钢板桩在深基坑支护施工中的应用

　　摘要：近年来，深基坑的出现,给施工管理带来了很大的困难，尤其是深基坑的支护方式更是施工管理人员的重点研究对象。如何做好深基坑管理,以便结构主体施工能够得以顺利、高质量的进行,成为了当前急需解决的一个课题。

　　关键词：深基坑,钢板桩

　　临近营业线施工，最重要的就是保证既有路基稳定性，临近营业线的深基坑施工就成了更大的难题，传统的临近营业线深基坑施工非常繁琐。随着新型材料钢板桩的出现，临近营业线深基坑施工有了新的、更适合的方法。它不仅能够满足保证既有营业线路基稳定、做成防水围堰，而且在施工方法上也简单易操作。

　　1 工程概况

　　1.1 工程桥址及相关概况

　　萧甬铁路绍兴县城区段改造工程柯桥特大桥，中心里程DK27+303.31;(K24+472.90～K30+133.72)全桥长5660.82m。柯桥特大桥位于浙江省绍兴县城区境内，左侧紧靠既有萧甬铁路、既有柯桥站和轻纺城大道，沿途经过水塘、河道、农田、菜地以及厂区、民宅。以工厂、民宅为主，河塘较多，场地地貌单元属于宁绍滨海冲积、海积平原，地势相对较平坦，底面标高约3.50～7.30m。

　　萧甬铁路绍兴县城区段改造工程柯桥特大桥承台开挖深度h2为3.0～6.8米，其中开挖深度超过5米的承台有22个，属于深基坑施工;新建线与既有营业线距离16.4～30.1米不等，承台边与既有营业线坡脚距离L0<15米的52个，大多处于临近既有线施工。

　　1.2 工程地质特征

　　(1)地层岩性及地质构造

　　经勘探揭示，在已实施的勘测深度范围内(73.65m)地层按地质年代、成因类型及岩土层性质自上而下分别为：第四系全新统(Q4)：①1填土、①2粉质黏土、②1粉质黏土、③淤泥质黏土、③11粉土、④1粉质黏土、④2黏土、④3粉土、④4粉质黏土、⑤1黏土、⑤2粉土;第四系上更新统(Q3);⑥1黏土、⑥2粉质黏土、⑦1粉质黏土、⑦11砾砂、⑦2细沙、⑧1粉细砂夹中砂、⑧2砾砂夹细角砾土、⑧3粉质黏土、⑧4砾砂、⑧5粉质黏土;第四系更新统(Q2);⑨1含砾粉质黏土;白垩系下统朝川组(K1C);⑩凝灰岩。场地一级构造单元属扬子准地台。根据区域地质材料及勘测，桥址区均被第四系覆盖，构造形迹不发育，地质构造相对简单，区域构造稳定性较好，但于基岩中有断层发育，已稳定。

　　(2)水文地质特征

　　拟建桥址区地表水系较发育，主要赋存于河塘沟渠，主要接受大气降水补给，排泄以侧向泾流为主，水量丰富。沿线场地地下水主要有两层：第一层为浅部地下水，以孔隙型潜水为主，主要受大气降水及地表泾流补给，地下水位变幅受附近江河水位的影响，水位随季节性有所变化。混合地下水稳定水位深度在地表以下0.20～2.60米。第二层为弱承压水，赋存于⑧层中砂、砾砂中，由于该层土粉黏粒含量较高，分析无良好的地下水补给源，泾流条件一般，该层水具有弱承压性。

　　2 基坑支护方式的确定

　　2.1 设计依据

　　根据上海铁路局工务处《关于重新公布影响营业线路桥设备安全施工有关规定的通知》(工路桥函【2009】181号)及《改建既有线和增建第二线铁路工程技术暂行规定》(铁建设【2008】14号)7.1.4条的规定，“临近既有线施工的桥涵和其他建筑物几处，应1：1.5向上推算，确定开挖对既有线影响程度。”

