鋒 許大鵬 張國榮

1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

2.上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司 200092

3.西安水務(wù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 710000

引言

鋼板樁具有強(qiáng)度高、隔水性好、施工便利、可完全回收、綠色環(huán)保、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)［1］，近年來大量應(yīng)用于基坑支護(hù)工程中。然而鋼板樁屬于柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，剛度較小，工程應(yīng)用中為了控制鋼板樁支護(hù)的位移，保證基坑支護(hù)的安全穩(wěn)定，常常需要設(shè)置內(nèi)支撐或錨桿。對于給排水場站工程，由于主體結(jié)構(gòu)防水要求高，工期往往比較緊張等原因，一般不適合設(shè)置內(nèi)支撐；而主體結(jié)構(gòu)周邊生產(chǎn)管線、雨污水管線、閥門井較多，也不適合采用錨桿。

錨拉式雙排鋼板樁由前排鋼板樁、后排鋼板樁、錨索和槽鋼圍檁組成，土壓力主要由前排鋼板樁承擔(dān)，后排鋼板樁主要為前排鋼板樁提供錨拉力，也承擔(dān)一定的土壓力。它具有鋼板樁的各種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不需要設(shè)置內(nèi)支撐和錨桿，是一種綠色的基坑圍護(hù)方式。

1 錨拉式雙排鋼板樁應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

1.1 工程應(yīng)用現(xiàn)狀

徐輝等［2］將雙排鋼板樁應(yīng)用于凈水廠閥門井，基坑深度4m～6m，前后排鋼板樁采用卡槽式拉桿連接。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，鋼板樁整體變形處于允許范圍內(nèi)，側(cè)壁未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠。

周云榮等［3］在南昌市某砂土地區(qū)“坑中坑”中應(yīng)用了雙排錨拉鋼板樁?？又锌庸こ?，屬于臨時(shí)工程中的臨時(shí)工程，在保證安全的前提下，選擇雙排鋼板樁這種快速、環(huán)保、可回收的支護(hù)方式非常合適。

晏明等［4］采用Plaxis有限元軟件對雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了雙排鋼板樁排距的優(yōu)化取值范圍。同時(shí)也提出拉錨式雙排鋼板樁圍護(hù)與剛架式雙排混凝土樁具有顯著的不同，直接套用雙排混凝土樁的計(jì)算方法會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。

上海浦東機(jī)場二期基坑［5］中登機(jī)長廊區(qū)域開挖深度6m～8m，采用鋼板樁作為錨碇結(jié)構(gòu)，形成雙排鋼板樁圍護(hù)體系?；娱_挖過程中發(fā)現(xiàn)錨碇鋼板樁的變形對圍護(hù)鋼板樁和錨拉鋼筋的受力有一定影響；圍護(hù)樁和錨碇樁之間的土體產(chǎn)生的變形會(huì)影響土壓力的傳遞和分布。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范情況

目前國內(nèi)已有較多關(guān)于雙排鉆孔灌注樁的規(guī)范，如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）［6］、浙江省標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB 33／T 1096—2014）［7］、甘肅省標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB 62／T 25—3111—2016）［8］、廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DBJ／T 15-20—2016）［9］等。其中除浙江省規(guī)范按照前后排樁中心距的不同分為錨拉型雙排樁、等效單排樁和門式剛架式雙排樁外，其余各規(guī)范雙排樁均是針對門式剛架式雙排鉆孔灌注樁的規(guī)定。目前尚無專門針對錨拉式雙排鋼板樁的規(guī)范，涉及到該種圍護(hù)方式的規(guī)范也較少。

《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》（CB／T 8524—2011）［10］和《鋼板樁支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（T／CECS 720—2020）［11］對雙排鋼板樁圍堰進(jìn)行了一些規(guī)定，前后排鋼板樁施工完成后在中間填入中砂、粗砂，需要能滿足沿坑底的抗滑移穩(wěn)定性，是一種重力式擋水圍堰結(jié)構(gòu)。它主要承受水壓力和波浪力，與用于陸地基坑的錨拉式雙排鋼板樁不屬于同一種圍護(hù)體系。

廣東省標(biāo)準(zhǔn)《深基坑鋼板樁支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DBJ／T 15-214—2021）［12］對雙排鋼板樁頂部連接以“宜”字條款進(jìn)行了一些規(guī)定，但并未給出具體做法；同時(shí)規(guī)定雙排鋼板樁宜采用有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，但未提供理論計(jì)算公式。

總體來看，目前尚無專門針對陸地基坑的錨拉式雙排鋼板樁圍護(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)范，實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用半理論、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

2 嘉興水廠工程應(yīng)用

2.1 工程背景及地質(zhì)概況

嘉興市區(qū)分質(zhì)供水工程，新增納濾系統(tǒng)土建規(guī)模50 萬m3／d，設(shè)備安裝規(guī)模30 萬m3／d，建成后將成為全球最大規(guī)模的市政供水納濾膜系統(tǒng)，分貫涇港水廠和石臼漾水廠兩個(gè)廠區(qū)。石臼漾水廠納濾車間基坑平面尺寸89m ×58m，開挖深度5.90m?；悠矫娉叽巛^大，且防水要求高，不宜采用內(nèi)支撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)；車間施工完成后周邊需埋設(shè)較多生產(chǎn)管線、雨污水管線，基坑圍護(hù)也不宜設(shè)置錨桿，故考慮采用懸臂式圍護(hù)。原設(shè)計(jì)基坑圍護(hù)采用頂部放坡1.6m ＋4.45m 寬水泥土攪拌樁重力式擋墻圍護(hù)，擋墻施工需要1.5 個(gè)月，養(yǎng)護(hù)還需要28d，圍護(hù)總工期約2.5個(gè)月，無法滿足項(xiàng)目工期要求。為節(jié)約工期，并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，考慮調(diào)整為錨拉式雙排鋼板樁圍護(hù)。

