浅谈拉森钢板桩在深基坑施工中的支护应用

曹欢

采用拉森板桩围护不仅施工工序简单、强度高，而且施工速度方面快捷、造价费用低，性价比高，所以在类似的基坑围护中得到广泛应用。本文结合案例来进行阐述。

1.工程概况

全厂节水与废水综合治理改造土建及拆除工程项目中的排泥池，考虑到项目工期要求紧，根据现场条件综合考虑，采用拉森桩进行基坑支护，在满足质量、安全和进度要求上均可满足。

根据设计图纸，在原有净水站系统新建一个排泥池，长度19.8m，宽度为4.2m，基坑深度5.2m，原地面标高为3.7m，地下水位标高为3.2m 左右。

2.支护结构设计

在本基坑的支护设计采纳IV 型拉森钢板桩，钢板桩的长度为12m。围囹均采用500mm×300mm×11mm×15mmH型钢，垂直距离设置1 道400mm×200mm×8mm×13mmH 型钢双拼水平支撑。水平支撑的标准间距为3m（见图1）。

钢支撑和钢围囹的自重由小牛腿来支承，小牛腿采用20#槽钢，小牛腿长度宜超过围囹外边5cm 以上，小牛腿与围护桩焊接、水平支撑和围囹连接，均双面角焊缝，且焊缝高度不小于8mm，牛腿每隔2m 设置一个。

3.施工技术措施

3.1 钢板桩的打桩

钢板桩的插打是一个比较重要的工序，对整个支撑体系质量的好坏起到决定性因素，所以首先必须选择正确的打桩技术，以确保钢板桩打桩完毕后形成一个刚度和防水性较好的支撑体系，以便对后续施工提供有效的施工安全空间[1]。

钢板桩插打的机械采用带震动锤履带式挖机。12m 的钢板桩在施打中，钢板桩容易向一边歪斜，如果以此累计的话，误差越来越大不易纠正，所以适合采用屏风式打入法，安装导架。

图1 钢板桩支撑平面布置图

封闭式钢板墙的施工，首先要从边角处开始插打，第一根钢板桩的打入质量决定着后续钢板桩的插打质量，开头没施工好，后续的延伸也会误差越来越大，导致整体误差越来越大。同时第一根钢板桩也是最难施工的，由于单根打入很容易向某一边歪斜，必须重视此问题，因此测量人员对钢板桩围墙的轴线测量是尤为重要的。

插打中必须监测每一根钢板桩的倾斜度，保证其倾斜度不超过2%。如果发现钢板桩的偏斜度过大，那么必须调整振动对其进行调整，如果调整后还达不到规范范围，必须拔起重新插打。

3.2 基坑挖土及钢管内支撑安装

土方开挖选用1 台长臂挖机施工，应该采取先支撑后挖土的形式，分别分层进行出土。

开挖深度＜6m 的基坑开挖分两个阶段，第一阶段挖到支撑下0.5m 左右，停止挖土安装内支撑，先将45cm 的牛腿焊在拉森钢板桩上，所有的牛腿标高必须一致，误差控制在1cm 之内，然后采用15T吊机两点起吊400mm×200mm的H型钢，安放在牛腿上，两端采用点焊在拉森钢板桩上，防止围囹水平位移。水平支撑采用吊机两点起点，临时搁置在牛腿上，同时吊机静止吊着防止滑落，水平支撑必须保持与围檩的垂直度，水平支撑与围囹的焊缝高度大于等于8mm，支撑完毕后挖土到基坑底以上30cm 左右，再采用人工挖土，以防止机械土方超挖，人工挖土至基坑设计底标高[2]。

3.3 钢板桩的拔除

拔桩时，可以先振动锤原地震动，目的在于减小锁口阻力及土的阻力，然后同振同拔。如果遇到引拔阻力较大的拉森钢板桩时，停止向上拔桩，同时原地振动控制在15min 左右，直至振活或者震松锁扣，达到锁口以及土的阻力[3]。

当钢板桩拔除的高度，比废水池底板高50cm 时，应暂停拔桩，先震动5min后，以便让土孔尽量填实一点，然后再继续往上拔。最后钢板桩拔除后土体上留下的缝隙，应第一时间黄砂回填。

