拉森钢板桩在李溪渡泵站基坑围护中的应用

唐宇锋,徐学益

(1.浙江省水利水电建筑监理公司,浙江 杭州 310020;2.舟山市水务局,浙江 舟山 316021)

基坑围护方案、形式应根据工程自身的特点及基坑周边的环境、基坑等级、工期情况等多种不同的因素,综合选取最适合的围护形式,基坑围护形式合理与否将影响到工程建设的成败。本工程在复杂地质条件下,为满足地下室结构土建施工、保证周围环境安全可靠、确保工期等的要求下,采取拉森钢板桩组合围檩、支撑进行基坑围护形式,达到既经济合理又方便施工,提高工效的目的。

1 工程概况

浙江省舟山大陆引水二期工程Ⅲ标宁波陆上段李溪渡取水泵站位于宁波江北区庄桥李家村;工程项目由主泵房、辅机房、取水池、箱函等组成。主泵房基坑平面尺寸为14.1m×39.2m,地下室基坑底高程为-4.3 m,局部-4.8m;原地面高程为1.7m,降低高程1.7m,基坑实际开挖深度约4.3m,局部4.8 m,桩基础为直径φ600mm的混凝土灌注桩,桩底高程为-39.0～40.5m。西侧紧邻李溪渡一期泵站,北面为宁波的货运火车道,南面为姚江。根据地质勘探资料李溪渡泵站地质自上而下可分成5个工程地质层 (见表1)。

表1 土层物理参数表

续表1

2 围护设计及计算

为了保证基坑土方开挖的顺利进行和施工安全保障,根据现场施工场地和地质勘察报告情况,该工程基坑围护均采用拉森钢板桩组合围檩、支撑进行基坑支护,以达到基坑开挖围护挡土的目的,并减少对西侧李溪渡一期泵站基础的影响,起到支护边坡的作用,本文主要以拉森钢板桩在主泵房基坑围护及挖土的应用为例进行说明。

2.1 设计要点

(1)采用拉森钢板桩(SKSP-Ⅳ型),截面尺寸宽B=400mm,高H=170mm,厚T=15.5 mm,桩长12～15m;隔档排法;

(2)拉森钢板桩穿过淤泥层,进入淤泥质粉质黏土层;

(3)拉森钢板桩沿基坑四周连续设置成封闭的帷幕周长约100m;

(4)为保证基坑安全,基坑分2级放坡,第1级按1∶4放坡系数开挖1.7m至0.0m深,再在第2台阶施打拉森钢板桩,然后在拉森钢板桩顶部设置1道连续的规格为500 mm×300mm H型钢做为围檩;

(5)基坑四角及中间的支撑施工:在腰间和角部每隔5.0m再设1道规格为φ426mm×20mm钢管支撑以加强刚度及整体性;开挖土方前,首先按已确定的灰线开挖打拉森钢板桩基槽,采用200型挖机挖土,开挖深度至1.7m,待基槽开挖好后,开始打拉森钢板桩,拉森钢板打入后,开始挖土方至2.1m,并把土方拉运至离建筑物50m以外。在2.1m处开始安装第2档围檩、角撑,待围檩、角撑安装完成,开始第2次挖土。

2.2 钢板桩的受力计算

根据朗肯土压力公式[1].计算主动、被动土压力,等值法计算拉森桩入土深度,根据钢板桩入土深度,按单支护板桩计算,假定上端为简支梁,作用中桩后为主动土压力,作用在桩前的未被动土压力。

2.2.1 相关参数选取

(1)土层物理参数见表1。

(2)支护结构参数选择见表2。

表2 支护参数表

根据规范钢板桩的抗压弯设计值取[f].=200MPa。

2.2.2 钢板桩入土深度、基底稳定性设计

2.2.2.1 有关参数的取值

γ(kN/m3)、C(kPa)、φ(°)按 12.0 m 范围内加权平均值计算:γ平均=17.38;φ平均=19.26;C平均=8.83;Ka=tan2(45°-φ/2)=0.504;Kp=tan2(45°+φ/2)=1.984。γ平均为平均土容重,φ平均为土的平均内摩擦角,C平均为土的平均粘聚力,Ka为主动土压力,Kp为被动土压力。

2.2.2.2 钢板桩的入土深度

采用等值法计算钢板桩的入土深度见图1。

图1 钢板桩入土深度计算图

(1)计算反弯点位置,并计算其离挖土面的距离 y。在y处桩身主动土压力等于被动土压力 ,即设计偏安全考虑,取c=0:

y=(γKaH+qKa)/ γ(Kp-Ka)=2.360m

(2)求支点反力:根据GJ 120—99《建筑基坑支护技术规程》(4.1.1-3)中公式[2].:

