适用中浅基坑的简易钢板桩施工工艺与工程实践

任巍杰

摘要：随着钢板桩在施工建设中的不断应用，其工艺技术不断发展及成熟。针对施工场地狭窄、环境复杂的中浅基坑开挖工程，本文开发了一种利用炮锤振捣沉桩的钢板桩施工工艺，设计并制作了相应的套筒装置。该钢板桩施工工艺成功应用于某热力小室基坑开挖工程中，围护效果显著，且施工成本较低。

Abstract： With the application of steel sheet piles in construction， its process technology has been continuously developed and matured. Aiming at the excavation of medium and shallow foundation pit with narrow construction site and complex environment， this paper develops a steel sheet pile construction technology using vibro-vibrating pile hammer to design and manufacture the corresponding sleeve device. The steel sheet pile construction technology has been successfully applied to the excavation of a thermal cell foundation pit. The effect of enclosure is remarkable， and the construction cost is low.

关键词：钢板桩；套筒装置；工字钢；炮锤；倒锥型

Key word： steel sheet pile；sleeve device；special steel；gun hammer；inverted cone

中图分类号：TU753.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0144-03

0 引言

随着我国工程建设项目的蓬勃发展，建设难度不断增加，尤其是在基础建设方面[1]。近百年来，在基础建设领域，钢板桩施工工艺不断被应用与完善[2]，体现了其稳定性好[3]、安全性高、强度较高及可循环利用等优点[4]，在码头、挡土墙、围堰工程、护岸、地基开挖等众多地下工程中被采用[5]。

21世纪以来，国内各大城市先后建设地铁项目，涉及众多的基坑开挖工程，在该领域钢板桩围护结构得到了丰富的应用[6]。目前钢板桩施工技术已经相当成熟，大工字钢板桩工程都由专业的队伍及机械施工，成本较高且专业性较强[7]，在一些中浅基坑的开挖中就显得比较昂贵，这就急需一种简单易行，成本较低，效果明显的钢板桩围护结构施工工艺[8]。

1 工程概况

某市地铁项目前期管线迁改工程中，影响主体结构南北向热力主管需向西迁改，移出主体结构范围内。依据市热力设计院设计图纸，需要在管线迁改位置建设四个热力小室，其中2号小室基坑设计开挖长18m，宽4.5m，深3.5m。另外2号小室周围建构筑物较多，相邻管线比较复杂。通过联系专业钢板桩公司咨询报价得知小型工程钢板桩每米合同价在8-9万元，为节省成本，项目部决定自己研究并实施完成基坑围护结构施工。

2 施工方案选择

本工程基坑开挖深度在3.5m范围内，根据地质勘探资料，开挖土层主要为杂填土和淤泥质土，主要成分为砂质粘土并含较多工业垃圾及腐殖物，硬度较软，固结力较差。2号小室基坑东侧为场内主要施工通道，西侧两米范围内有新改迁的煤气、给水管。综上所述，基坑无放坡开挖条件，由于复杂的地质环境，需要采用一种强度较高、稳定性好的基坑支护工艺，否则无法保证基坑稳定，避免发生坑壁滑坡等严重事故。常用的基坑支护方式有钢板桩，土钉墙、地下连续墙、钢筋混凝土灌注桩等等，考虑到施工场地狭窄、工期紧、施工成本等综合因素，项目部决定采用钢板桩支护形式。

该工程设计采用8m长40b工字钢作为钢板桩桩身主体，20工字钢作为围檩及支撑，围檩及支撑与钢板桩身采用焊接等可靠连接。桩身工字钢间距0.5m一道，纵向布置增加刚度，外露0.5m，桩顶之下1m处焊接一圈围檩，支撑工字钢间距2m一道，共设8道，其中四个拐角分别设置一道20工字钢斜撑。2号热力小室基坑围护结构平面图见图1，断面布置图见图2。