4.基坑支护验算

4.1 荷载计算

（1）土质基本参数（见表1）

根据地址报告，钢板桩挡土墙后各层物理力学性质不一，采纳加权平均法计算内摩擦角φ、容重γ、C。

根据下列公式：r=∑rihi/H

C=∑Cihi/H

Φ=∑Φihi/H

其中：r、C、Φ—换算土层的等效重度、等效粘聚力和等效内摩擦角；

ri、Ci、Φi分别代表各分层土的重度、粘聚力和内摩擦角；

hi —各分层土的土层厚度；

H —各分层土的总厚度，H=∑hi。

将数据带入得出：

r=（18.5×2+17.4×3.2）/5.2=17.8kN/m3

C=（18×2+12×3.2）/5.2=14.3kPa

Φ=（15×2+14.9×3.2）/5.2=14.9°

（2）力学分析

根据下列公式：

主动土压力系数为Ka=tan2（45-Φ/2）=0.591

被动土压力系数Kp=tan2（45+Φ/2）=1.692

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Φ=14.9°代入上式得出：Ka=0.591 Kp=1.692

基坑四周的施工荷载取值为q=20KN/m2，所以转化为土压力的高度为h=q/r=20/17.8=1.13m。

根据地质报告，该位置的地下水位的标高H 水=3.20m，根据下列公式：

主动土压力Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）

表1 地基土承载力特征值

主动水压力Pa水=r1H水Ka

其中：r —土加权容重，r=17.8kN/m3；

H土—基坑深度、施工荷载转化为土压力高度（h）两者之和；

Φ—加权内摩擦角；

r1—水的容重，r1=10 kN/m3；

H水—地下水距离基坑底高度，H水=5.2-0.5=4.7m。

土压力Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×（5.2+1.13）×0.591-2×14.3×0.769=44.60kN/m2

图2 作用于钢板桩的土压力分布简化图

水压力Pa水=r1H水Ka=10×4.7×0.591=27.78 kN/m2

故P总=Pa土+Pa水=44.60+27.78=72.38 kN/m2

4.2 支撑点验算

查表得，IV 型的钢板桩的参数W=2037cm3,容许抗弯强度[f]=200000kPa，

则Mmax=[α]W=407.4kN

根据《建筑施工计算手册》计算允许抵抗弯矩计算桩顶部悬臂部分的最大允许跨度h0

Mmax=rKah03/6

r —土的容重，取值17.8KN/m3；Ka代表主动土压力系数，取值0.591，

代入数据407.4=17.8×0.591×h03/6

h0=6.160m

根据各支撑等弯矩布置则

h1=1.11h0=6.776m h2=0.88h0=5.420m

故设置一道支撑可以满足规范要求。

实际支撑点调整为h0=1.5m，h1=3.2m

4.3 围囹和钢支撑计算

（1）围囹验算

围囹采用500×300×11×15 的H 型钢，查表得该型钢的截面特性：

I=62459.6cm4，W=1148cm3，容许抗弯强度[f]=200000KPa

由于基坑长度为19.8m，横向支撑中间标准的间距是3.0m，两端横向的间距2.4m，为了简化计算，按最大间距3.0m横向支撑，按简支梁来计算。

图3 支撑点受力分析

根据上图分析分别计算出A 点、B点土压力和水压力，

主动土压力Pa土=rH土Ka-2Ctan（45-Φ/2）

主动水压力Pa水=r1H水Ka

其中：r —土加权容重，r=17.78kN/m3；H土—基坑深度、施工荷载转化为土压力高度（h）两者之和。

Φ—加权内摩擦角；

r1— 加水的容重，r1=10 kN/m3；

H水— 地下水距离计算点高度 。

A 点：Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×1.130×0.591=11.89 kN/m2

