钢板桩在铁路桥梁深基坑支护中的应用

段建国

(中铁三局集团有限公司，山西太原 030001)

钢板桩属板式支护结构之一，是一种带锁口或钳口的热扎(或冷弯)型钢，靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩墙，用来挡土和水，具有高强、轻型、施工快捷、环保、可循环利用等优点。钢板桩支护结构由打入土层中的钢板桩围护体和内支撑或拉锚体系组成，以抵抗水、土压力并保持周围地层的稳定，确保地下工程的安全。钢板桩支护结构形式主要可分为悬臂板桩、单锚(单撑)板桩和多锚(多撑)板桩等，此外常见的围护(挡土、挡水)结构还有桩板式结构、双排或格构型钢板桩围堰等。本文通过杭甬客专某特大桥跨西小江连续梁水中墩深基坑工程的设计计算与施工，采用静力平衡法、等值梁法对支护工程的设计与施工技术加以论述。

1 工程概况

杭甬客专某特大桥跨杭甬运河西小江设计为(60+100+60)m连续梁，主墩177号墩位于水中紧邻河岸处，设计为φ2.0 m钻孔桩、钢筋混凝土承台，承台尺寸为15.5 m×11.4 m，承台底面标高－3.78 m，承台顶面标高0.72 m，承台厚度4.5 m，河流最大洪水位标高5.32 m，最大水深5.47 m。经方案比选采用先筑岛，再打设拉森钢板桩，然后进行钻孔桩和承台施工的方法。筑岛顶面尺寸每侧大于承台3.0 m，筑岛顶面标高5.82 m，拉森钢板桩平面尺寸按承台尺寸每侧向外扩1.2 m控制，即为17.9 m×13.8 m，基坑开挖深度9.9 m(含0.3 m的基底钢筋混凝土垫层)，采用Ⅳ型拉森板桩。

桥墩处地质为①人工填土，厚度5.97 m;②2潮湿粉土，中密，厚度约3.98 m;②3流塑淤泥质粉质粘土，厚度约3.6 m;②6硬塑粉质粘土，厚度约1.3m;②6-2软塑粉质粘土，厚度约11 m。各土层物理力学参数见表1。

表1 各土层物理力学参数表

2 基坑支护设计计算

根据基坑开挖深度，该基坑采用多锚(支撑)钢板桩支护结构形式，设三道围檩和支撑，围檩采用H型钢，支撑采用外径609 mm钢管，角撑采用H型钢，总体计算分三个工况对支护结构进行验算。工况一，为设置三道围檩支撑，基坑开挖至设计标高;工况二，为浇筑0.3 m厚C40钢筋混凝土垫层，达到强度后拆除第三道围檩支撑，开始承台浇筑施工;工况三，为承台施工完成，用粘土夯实回填承台与钢板桩间隙后，拆除第二道围檩支撑，留第一道围檩支撑进行墩身施工。

2.1 钢板桩长计算

以水中最不利受力情况进行分析计算，最大洪水位5.32 m时，水深5.47 m;基坑周边由于工程车辆通行和施工，工程计算按距坑边1.0 m布置宽6.0 m的q1=20 kPa的均布荷载。支撑按等弯矩布置，即支撑各跨度间的最大弯矩相等。由于基坑底以下为粘性土，故基坑底以上按浮重度计算，基坑底以下不考虑浮力影响。

1)土体密度γ、内摩察角φ、粘聚力c的加权平均值计算。

基坑外侧：γam=18.4 kN/m3;φak=19.88°;cak=9.9 MPa。

基坑内侧：γpm=18.53 kN/m3;φpk=9.8°;cpk=14.82 MPa。

2)土压力系数。

3)计算桩顶最大容许悬臂长度。

其中，［f］为钢板桩的抗弯强度容许值，［f］=200×103kPa; γm为钢板桩墙后土的重力密度，γm=18.4 kN/m3;W为钢板桩每延米截面模量，W=2 037×10－6m3;Ka为主动土压力系数，Ka= 0.493。