Tcl=(hal∑Eac-hpl∑Epc)/(htl+hcl);∑Eac为设定弯矩零点以上主动土压力之和,hal为合力 ∑Eac作用点到设定弯矩零点的距离,∑Epc为设定弯矩零点以下被动土压力之和,hpl为合力∑Epc作用点到设定弯矩零点的距离,htl为支点到基坑底的距离,hcl为基坑底到设计弯矩零点的距离。

对 B点取矩,并令 ΣMB=0;则:Ta(H1+y)=Ea(H-za+y),za=H-(H/3)((3×h+H)/(2×h+H))=2.824 m,h=q/γ=37/17.38=2.13m;Ea=γ(h+H/2)HKa=190.467 kN/m,Ta=134.069 kN/m;Pb=Ea-Ta=56.398 kN/m。

(3)入土深度计算:计算桩体的最小入土深度:T0=y+x,x可以根据Pb和桩前被动土压力对桩底端的力矩相等的原理求得,即:Pbx=1/6×γ(Kp-Ka)3,经计算 x=3.627m,入土深度hd=(1.1～1.2)×(y+x)=(1.1～1.2)×5.987 m,系数取下限,则 hd=7.184m。

拉森钢板型钢板桩选用长度L=4.8+7.184 4=11.984 m＜12m,实际选用长度12m,入土7.2m满足要求。

2.2.3 钢板抗弯计算

根据内力计算,最大弯矩位置位于基坑底部。

拉森 Ⅳ钢板 Mmax=qHKa×[H/2-(H-H1)].+γKaH×H/2×[2/3H-(H-H1)].=347.32 kN◦m(每米宽度内),σ=Mmax/W=347.32×106/(2270×103)=153.00N/mm2＜[f].=200MPa,符合要求。

2.3 支护结构稳定性验算

2.3.1 基坑底部的隆起验算

基坑土质按饱和黏性土考虑,根据本工程地质报告地基不排土体抗剪强度τ=с=22 kPa,地基土平均重度γ=17.38 kN/m3,考虑基坑顶部荷载距离基坑有一定距离,取 q=20 kN/m:抗隆起稳定性安全系数Ks=2πс/(q+γh)=1.335＞1.2,故不会隆起。

2.3.2 基坑底的管涌验算

基坑深度4.8m,土浮重度γ'=γ平均-γw=17.38-10=7.38 kN/m3,根据地质勘测报告中地下水位高程及基坑开挖底高程计算地下水位至坑底距离h'=4.8+1.4-1.5=4.7m,取抗管涌安全系数 K=1.5,则:T=(Kh'γwγ'h')/2γ'=2.426m＜7.2m(钢板桩入土深度),故不会发生管涌。

2.3.3 基坑整体稳定性验算

图2 围檩受力示意图 单位:m

基坑整体稳定性验算采用软件计算,求得抗倾覆安全系数为2.84,大于规范规定安全系数1.15,合格,满足规范要求。

2.4 支撑围檩验算

支撑围檩验算成果见图2。

由以上计算可知:q=Ta=134.069 kN/m(均按4.8 m深基坑进行验算)。

2.4.1 围檩部分验算

围檩材料采用300mm×500mmH型钢,材料截面特性见表3。

表3 H型钢围檩参数表

则EA=2.06×1 011×146.4×104=3.015 84×106kN;EI=2.06×1 011×60 800×108=1.252 5×105kN◦m2

支撑材料采用壁厚20mm,φ426mm钢管,材料截面特性见表4。

表4 钢管特性参数表

则EA=2.06×1 011×255.10×104=5.255 06×106kN;EI=2.06×1 011×52 689×108=1.085 39×105kN◦m2

2.4.1.1 围檩强度计算

进行长边计算,采用结构力学求解器进行抗剪和抗弯验算见图3。

图3 围檩结构受力示意图

由上可知:Mmax=265.08 kN◦m,则 f=Mmax/W=105.190 N/mm2＜[f].=200 N/mm2,故围檩强度满足要求。

2.4.1.2 围檩挠度计算

围檩挠度计算见图4。

根据软件计算边跨最大挠度w=4.514 mm＜[w].=4 800/250=19.2mm,故围檩挠度满足设计要求。

同理进行短边计算,均符合设计要求。

图4 围檩结构挠度示意图

2.4.2 支撑部分验算

支撑部分为轴心受压构件,由上述可知,除角撑部位外,最大轴心力R=681.61 kN。N=R=681.61 kN,支撑计算按2边铰支计算,l0=l=14.1m,λ=l0/i=95.72,查表可知轴心抗压稳定系数 φ=0.620,则 f=N/(φA)=43.096N/mm2＜[f].=200 N/mm2,故内部支撑强度符合设计要求。