A 点：Pa水=0kN/m2

B 点：Pa土=rH土Ka-2C tan（45-Φ/2）=17.8×4.48×0.591-2×14.3×0.7691=25.13 kN/m2

B 点：Pa水=r1H水Ka=10×2.85×0.591=16.84 kN/m2

所以围囹总压力P总=（11.89+0+25.13+16.84）/ 2=26.93 kN/m2

支撑反力：Q=P均×A=26.93×3×3.35=270.65kN

故q=P总×（h0+h1/2）

q=26.19×3.35=87.74kN/m

M=ql2/8=87.74×3×3/8=98.71kN.m

围囹最大弯矩：MMax=W[f]=2498×10-6×200000=499.6 kNm

M=98.71 KN.m ＜MMax=499.6 kNm

所以500×300H 型钢围囹满足设计要求。

（2）水平支撑杆的受力计算

水平支撑采用400×200×8×13 双拼作为水平支撑。

计算长度取值8.8 m，支撑面A=81.9cm2，转动惯量I=22964mm4

容重r=78.5 kN/m3弯曲界面系W=1090m3回转半径 i=15.9cm

杆件长细比：λ=880/15.9=55.34

查表得失稳系数：φ=0.742

故支撑杆的抗弯应力α1=Q/A/φ

其中：Q — 单根支座反力Q=270.65KN/2=135.32×103N；

A—截面积 A=81.9cm2=8190mm2。

数据代入上式中，

σ1=135.32×103/8190/0.742=22.27/mm2

其中：自重弯矩M=ql2/8=r钢AL2/8；

r—钢的容重 取值78.5kN/ m3；

A—支撑杆截面积，取值81.9；

L—支撑杆长度，取值6。

数据代入上式中，得出

自重弯矩M=78.5×81.9×10-4×6×6/8=2.89/6.5kN.m

自重应力σ2=2.89×106/1090×106=0.003N/mm2

故α总=σ1+σ2=22.27+0.003=22.273N.mm ＜200Nm

所以400×200H 型钢双拼水平支撑符合要求。

4.4 入土深度计算

根据盾恩法计算桩的入土深度

rHKa（hi+t）=r（Kp-Ka）t2

其中：H — 基坑至桩顶高度；

hi — 最后一道支撑距离基坑底距离取值3.70m。

Kp 被动土压力系数，取值1.692 Ka=0.591

解得t=5.48m

所以应乘以个安全系数1.2，T=1.2t=6.57m

故钢板桩最短长度为6.57+5.2=11.77m

选择12m ＞11.77m，所以12m 钢板桩符合要求。

4.5 抗隆起计算

根据《施工建筑计算手册》抗隆起安全系数的计算公式

H — 钢板桩的深度 取值12m；

h — 基坑最大开挖深度 取值5.20m；

h1—基坑最底一层一道支撑的深度取值3.70m；

t — 排桩有效计算插入坑底深度 取值6.8m；

Ka —主动土压力系数 取值0.591

q — 施工荷载 取值20kN/m；

r —土的加权容重 取值17.8 KN/m2；

C — 土的粘聚力取值14.3 kPa。

代入数据得出K=2.06 ＞1.0，所以抗隆起系数安全。

4.6 抗管涌验算

不发生管涌的条件为：

（Khrw-Rh）/2R ≤t,其中：

K — 抗管涌安全系数，取K=2.0；

R — 土的浮容重，r为地基土的重度，则R=r-rw=10kN/m3

rw— 地下水的重度；10 kN/m3

t — 围护墙的入土深度；6.80m

h — 地下水位至坑底的距离，（即地下水形成的水头差）。取值4.7m

代入数据得出：

（2×4.7×10-10×4.7）/2×10=2.35≤6.8m

所以不会发生管涌的现象。

5.基坑监测

5.1 利用监测仪器进行基坑监测

在基坑监测过程中，要使用水平仪和经纬仪进行测量。地面和完工过程中的标高以及沉降需要用水准仪进行测量；不同位置点的水平位移需要用经纬仪进行测量。

5.2 布置监测和频率检测

在废水池基坑的施工过程中，对拉森钢板桩支护进行监测，在控制点的设置中，应将其设置在距离钢板桩5m 的位置处。在基坑开挖前要用经纬仪和水准仪测出初始值，同事要对原始值机械能误差检验。检测频率需要根据开挖过程中实际情况进行调整。在开挖过程中，检测频率不少于每小时2 次。在发现钢板桩顶变化较大时，则适当增加检测次数，观测稳定时可延长观测时间[4-5]。

6.结束语

在本工程施工过程中，废水池基坑周围土体以及底部均未出现基坑土体剪切破坏或者失稳的迹象，周边管线以及建筑物均为仅出现微小的沉降，位移几乎为零，充分体现了拉森钢板桩施工速度快，且施工安全的特点。

拉森钢板桩施工工艺比较简单，且施工工期短、施工费用低，目前在类似项目的基坑围护中得到广泛应用，值得类似工程参考。