3 钢板桩施工工艺

3.1 工艺介绍

该工程采用自行采购的工字钢作为钢板桩桩身，利用挖机施压及炮锤击打的作用力使工字钢下沉就位，形成钢板桩围护结构。为保证施工，设计制作了一种工字钢套筒结构，可以将炮锤与工字钢有效连接在了一起，避免击打过程中发生脱落。主围护结构施工完成后，进行土方开挖，开挖到一定标高即架设工字钢围檩及支撑，与主桩身有效连接，形成一个稳定的基坑支撑体系。

3.2 钢板桩施工顺序

测量放样确定结构边线→开挖沟槽探明地下障碍物→工字钢进场、检验、端頭加工→确定桩位、安装导槽槽钢→工字钢起吊、挖机就位→将工字钢下压到固定位置→桩顶安装套筒装置、炮锤就位→锤击下沉工字钢到设计标高（桩顶高于地面0.5m）→基坑开挖到围檩以下0.5m→安装围檩及支撑→基坑开挖到设计标高→垫层及钢筋混凝土基础→2号热力小室结构→安装热力管→安装小室盖板及监测井→土方回填→工字钢拔出。

3.3 工字钢套筒装置

采用2cm厚钢板加工工字钢套筒装置，将该装置安装在炮锤炮头上，施工钢板桩时将套筒套在工字钢上端，利用炮锤向下的震动作用，将钢板桩振捣入地下设计标高。套筒装置为同尺寸的钢板对齐焊接而成，钢板尺寸与所用工字钢尺寸匹配，每个钢板中心预先切割大小不同的圆孔，圆孔的大小根据所用炮锤炮头尺寸而定。每块钢板中心圆孔的尺寸大小不一，焊接时钢板按圆孔大小顺序排列，使钢板焊接完成时内部圆孔成倒锥形排布。图3为工字钢套筒装置平面图，图4为该装置的剖面视图，其中D为与炮锤炮头直径相应宽度，d为套筒内空间与工字钢间活动距离。

要求钢板之间四周满焊，并保证焊接质量，从而增强整个套筒装置的刚度及稳定性。钢板中心圆孔应上下平滑过度，这就要求切割圆孔时切割面成一定的角度。套筒装置内部倒圆锥孔要求能完全插入炮头的尖端部位，将其套牢，两者之间的密合度要尽量高。

层状钢板体焊接好后，需要在钢板体的四周再焊接一圈薄钢板，薄钢板要求将钢板体围成整圈，上下突出的尺寸需根据炮头和工字钢的尺寸而定。该结构是防止钢板桩施工时炮锤的炮头和工字钢端头从套筒装置中脱落，需要一定的强度。在套筒结构的上部薄钢板对称部位焊接两个相同的钢环，用于绑扎悬吊钢丝绳，两端对称绑扎强度较高、大小相等的钢丝绳。钢丝绳被用来将套筒装置悬挂于炮头上部结构上，方便炮锤钢板桩施工。

3.4 钢板桩安装前准备

施工机械：210轮挖或履挖一台（带炮头）、小型吊车一台。

施工材料：100根40b工字钢（每根长度8m），安装前需将桩底切割成尖头；90m20工字钢用于做围檩及支撑；2cm厚钢板5m2做套筒。

施工人员：两名普工（配合吊装，调整钢板桩入导槽角度）、信号工一名（指挥工字钢的吊装及定位）、焊工一名（制作套筒）、测量人员一名（用于观测钢板桩下桩垂直度）。

3.5 施工技术要求

①工字钢套筒的加工需预先明确钢板桩所用工字钢的类型及型号，现场利用钢板加工，套筒长宽尺寸应略大于工字钢外边尺寸，控制在+1cm以内，且套筒下部与工字钢连接部位的高度应大于0.3m（根据现场实际情况确定），防止炮锤向下振捣时，套筒脱离工字钢。

②为防止炮锤较强的震动作用使得套筒变形破坏，要求套筒加工钢板具有较强的刚度，钢板焊接四周应严丝合缝，套筒悬吊应采用强度较高的钢丝绳，防止振捣时套筒脱落。

③为使钢板桩安装整齐且垂直度较高，需在钢板桩安装前于设计位置的两侧，利用工字钢铺设一条导槽，施工时将工字钢卡在导槽内，这样可以防止工字钢在下落过程中发生旋转扭曲。