考虑安全系数为2，h=3.23 m。

计算各层支撑跨度：h1=1.11h=3.58 m;h2=0.88h=2.84 m。

根据现场实际情况，考虑承台模板的安装、基坑开挖等，确定围檩及支撑各层跨度为h=1.0 m;h1=3.3 m;h2=3.0 m。

4)用顿恩近似法计算钢板桩的入土深度。

假定作用在钢板桩EB'段上的荷载EFN'B'，一半传至E点上，另一半由坑底被动土压力MB'R'承载，由图1可得：

由上式解得：x=10.11 m。

所以，板桩的总长度至少为：L=9.9+10.11=20.0 m。

其中，Kn为 的斜率;eak为基坑底MQ处主动土压力强度; eam为基坑底处浮重度产生的主动土压力强度;ew为基坑底处水产生的侧压力强度。

Ⅳ型拉森钢板桩实际长度取22.0 m。

图1 多层支撑钢板桩入土深度计算图（一）

2.2 支撑及围檩计算

工况一：按设置三道支撑围檩基坑开挖至设计标高计算：

距支护结构b1外侧，地表作用有宽度为b0的条形施工附加荷载q时(见图2)，基坑外侧深度CN范围内的附加竖向应力为：

图2 多层支撑钢板桩入土深度计算图（二）

设距基坑底y处土压力强度为0，即外侧主动土压力强度与内侧主动土压力强度相等，则由

设定各道围檩支撑承受相邻两跨各半跨上的土压力，可计算出各道横撑的支反力：

其中，Fn为所求围檩支撑承受的土压力，kN;D为支撑支点至钢板桩定的距离;hn为支撑支点至上一支点的跨度;hn+1为支撑支点至下一支点的跨度。

1)钢板桩强度计算。

假定支撑支点近视不转动，即把每跨都视作两端固定，并按最大跨度7.96 m和荷载最不利的基坑底部计算，荷载在该跨间等效换算成矩形荷载：q均=91.8 kN/m。

经计算Ⅳ型拉森钢板桩强度满足要求。

2)围檩强度计算。

由于基坑三面临水，且地界狭窄，考虑基坑仅从岸上一面开挖，故垂直于桥向不设横向支撑，顺桥向对称设两根支撑，每个角设两根角撑，基坑平面详细布置尺寸见图3。

第一道围檩采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm H型钢，第二、第三道围檩采用双拼H588 mm×300 mm×15 mm×20 mm H型钢;角撑采用与围檩同型号的H型钢;支撑采用外径609 mm、壁厚16 mm钢管。H400 mm×400 mm H型钢截面模量Wx=3 268× 10－6m3，截面静矩Sx=1 800.06×10－6m3，惯性矩Ix=65 361.6× 10－8m4，回转半径ix=17.45×10－2m;H588×300 mm H型钢截面模量Wx=3 993×10－6m3，截面静矩Sx=2 267.07×10－6m3，惯性矩Ix=117 398×10－8m4，回转半径ix=24.09×10－2m;外径609 mm钢管惯性矩 Jx=131 117.3×10－8m4，截面面积 A= 298.07×10－4m2，回转半径ix=20.97×10－2m。

图3 基坑支撑围檩平面布置图

本文以第三道围檩为例进行计算，围檩按不等跨连续梁作用均布荷载进行计算。

a.长边方向。

工况一，第三道围檩长边方向围檩受力分析简图见图4，均布荷载q3=F3=550.2 kN/m。

图4 工况一第三道围檩长边受力分析图

经计算最不利位置为中跨及D，E两支点处，跨中最大弯矩Mmax=521.15 kN/m;D，E两支点处最大剪力Qmax=1 182.93 kN，最大支反力Rmax=2 230.7 kN，最大弯矩Mmax=－750.5 kN/m。

b.短边方向。

工况一，第三道围檩短边方向围檩受力分析简图见图5，均布荷载q3=F3=550.2 kN/m。

图5 工况一第三道围檩短边受力分析图

经计算最不利位置为中跨及C，D两支点处，跨中最大弯矩Mmax=352.5 kN/m;C，D两支点处最大剪力Qmax=990.36 kN，最大支反力Rmax=1 886.5 kN，最大弯矩Mmax=－538.8 kN/m。