　　设定既有线铁路路堤高度为h1，开挖深度为h2，既有线路基坡脚到承台边的距离为L0，既有线路中心到承台边的距离为L1，接触网支柱外边到承台边的距离为L2。

　　2.2 基坑支护方式的确定

　　全桥的174个墩、2个桥台中，有22个为水中墩，经过现场重新核测，测得水中墩所在水域的水深在2.7~3.6m之间，根据现场实际情况，确定采用对承台部位进行筑岛填筑，根据筑岛完成后地面的实际测量得出水中墩的承台基坑开挖深度在5.6~6.8m之间，陆上墩所在承台基坑的开挖深度在3.0~4.3m。

　　桥址区段土质主要为淤泥质黏土，黏土等不稳定土体，再加上该桥与既有营业线并行并均在离既有营业线50m范围内，所以承台基坑开挖不适合采用放坡处理，针对现场情况、施工情况及预计成本等的综合评定，确定采用钢板桩围堰，钢板桩必须具有止水功能，具体支护方式分类如下：

　　为确保既有线设备及行车安全，结合我单位现场实际地质情况，全部承台全部采用钢板桩进行基坑防护，钢板桩刚性强，结构稳定并具有防水功能。

　　1.钢板桩长度的确定，遵循以下原则：

　　(1)当开挖深度h2<4m时，采用9m长的钢板桩;(2)当开挖深度4m

　　2.围檩层数的确定，遵循以下原则：

　　(1)当开挖深度h2<5m时，采用一道围檩支撑。(2)当开挖深度5m≤h2<6m时，采用两道围檩支撑。

　　(3)当开挖深度h2≤7m时，采用三道围檩支撑。

　　围檩采用工字钢，并采用钢管桩支撑。

　　2.3 力的检算

　　根据现场实际调查，按照基坑开挖支护类型，选取具有代表性的墩号进行检算。开挖深度h2<5m的基坑，离既有营业线距离最近选取最不利的51号进行检算，51号墩离既有线13.4m，开挖深度4.5m。开挖深度h2≥5m的基坑，均设一道围檩，52墩为水中墩开挖最深，离既有线13.5m，开挖深度6m。

　　1.外力计算

　　①作用于钢板桩上的土压力强度及压力分布图：

　　Ka=tg2(45-Φ/2)= tg2(45-20.10/2)=0.49

　　Kp=tg2(45+Φ/2)= tg2(45+20.10/2)=2.05

　　②钢板桩外侧均布荷载换算填土高度h：

　　h=q/r=20.0/16=1.25m

　　③钢板桩顶以上土压力强度Pa1：

　　Pa1=r×(h+0.25)×Ka=16×(1.25+0.25)×0.49=11.76KN/m2

　　④水位土压力强度Pa2：

　　Pa2=r×(h+1.35)×Ka= 16×(1.25+1.35)×0.49=20.38 KN/m2

　　⑤开挖面土压力强度Pa3：

　　Pa3=[r×(h+1.35)+(r-r’)(4.00+0.40)]×Ka

　　=[16×(1.25+1.35)+(16-10)(4.00+0.40)]×0.49=33.32 KN/m2

　　⑥开挖面水压力(围堰抽水后)Pa4：

　　Pa4=r’×(4.00+0.40)=10×4.40=44.00 KN/m2

　　总压力为Pa= Pa1 +Pa2 +Pa3 +Pa4=11.76+20.38+33.32+44.00=109.46 KN/m2

　　2.确定内支撑层数及间距

　　按等弯距布置确定各层支撑的IV型钢板桩能承受的最大弯距确定钢板桩顶悬臂端的最大允许跨度h0：

　　弯曲截面模量Wzo=0.00227m3，折减系数β=0.7

　　采用弯曲截面模量值Wz=Wzo×β=0.00227×0.7=0.001589m3

　　容许抗拉强度[б]=200MPa=200000.00KPa

　　由公式б=M/Wz得

　　最大弯距M0=[б]×Wz=200000×0.001589=317.8KN*m

　　①、假设最上方支撑位置与水位同高，则支点处弯距M’:

　　M’=Pa1×(H1-H2)2/2+(Pa2-Pa1)(H1-H2)2/6

　　=11.76×(5.1-4.0)2/2+(20.38-11.76)(5.1-4.0)2/6=8.85KN*m

　　②、根据上式判断可知，最大允许跨度h0由下式计算：

　　M0=Pa1h02/2+rKa(H1-H2)2[h02(H1-H2)/3]/2+(Pa2-Pa1)[h0-(H1-H2)]2/2

　　+(r+r’)[h0-(H1-H2)] 3/6

　　317.8=11.76h02/2+10×0.49×1.21×1.1h02/6+(20.38-11.76)(h0-1.1)2/2

　　+(16+10)[h0-1. 1]3/6

　　整理得：

　　4.33h03-3.006h02+6.229h0-318.35=0.00

　　解方程得：

　　h0=4.25m

　　各支撑按等弯距布置，则

　　h1=1.11×h0=1.11×4.25=4.71m;h2=0.88×h0=0.88×4.25=3.74m

　　h3=0.77×h0=0.77×4.25=3.27m;h4=0.70×h0=0.70×4.25=2.98m

　　故，至少需设置1层支撑。

　　注：由于计算时采用的均为理论性数值，保险起见，采用2层支撑。取h0=1.00m，h1=2.00m，h2=2.50m。

　　3.钢板桩入土深度及钢板桩总长

　　根据盾恩法求钢板桩的入土深度，由公式rHKa(hi+t)=r(Kp-Ka)t2整理得

　　(Kp-Ka)t2- HKa·t+HKahi=0

　　解得

　　t=2.44m

　　故钢板桩总长度L=h0+h1+h2+t=7.94m

　　选钢板桩长度为12m，实际入土深度为6.5m。

　　根据上述力的检算，可以确定上一节设置的围檩支撑和钢板桩长度选取合理有效，确保了全桥承台基坑使用上节支护方法的安全性。

　　3 钢板桩的施工工艺流程

　　3.1 施工准备

　　1)现场准备

　　在满足施工需要的前提下，平整场地，力求环境卫生，保持场容整洁。满足施工临时设施的要求。

　　组织测量放样并做好复核，明确施工范围，确保定位准确。做好控制水准点的保护。根据给定的坐标和高程，按照施工总平面图，进行施工现场控制测量放线，妥善设立现场标志桩，为施工过程中的钢板桩定位测设创造条件。

　　由于是临近既有营业线施工，施工范围内多各类地下管线，所以在承台钢板桩施工前必须采用管线探测仪进行探测或用人工开挖探沟探测开挖范围内的管线，及时通知设备单位进行迁改。在埋有管线地点附近作业时，施工前必须施工管线探测仪或用人工开挖探沟探查设施走向，设立安全警示标志，并安排专人现场监护。严禁施工挖掘机、装载机等大型机械盲目作业。

　　2)机械及材料准备

　　将施工所需要的机械在施工前准备做好，做好施工所需机械的使用计划，提前做好准备，对施工机械设备、运输设备进行全面检查，确保完好。确定机械行走路线及施工工序，确保既有线行车及设备安全。

　　3)测量放样

　　用钢筋头及白灰将桩位标明。所有桩位线、标高测放，必须有技术人员负责核算，并做好相应资料。

　　3.2 填土筑岛施工

　　根据现场的施工条件，在既有营业线与新建线之间以填土筑岛的方式做为施工便道，用以水中墩施工材料及机械设备的进出和混凝土的输送。并在承台所在位置采用填筑塘渣或A、B组填料筑岛的方式施工，填筑完成后压实填土或使填土得到充分沉降，防止承台施工中出现严重沉降情况。接下来技术人员测量放样出准确位置，为接下来钢板桩施工做准备。

　　3.3 钢板桩的安装

　　1、钢板桩的沉桩施工

　　钢板桩沉桩时第一根桩的施工较为重要，应该保证其在水平向和竖直向平面内的垂直度，同时需注意后沉的钢板桩应与先沉入桩的锁口应可靠连接。插打式打桩方法即将钢板桩一根根地打入土中。这种施工方法速度快，桩架高度相对可低一些，一般适用于松软土质和短桩。由于锁口易松动板桩容易倾斜，对此可在一根桩打入后，把它与前一根焊牢，既防止倾斜又可避免被后打的桩带入土中。

