钢板桩围堰浅岩段预应力锚索抗滑桩的应用

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

0 引言

钢板桩围堰常用于港口码头、电厂取排水、造船厂等大型工程中。这些工程一般位于海陆结合区域，地质条件较为复杂，基岩面常常由陆域向海域延伸，并且高低起伏不一。尤其在近岸处基岩面埋藏较浅，而钢板桩一般不易入岩，且入土深度浅，导致插入比过小，使钢板桩围堰在浅基岩区域成为一个薄弱环节。在围堰基坑内进行开挖时，被动土压力减少，加之海域潮汐、波浪等周期性作用，都会影响到整个围堰的安全。根据对钢板桩围堰结构和地质条件、潮汐风浪的研究，借鉴了常用于边坡、滑坡治理的预应力锚索抗滑桩[1-4]，对钢板桩围堰浅基岩段进行加固。

1 工程概况

本围堰采用双排钢板桩，外形呈喇叭口状，围堰宽10 m，周长535.4 m。钢板桩采用拉森WRU26型，外排钢板桩顶标高为+6.0 m，内排+3.0 m，设计桩底标高-22.5 m或至基岩。围堰形成后在内侧施工水泥土搅拌桩，形成围堰基坑的围护体系，后续进行基坑开挖施工内部结构。

围堰西侧为岸边，东向海域方向延伸约160 m。西侧基岩区向东逐步过渡到海域，海域地貌为海涂滩地，滩地表面地形较为平坦，绝对高程在-0.5～-1.0 m。海域地层分布主要为①3层流泥、②层淤泥、③层黏土等，强度较低，其下为基岩。钢板桩插入深度范围内土层主要为软土性的淤泥、淤泥质土、黏土等。

本工程区域潮汐系东海潮波，每日2次涨落，属正规半日潮流性质。工程处设计潮位采用三门健跳潮位站实测资料统计值，20年一遇设计高潮位为4.79 m，20年一遇设计低潮位为-3.62 m。工程区前沿海域具有风吹浪起、风停浪息和随季节变化的波浪特征。

2 工况条件

根据地质勘察报告及打桩记录，围堰南侧基岩面比原设计抬高较多，整个南侧区域外排钢板桩桩底标高在-5～ -10 m，内排钢板桩桩底标高在-9～-13 m，较原设计的基岩底标高抬高8 m左右。结合地质资料，从内、外排钢板桩桩底标高来看，围堰南侧部分的基岩面整体倾向基坑内（图1）。

图1 围堰南侧钢板桩桩底情况示意

结构施工阶段，在围堰基坑内，该处最大挖深将达到-7.2 m，而高潮位期间，最大潮位将达到+3.5 m以上，从围堰整体分析，将围堰主体模拟成重力坝，基底面向基坑内倾斜，最大达29.3°，围堰间土层主要为淤泥，下覆直接是基岩，围堰的滑移可能性非常大。高潮位期间，围堰内外的高差为10.8 m，加上风浪的影响，主动水土压力较大，而围堰内侧仅有宽不到4 m的深搅桩作为支护，坑底距钢板桩根脚最小距离仅2.5 m，围堰亦有整体倾覆的风险。经计算复核，一旦开挖至坑底，围堰将有滑移及整体倾覆的危险，必须采取措施才能进行开挖。

受现场条件制约，围堰宽度逾100 m，采取对撑的方式既不经济也不合理；整个基坑内土层均为软弱土，斜支撑也无固定支点，因此直接增加支撑的方式行不通；增加深搅桩加固的宽度可以提高被动区的土压力，使围堰基坑稳定，但受永久结构边线限制，无法再增加深搅桩加固的宽度。

考虑到该处的基岩面较浅，可采用冲孔桩进行处理。增加冲孔桩后，一方面相当于增加了抗滑桩，限制了钢板桩根脚的滑移，同时利用冲孔桩自身的刚度，也可防止围堰倾覆。根据相关文献[5,6]，一般抗滑桩需嵌入下部固定端1/3桩长左右，根据相关验算，此处需嵌入基岩6 m以上，且桩身直径及配筋率较大，费用较高，且对已完成的深搅桩挡墙将造成大范围破坏。