同理对角撑部分计算,角部支撑强度符合设计要求。

3 围护施工

3.1 拉森钢板桩检验

由于该工程为拉森钢板桩用于基坑的临时支护,故不需进行材质检验而只对其做外观检验,以便对不符合形状要求的钢板桩进行矫正,以减少打桩过程中的困难。外观检验包括表面缺陷、长度、宽度、厚度、端头矩形比、平直度和锁口形状等内容。检查时应注意:①对打入钢板桩有影响的焊接件应予以割除;②有割孔、断面缺损的应予以补强;③若钢板桩有严重锈蚀,应测量其实际断面厚度,以便决定在计算中是否需要折减。原则上要对全部钢板桩进行外观检查,对不符合要求的钢板桩需进行矫正。

3.2 施工工艺流程

基线确定—定桩位—钢板桩施打—围檩、角撑—土建施工—拔桩

3.3 操作方法

(1)基线确定:施工员在基坑边龙门架上定出轴线,留出以后施工需要的工作面,确定钢板桩施工位置。

(2)定桩位:按顺序标明钢板桩的具体桩位,洒灰线标明。

(3)拉森钢板桩施打:采用单独打入法,即吊升第一支拉森钢板桩,准确对准桩位,振动打入土中,使桩端透过黏土层进入淤泥层。吊第二支拉森钢板桩,卡好企口,振动打入土中,如此重复操作,直至基坑拉森钢板桩完成。拉森钢板桩施打时,由于拉森钢板桩制作本身的误差、打桩时的偏差、施工条件的限制,使帷幕的实际长度无法保证按钢板桩标准宽度的整数倍,故此钢板桩帷幕最终封闭合拢有相当的难度。调整的办法,一般有采用异形钢板桩来闭合或通过调整帷幕轴线用标准桩实现闭合。由于该工程钢板桩墙精度要求不高,故采用后一方法来实现转角的闭合,即在转角处两侧各以10根钢板桩的宽度来调整轴线实现闭合。如出现部分钢板桩长度不足,可采用焊接接长,一般用鱼尾板焊接法。接长时避免相邻2桩接头在同一深度,接头位置错开1m以上,且宜间隔放置打桩。

(4)围檩、支撑、角撑:为加强拉森钢板桩墙的整体刚度,沿钢板桩墙全长设置围檩,围檩为1道连续的规格为500mm×300mm的H型钢,同时在基坑的腰间和角部每隔5.0m再设1道规格为500mm×300 mm的H型钢支撑以加强刚度及整体性。

(5)拉森钢板桩拔除:土建工程完毕后即进行钢板桩的拔除。采用振动锤等来进行钢板桩的拔除,即利用振动锤产生的强迫振动扰动土质,破坏钢板桩周围土的粘聚力以克服拔桩阻力,依靠附加起吊的作用将桩拔除。

拉森钢板桩拔除后留下的桩孔,必须及时做回填处理,回填一般用挤密法或填入法,所用材料为中砂。

4 基坑监测措施

为了科学地预测基坑支护的稳定和周边环境的变化,及时预报和提供准确可靠的变形数据,根据基坑围护形式及周围环境,直接在4条围檩上各布置基准线1条,长边上设置4个、短边设置3个监测点,西侧一期泵站及火车道上各布置10个监测点。监测频率根据现场情况,正常情况下1次/d,在挖土及有数据超出预警值或发生突变时,监测频率加密,通过监测,确保基坑及周边建筑物在施工过程中的安全。

5 施工过程中应注意的问题及处理措施

5.1 钢板桩打设

钢板桩的打设必须有足够的刚度和良好的防水作用,以满足基础施工要求,根据现场的施工条件,采用单独打入法,采用经纬仪和水准仪控制钢板桩的位置、垂直度及高程,保证工程钢板桩围护的施工质量,起到较好的支护和防水作用,确保工程顺利施工。

5.2 挖土

上部土体开挖完成施工围檩时,部分钢板桩不能与围檩紧密贴靠,在这些部分做加垫处理,使钢板桩的压力传到围檩及支撑上;挖土与围檩支撑施工紧密配合,当挖土达到围檩施工要求高程后迅速完成围檩及支撑结构,尽快使之产生整体作用;严格控制超挖,挖土时随时监测基坑支护的稳定和周边环境的变化,保证了围护结构及施工过程的安全。

5.3 钢板桩的拔除

拔除前应考虑拔除顺序及时间,否则会应震动影响和带土过多导致地面土体沉降,甚至影响已施工的地下结构物。本工程采取了跳拔,拔除顺序与打设相反。

6 结 语

监测数据表明,围护围檩顶位移平均为48mm,最大位移95mm,均在规范要求内,西侧建筑物及北面火车道的沉降位移远小于规范规定的限值,支护体系合理有效,达到了经济、高效、安全的预期效果,确保了工程的顺利进行。

[1].中华人民共和国建设部.JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》[S]..北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2].中华人民共和国建设部.GJ 120—99《建筑基坑支护技术规程》[S]..北京:中国建筑工业出版社,1999.