　　本工程承台基坑支护钢板桩施工采用插打式打桩方法，以增大施工速度。施工前对进场的钢板桩进行外观验收，对于锁口变形，锈蚀严重的钢板桩弃之不用，弯曲变形的钢板桩用油压千斤顶矫正。正式施打前，预先将钢板桩堆放到打设点附近，减少翻驳次数。

　　根据现场实际情况铺通施工机械行走路线，以便施工机械安全施工。钢板桩选用9m、12m小趾口的钢板桩，桩顶面高于地面约0.5m左右，钢板桩深入承台底面以下的长度宜大于承台至地面高度的1.5倍。打拔钢板桩均要按有关规定施工。钢板桩在打入前，清除钢板桩内的积泥和浮锈。当钳口钳住钢板桩后将桩吊至插桩点处进行插桩。插桩时锁口要对准。之后即可开始进行沉桩。

　　在打桩过程中，为保证钢板桩的垂直度，采用垂球检测并加以控制。开始打设的第一、第二根钢板桩的位置和方向必须确保精确，每打入1米测量一次，以确保钢板桩的垂直度。打至预定深度后，立即用钢筋或钢板电焊牢固，作临时固定。为防止锁口中心线平面位移，在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止钢板桩位移。钢板桩打设完毕，用水准仪测好标高后安装围檩及支撑。

　　2、钢板桩沉桩的质量控制

　　在钢板桩沉桩时容易产生以下问题影响钢板桩的质量：

　　1)打桩阻力过大不易贯入

　　这由两种原因造成。一是在坚实的砂层或砂砾层中打桩，钢板桩的阻力过大;二是钢板桩连接锁口锈蚀，变形，致使钢板桩不能顺利沿锁口而下。对第一种原因，需在打桩前对地质情况作详细分析，充分研究贯入的可能性，在施工时可伴以辅助沉桩办法，不能用锤硬打。第二种原因，应在打桩前对钢板桩逐根检查，有锈蚀或变形的及时调整。还可以在锁口内涂以油脂，以减少阻力。

　　2)钢板桩向行进方向倾斜

　　在软土中打桩时，由于连接锁口处的阻力大于钢板桩周围的土体阻力，形成一个不均衡力，使钢板桩向前进方向倾斜。这种倾斜要尽早调整，可用卷扬机钢索将钢板桩反向拉往后再锤击，或可以改变锤击方向。当倾斜过大，靠上述方法不能纠正时，可使用特别的楔形钢板桩，达到纠偏的目的。

　　3)将相邻钢板桩带走

　　这种现象常发生在软土中施打钢板桩，当遇到不明障碍物，孤石或钢板桩倾斜等情况时，钢板桩阻力增大，便会把相邻钢板桩带入。可以按下列措施处理：

　　(1)不是一次把钢板桩打到设计高程，预留一部分在地面上方，待全部钢板桩入土后，用屏风法把余下部分打入土中。

　　(2)把相邻钢板桩焊牢在围檩上。

　　(3)数根钢板桩用型钢、夹具连在一起。

　　(4)在连接锁口上涂以黄油等油脂，减少阻力。

　　(5)运用特殊塞子，防止土砂进入连接锁口。

　　钢板桩带入土中后，应在其顶部焊以同类型的钢板桩以补充不足的长度。

　　4)钢板桩转动

　　在水中或海上施打钢板桩时，由于波浪等作用的影响，特别是海面上导桩长度越长导向能力变弱后，钢板桩的沉桩可能会以锁口为中心发生转动而偏离位置，影响钢板桩的平整度和后期围檩的安装。为了限制钢板桩的转动，需要设置导架以保证施工精度，且在导架的导梁与钢板桩间应插入垫块。且应在法线和法线垂直方向设置经纬仪，精心观察避免转动。

　　3.4 围檩及内支撑的制作及安装

　　1)围檩制作及安装

　　钢板桩插打施工完毕即进行围檩施工，其主要作用是防止围堰变形。根据基坑开挖深度，钢围檩及支撑一般设置在板桩顶以下1.0m处左右，由于每个承台的开挖深度不同，要按具体开挖深度实际而定。根据设计位置在钢板桩内壁上焊围檩托架，然后吊装H350×350型钢围檩并焊接加固。不做支撑不能盲目开挖承台基坑内土方。