根据计算，工况一第三道支撑围檩长边受力最为不利，故按长边进行强度设计计算。

经计算工况一，第三道支撑围檩强度、刚度均满足要求。

3)支撑压杆稳定计算。

对钢管柱支撑及H型钢角撑进行压杆稳定计算。

a.工况一，第三道支撑围檩角撑稳定计算。

最不利角撑为双拼H588×300×15×20 mm H型钢，其长度l=6.19 m。

b.工况一，第三道支撑围檩钢管支撑稳定计算。

支撑为外径609 mm、壁厚16 mm钢管，其长度l=13.8－2× 0.588=12.64 m。

经计算工况一，第三道支撑围檩的角撑H型钢及支撑钢管的压杆稳定满足要求。

经计算其他工况的钢板桩、围檩、角撑及钢管支撑的强度和刚度均满足规范规定，计算方法同工况一第三道支撑围檩，在此不再细述。

依据规范要求，深基坑支护应根据水位、地质及支护结构受力特点的具体要求进行结构变形、抗渗透稳定性、基底突涌稳定性等验算。本工程由于拉森钢板桩已穿透硬塑粉质粘土层，土层不透水，且周边空旷，沉降要求等级低，结构变形、抗渗透稳定性、基底突涌稳定性等未做详细验算。

3 施工顺序及要求

施工工艺流程：放样定位→打设钢板桩→安装围檩支撑→开挖基坑→浇筑底板垫层→拆除底层围檩支撑→施工承台→拆除中层围檩支撑→浇筑墩身并回填基坑→拆除上道围檩支撑→拔除钢板桩。

3.1 钢板桩施工

1)钢板桩采用屏风式打桩法施工，即将多根钢板桩插入土中一定深度，桩机来回锤击，并使两端1根～2根桩先达到要求深度再将中间部分的板桩顺次打入，可防止板桩的倾斜与转动，围护结构要求闭合成环。2)准确放样定设钢板桩轴线，首先精确安装上层围檩，利用围檩作为钢板桩打设的导向架，上层围檩要求在加工厂精确加工、现场准确安装，并打设定位桩，以固定导向架。3)为确保钢板桩完整平顺和保证围堰的密封效果，对进场钢板桩要进行通过试验，即以人力或卷扬机拖动一块同型号长2 m～3 m的短桩，同时对两侧锁口进行通过试验检查，锁口通不过或桩身有弯曲、死弯等缺陷时，采用冷弯、热敲(温度不超过1 000℃)、焊补、割除、接长等方法加以整修。4)钢板桩在打设时，桩的锁口内，要涂以黄油混合物油膏(重量配合比为：黄油∶沥青∶干锯末∶干粘土=2∶2∶2∶1)，以减少插打时的摩阻力，并加强防渗性能。5)钢板桩沉桩应当保证其水平向、垂直向的线性和垂直度，同时注意后沉的钢板桩应与先沉入桩的锁口可靠连接。6)当基坑开挖后，如出现板桩锁口不严密的漏水现象时，可采用棉纱、橡胶条等进行嵌塞堵漏。

3.2 围檩支撑施工

1)按照先支撑后开挖的原则进行施工。即钢板桩打设完毕后，先开槽将上层围檩支撑设置好后，再进行基坑开挖。当基坑挖至第二、第三道围檩处时，亦要先设置围檩支撑体系，再向下开挖。

2)支撑安装要保持在同一水平面，钢围檩与钢板桩之间的间隙采用混凝土填筑，要使每根桩都能与围檩有良好的接触，以使结构均匀受力。

3)支撑体系完成后，土方挖至基底时要立即进行0.5 m厚垫层钢筋混凝土施工，要求垫层与钢板桩之间不留间隙，但要做好垫层与钢板桩之间的隔离措施。

4)垫层采用C40钢筋混凝土，垫层顶标高为承台底标高，垫层上下各设一层钢筋网，钢筋型号Q235、直径10、间距20 cm、保护层5 cm。

5)垫层混凝土强度达到要求后，拆除第三道围檩支撑，进行承台施工。

6)承台混凝土达到强度要求，并拆除模板后，用粘土回填承台与钢板桩的间隙，回填土应分层填筑并夯实，填土至承台顶标高处，拆除第二道围檩支撑，留第一道围檩支撑进行墩身施工。

7)墩身施工完成后，回填基坑，拆除第一道围檩支撑，最后拔除钢板桩。

4 结语

从工程实施情况看，本工程施工与设计计算基本一致，计算所选取的参数合理，能够满足实际工程要求。

钢板桩支护体系由钢板桩、钢围檩、支撑钢管及斜角撑组成，现场拼装焊接成整体支护体系，具有可重复周转使用、施工快捷、水密性好、占用空间小等明显的优越性;但由于其刚度小，变形较大，且打入和拔除对周边环境具有一定的影响，故对邻近变形敏感的建(构)筑物的基坑工程应慎重选用。

［1］ JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程［S］.

［2］ 刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.第2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.