根據(jù)地勘報(bào)告，建設(shè)場地的土層力學(xué)參數(shù)如表1 所示，地下水位埋深為地坪標(biāo)高以下0.5m。

2.2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

基坑深度5.9m，前排鋼板樁采用12m 長熱軋U型鋼板樁，后排鋼板樁主要提供拉錨力，采用9m長熱軋U型鋼板樁。為避讓土層可能出現(xiàn)的滑裂面，前后排鋼板樁距離大于1.3 倍基坑深度，取8m；預(yù)應(yīng)力鋼絞線水平間距2m?；訃o(hù)剖面如圖1 所示。

圖1 基坑圍護(hù)剖面Fig.1 Picture of foundation pit profile

2.3 周邊環(huán)境影響分析

為了進(jìn)一步分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形及基坑開挖對周邊環(huán)境影響，采用Midas-GTS 有限元軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算域水平范圍取到基坑以外4h（h為基坑開挖深度），豎向取4h。土體采用HSS 本構(gòu)模型［13，14］模擬，鋼板樁及鋼絞線采用彈性本構(gòu)模型模擬，基坑外超載20kPa，數(shù)值計(jì)算模型如圖2 所示。根據(jù)浙江省基坑標(biāo)準(zhǔn)［7］，基坑設(shè)計(jì)等級(jí)二級(jí)，坑外超載取20kN／m2。土壓力計(jì)算：填土按水土分算計(jì)算確定，黏性土按水土合算計(jì)算確定。采用北京理正公司的深基坑7.0 計(jì)算程序?qū)悠拭孢M(jìn)行計(jì)算，基坑圍護(hù)各項(xiàng)穩(wěn)定系數(shù)如表2所示，均滿足規(guī)范要求。

圖2 基坑圍護(hù)有限元計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of foundation pit profile

表2 基坑圍護(hù)穩(wěn)定系數(shù)匯總Tab.2 Summary sheet of stability coefficients of foundation pit support

根據(jù)計(jì)算，鋼絞線拉力標(biāo)準(zhǔn)值為97kN。為了驗(yàn)證后排鋼板樁是否能提供該錨拉力，在正式施工前進(jìn)行了專項(xiàng)拉拔試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，后排2m寬度9m 長鋼板樁所能提供的最大拉錨力為221kN，可滿足需求。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向變形如圖3 所示，坑底最大豎向位移23.9mm，坑外地表略有沉降，沉降最大值4.6mm，三倍基坑開挖范圍外地表沉降接近于0，不會(huì)對周邊環(huán)境造成影響。由于坑底隆起影響，前后排鋼板樁均有向上變形的趨勢，前排鋼板樁豎向位移12.1mm，后排鋼板樁豎向變形5.8mm，前排鋼板受坑底隆起影響更明顯。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形如圖4 所示，整體最大水平位移11.3mm，鋼板樁最大水平位移10.5mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［7］要求，并結(jié)合基坑深度及周邊環(huán)境條件，基坑設(shè)計(jì)等級(jí)二級(jí)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制值為0.7%h，基坑深度5.9m，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制值為41.3mm。原設(shè)計(jì)頂部放坡1.6m ＋4.45m寬水泥土攪拌樁重力式擋墻圍護(hù)，最大側(cè)向變形計(jì)算值36.6mm。錨拉式雙排鋼板樁圍護(hù)側(cè)向變形數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)［7］變形控制值要求和水泥土攪拌樁重力式擋墻變形計(jì)算值。

圖4 基坑水平變形（單位：mm）Fig.4 Horizontal deformation of foundation pit（unit：mm）

前后排鋼板樁頂通過鋼絞線相連，水平位移較為接近，相差1.2mm，這是由于鋼絞線在拉力下的軸向變形以及前后排鋼板樁豎向變形不一致導(dǎo)致的。

2.4 施工及現(xiàn)場實(shí)測

從基坑開挖到基坑回填完成整個(gè)施工過程中，坑外地表沉降最大值3.7mm，數(shù)值模擬4.6mm；圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形14.5mm，數(shù)值模擬10.5mm；現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果均較為接近。施工過程中基坑安全可靠，未對周邊環(huán)境造成影響。

本工程基坑原設(shè)計(jì)水泥攪拌樁重力式擋墻工期需要2.5 個(gè)月；錨拉式雙排鋼板樁施工加鋼絞線張拉總工期1 個(gè)月完成，節(jié)省工期1.5 個(gè)月，工期節(jié)省約60%，有效加快了工程進(jìn)度。

3 結(jié)論

1.錨拉式雙排鋼板樁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形計(jì)算值小于水泥土攪拌樁重力式擋墻變形計(jì)算值，實(shí)測水平變形和坑外地表沉降小于規(guī)范要求值；相比于水泥土攪拌樁擋墻，錨拉式雙排鋼板樁可提高基坑安全性，保證周邊環(huán)境不受影響。

2.相比于水泥土攪拌樁擋墻，錨拉式雙排鋼板樁施工便利，不需要養(yǎng)護(hù)，可大大減少工期；費(fèi)用低于水泥土攪拌樁擋墻，更遠(yuǎn)低于雙排灌注樁。

3.錨拉式雙排鋼板樁止水可靠、綠色可回收，不需要設(shè)置內(nèi)支撐和錨桿，不會(huì)影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工和構(gòu)筑物周邊管道施工，適用于防水要求高的地下結(jié)構(gòu)以及周邊管線較多的給排水場站基坑圍護(hù)。