④工字钢下端头需事先用氧气乙炔切割成单边尖头或中间尖头，减少工字钢受力面积，方便工字钢向下插入，减小硬土地层的施工难度且能有效的躲避碎石等小的障碍物。

3.6 施工注意事项

①导槽工字钢应焊接牢固，确保其不晃动，以便打桩时提高精确度。

②提前应进行试桩，炮锤炮头应铅垂向下，并与工字钢中心位于同一轴线上。

③吊起工字钢，应待其稳定、位置正确后，再振动下沉。工字钢每下沉1～2m左右，停止振捣，测桩工字钢入地垂直度，如若发现偏差，应及时纠正。

④沉桩中工字钢下沉速度突然减小，应停止沉桩，并向上拔起0.6～1.0m，然后重新快速下沉，如仍不能下沉，采取其他措施。

⑤待工字钢振动插入地下到设计标高以上20-40cm时，调整炮锤，缓慢击打，防止超深。

4 变形监测

4.1 钢板桩变形监测

在钢板桩上选定测点，要求测量人员在土方开挖期间定期进行观测，并将观测数据进行记录与比对，数据变化较大时及时通知管理人员并采取有效措施进行防控。检测的主要项目是钢板桩测点的沉降变化和位移变化。

4.2 周边建（构）筑物及管线变形监测

要求对基坑周边20m范围内的建（构）筑物固定位置及10m范围内管线地面进行测点布控，并进行定期巡视及监控，发现地面沉降过大、房屋墙壁开裂、路面出现裂缝等情况，应立即停止基坑开挖，并及时采取有效措施。

5 钢板桩围护效果分析

2号热力小室基坑钢板桩共计施做94m，基坑开挖开挖过程中对周边建构筑物及管线的沉降及变形进行了严密的监测，建构筑物没有发生明显的沉降及变形。基坑开挖后各工字钢排列整齐、连接紧密，小室施工过程中，基坑边坡较稳定，未发生边坡失稳及局部塌陷的情况。

另外，本次基坑围护钢板桩施工的成本较低，材料费：工字钢加钢板共计9.5万元；机械台班：210轮式挖机（带炮锤）半个台班加20t汽车吊半个台班共计0.5万元；人工费：共计0.1万元。施工成本合计10万元左右。待热力小室施工完成土方回填后，可利用挖机将对工字钢拔出回收利用，这极大的降低了材料成本，故本项目围护结构的实际施工陈本约3.5万元左右。

可见，利用该钢板桩施工工艺的施工成本较低，且效果显著。

6 结论及工艺前景

该钢板桩施工工艺效果显著，设计的套筒装置简单方便、价格低廉，钢板桩施工方法灵活多变，摒弃了之前需要的专业施工队伍及专业施工机械，极大的降低了基坑围护的施工成本。

本钢板桩施工方法可以利用施工场地的常见的钢板材料及通用挖机等机械进行施工，施工成本较低，适用于深度为5m范围内的各类基坑围护施工。

参考文献：

[1]卢晓斌.钢板桩的应用与开发[J].铁路采购与物流，2009（9）：33-35.

[2]卢文申.钢板桩工艺沟槽支护施工方案[J].价值工程，2017（36）：124-125.

[3]Greimann， L.，Stecker， J..Maintenance and Repair of Steel Sheet Pile Structures. Repair， Evaluation，Maintenance， and Rehabilitation Research Program[R].

[4]王美花.鋼板桩支护的稳定性分析及经济性研究[D].中国石油大学（华东），2008.

[5]崔浩.钢板桩围堰的设计与施工[J].公路，2008（2）：68-71.

[6]张海通，张红秀.钢板桩施工质量控制[J].人民长江，2000（11）：5-6.

[7]王海燕.一种钢板桩和钢管桩组合围堰及其制作方法（专利技术）[Z].上海市政工程设计研究院，2006.

[8]卢明.钢板桩在支护工程中的应用[J].价值工程，2010（21）：98.