　　安装标高确定后，按可以安装长度焊接钢牛腿，然后分段吊装就位，要求紧靠围护钢板桩，上下外侧翼缘板要对齐，双拼连接板可以在场内预拼时烧焊好，整体吊装就位，两根接头处按节点要求处理。

　　工作面挖出、围檩安装完后，定出支撑两头中心点位置，确保支撑做到轴心受力。量出两接触点实际长度。有需电焊的部位均应保证等强度连接，焊缝厚度≥8mm。焊缝表面要求焊波均匀，不准有气孔、夹渣、裂纹、肉瘤等现象，严格执行焊接质量记录验收制度，每到工序完成后，必须清渣自检，由施工负责人员检查验收。

　　2)斜撑制作及安装

　　根据图纸设计要求，找好要安装斜撑的部位，确定安装标高，然后烧焊钢牛腿。量出两接触点实际长度。根据实测长度下料和拼接斜撑。钢斜撑采用与围檩同种材料的H350×350型钢。

　　在地面预拼装好后，由吊车起吊到位。钢斜撑与钢围檩安装必须平直，每根钢斜撑在全长范围内的弯曲不得超过15mm。钢斜撑工程质量是深基坑施工安全一个重要组成部分。

　　3)横撑安装

　　横撑安装按图纸设计要求，采用Φ300钢管，所有横撑拼接必须顺直，每次安装前先测量水平标高，以横撑的轴线挂线检验横撑的位置。工作面挖出、围檩安装完成后，定出横撑两头中心点位置，确保横撑做到轴心受力。量出两接触点实际长度，横桥向设置一道横撑。安装横撑前要对斜撑的焊接质量进行检查并合格方可开始安装，尽量不要产生补焊。

　　3.5 围檩及内支撑的拆除

　　在横撑、钢斜撑、围檩拆除前，首先要对基坑内的空隙部分进行回填并压实，以避免由于横撑、钢斜撑、围檩的拆除造成钢板桩向基坑内回趋，而导致坑外产生坍塌和裂缝，同时也可避免拔桩时带出泥土而产生的较大空隙。

　　1)斜撑及围堰拆除

　　首先用气割割去每根斜撑、横撑及围堰接头板，在正常情况下保证整根斜撑、横撑及围堰长度不变，用15T吊车慢慢吊出基坑，并拉好绳子，防止晃动，防止碰坏结构钢筋。

　　2)钢板桩及支撑的搬运和堆放

　　钢支撑除其他需要运走外，其余全部按规格分类，规格堆放到指定地点堆放整齐，准备下道工序横撑及围堰。拆除施工工艺按安装施工工艺倒序进行。

　　3.6 钢板桩拔除施工

　　本处钢板桩拔除施工采用振动方式拔桩。振动拔桩利用机械的振动，激起钢板桩的振动，以克服钢板桩的阻力，将桩拔出。这种方法的效率较高，由于大功率振动拔桩机的出现，使多根钢板桩一起拔出有了可能。承台混凝土浇筑结束达到设计强度，基坑四周经分层回填夯实后方可拔出钢板桩，确保既有线路基稳定。靠近既有营业线一侧的基坑回填料必须使用A、B组填料，并按照基床以下路基的压实标准夯实。

　　拔除时要加强现场控制，严防侵限。钢板桩拔除后的孔洞以A、B料或中粗砂随拔随回填。拔除钢板桩前，应仔细研究拔桩方法、顺序和时间。否则，由于拔桩的振动影响及拔桩时带土过多会引起地面沉降和位移，给既有营业线带来危害。

　　拔桩前，先将支撑从下到上陆续拆除。先选择一个较易拔除的钢板桩，将其拔出后，立即用A、B料活中粗砂回填，然后间隔两至三根桩再拔出另一根，按此循环依次拔出，拔桩起点应离开角桩5根以上。拔桩时，可先用振动锤将板桩锁口振活以减少土的粘附，然后边振边拔。对较难拔除的板桩可先用柴油锤将桩振下100-300mm，再与振动锤交替振打振拔。对引拔阻力较大的钢板桩，采用间歇振动的方法，每次振动15秒，振动锤连续不超过1.5小时。