综合上述分析，利用原有深搅桩及围堰自身的抗力，通过采取在围堰内侧进行拉锚的措施可解决围堰基坑开挖稳定性问题，同时应考虑围堰整体在根脚处滑动的可能性。围堰基岩浅区域的基岩地形外高内低，正有利于设置锚索。锚索在施工时，对原围堰的整体稳定性影响很小，不会对围堰芯土造成大范围扰动。在围堰根脚处设置抗滑桩，防止由于基岩面内倾造成的滑移，从而确保围堰的安全。

3 锚索抗滑桩设计方案

在内侧钢板桩，水平间距1.3 m设置锚索，内锚固端头进入微风化岩层6 m，另一端设置在钢筋混凝土连系梁上。同时为了防止内侧钢板桩根脚的滑动，在靠近内侧钢板桩根脚的位置采用阿特拉斯钻机引孔，设置抗滑短桩，采用φ108 mm钢管，入岩1 m以上，然后设置高压旋喷桩，使内侧钢板桩与深搅桩挡土墙贴合紧密，保证受力的整体性。

根据实际基岩面，为了保证锚索可以从外侧钢板桩底穿过，锚索的倾角一般控制在40°～50°之间，尽管锚索的角度较大，水平分力损失较多，但增加了锚索的垂直分力，使钢板桩根脚更加稳定。

根据打桩时获取的基岩面的埋深，主要验算如图2所示的2个剖面，分别为钢板桩插入深度最浅的断面和基岩面倾斜角度最大的断面。

图2 计算断面示意

为简化计算，视锚索与钢板桩的锚固点固定不动，锚索的拉力为已知[7]。计算分2步进行，首先将双排钢板桩围堰及内部的芯土、拉杆围檩系统作为一个整体进行验算，即将围堰主体模拟成重力坝，水土压力根据土性采用水土合算；然后将双排钢板桩分开，以内排钢板桩及锚索抗滑桩作为支挡结构进行计算。

首先视围堰为一整体重力坝，依据浙江省《建筑基坑工程技术规范》，以钢板桩插入深度最浅断面（1-1剖面）为例，建立如图3所示的模型，根据验算结果，该验算围堰的抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性均满足规范要求。

上述验算将围堰断面作为一个整体考虑，为安全起见，将内、外排钢板桩分离，以内排钢板桩、锚索抗滑桩作为支护结构，验算围堰的抗倾覆能力。取基岩面较浅的1-1剖面，根据规范要求，以新增锚索以下部分土压力进行抗倾覆验算，建立如图4所示的计算模型，根据验算结果，满足安全要求。

图3 剖面验算模型一

图4 剖面验算模型二

4 锚索抗滑桩加固效果

选择基岩面最浅的区域作为分析对象，该区域基坑开挖深度为-6.7 m，各施工阶段具体为：2012年3月15日开始开挖，当日挖至坑底；3月19日浇筑底板完成；3月28日浇筑上部结构。

由基坑开挖过程中的锚索顶部位移数据可见（图5），由于采用了锚索以及嵌岩桩锁脚，挡土墙的位移变化很小，开挖至坑底时，最大变形为10 mm；开挖后结构施工期间，挡土墙的变形基本保持稳定，甚至略有减少。从最大位移10 mm计算锚索实际伸长量为7 mm，与前述假定视锚索与钢板桩的锚固点固定不动较为一致。

图5 锚索端头水平位移

从测斜孔不同深度的变形情况来看（图6），最大变形位置位于测斜孔顶部。在基岩层以上，挡土墙的位移随深度增大而略有减小。参考地质勘察报告上ZK59（距离测斜孔约20 m）的剖面图，该钻孔显示在基岩层上均为软弱土。由于测斜孔进入基岩后可认为底端为固定点，因此整个挡土墙在基岩层以上为主要变形区，且其变形沿深度为近似线性变化[8,9]。

图6 测斜孔监测数据

5 结语

1）作为主要用于治理滑坡的预应力锚索抗滑桩，可在钢板桩围堰浅岩段使用，但需分析基岩的走向、倾向、层位等，如果基岩面较平缓或者顺锚索方向，则锚索在施工时可能存在无法入岩的情况。

2）本文中在钢板桩根脚处设置嵌岩钢管防止根脚滑移，利用了钢板桩作为抗滑桩的一部分，节约了成本，但在工程实践中需经充分验算。

3）与大型滑坡相比，由于围堰宽度较小，为简化计算，假设锚索与钢板桩的锚固点固定不动，且锚索的预应力为已知，从监测数据来看，与本工程实际情况较为一致。但为安全起见，对于大型滑坡等工程，宜按照变形协调计算结构体系的内力。