　　3.7 既有营业线的变形观测

　　在拔除钢板桩期间对既有线路进行测量观测，认真对照线路状况，一旦发现异常沉降和变形立即停止施工，同时向项目经理部和设备管理单位现场监管人员汇报。测量结果应每天汇报，每天分析。

　　路基观测桩设置在紧靠护栏外侧既有线路基面上，观测桩应埋深2m以上。施工期间观测频次一般情况下不少于每2小时一次，打桩地段或路基变形速率较快或有持续变形时，观测频次不少于每1小时一次。路基水平位移或垂直位移变化量大于2mm/天，或累计变化量大于10mm时，必须停止施工，与项目部、监理单位和设备单位共同分析原因，制定补强措施，加强轨面养护，并等到路基、轨面稳定后方可继续施工。施工结束后应继续加强观测，时间不少于3天，频次不少于2次/天，变形观测应做好观测记录并经观测人员签认。

　　4 承台及地面以下墩身部分施工

　　开挖前，提前做好地面的防排水设施。基坑排水过程中，当出现大量沙涌应停止抽水，采取加固措施。

　　土方开挖时，须派专人观测临近既有线及管线的位置及土体情况。特别是最后全面土方开挖时，必须观测坡面稳定情况，当发现沿基坑顶面出现裂纹、坑壁松塌或遇涌水、涌砂时，应立即停止施工，加固处理后方可继续施工。挖方土应临时堆放至钢板桩外2m或立即运走，以保证其支护系统受力平衡，否则将影响支护系统。

　　基坑回填采用分层回填，承台施工完成达到设计强度后，开始回填承台顶面以下部分，此时可适当拆除一层围檩及内支撑;然后分节施工地面以下墩身部分，混凝土施工浇筑完成，待混凝土达到设计强度后回填地面以下部分基坑，此时方可进行钢板桩围檩及内支撑的拆除、钢板桩的拔除施工。

　　5 应急措施

　　5.1既有线路基边坡失稳或塌方

　　出现影响路基边坡稳定，危机行车的情况时，防护人员应让列车减速、有必要时让列车停车。施工负责人立即通知驻站联络员，向列车调度员申请不向事故隐患区段发放列车。如有列车接近，防护员急速奔向列车，奔跑过程中不停向列车显示停车信号(白天红色信号旗，夜晚红色灯光，白天无红色信号旗时，双臂高举头上向两侧急剧摇动，夜间无红色灯光时，用白色灯光上下急剧摇动)，将响墩放置在能赶到的地点钢轨上。施工负责人安排施工人员，在最短时间内用片石、装土编织袋等防护物资将险情或坍塌处土体帮填稳定后，并配合站段抢修线路，组织人员、机具抢修路基，检查线路状态和限界，撤出停车信号，及早报开通。

　　5.2机械倾覆侵入铁路行车限界

　　当机械倾覆侵入铁路行车限界，除执行通报制度外，项目部必须立即组织人力及设备将倾覆的机械移出铁路行车限界外，并检查线路状况，如线路符合列车放行标准，应报请开通线路。

　　5.3线路下沉或水平位移超标

　　施工过程中，线路下沉或水平位移超标，除执行通报制度外，还应停止钢板桩的安装、基坑开挖、拔出等施工，配合站段抢修线路，直到线路符合列车放行标准，开通线路。开通线路后应加强对线路及边坡的检查，待铁路设备状态稳定后并经设备管理单位确认许可方可重新开始施工，重新开始施工后应适当调整钢板桩施工工艺，如放慢施工进度等。

　　参考文献

　　1. 顾倩燕 高加云，中船第九设计研究院，钢板桩的设计与施工，中国建筑工业出版社，2009年

《钢板桩在深基坑支护施工中的应用》

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文章名称： 钢板桩在深基坑支护施工中的应用

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