拉森钢板桩在桥梁工程中的应用

杨 东 张宝周 魏 君

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070)

1 工程概况

本项目为沿黄高速公路武陟至济源段，是高速公路“13445 工程”第一批切块项目，路线全长约100.131km，本项目位于温县境28.411 公里。本工程采用的技术标准为设计速度120 公里/小时，双向六车道，路基宽度34.5m。

本项目为沿黄高速武陟至济源段YHSG-3 标段，主要工程内容包括：路基填方711.2 万m3，沥青混凝土路面620.03 千m2，南水北调特大桥1268m/1 座，设互通式立交3 处（其中枢纽互通1 处、服务型互通2 处），服务区1 处，养护工区1 处。

南水北大桥里程桩K56+311.40～K57+579.400，全长1268m[4×30+4×30+5×30+3×40+3×30+（80+140+80）+4×30+4×30+3×40]。第1 到第5 联、第7 到第9 联上部结构采用装配式部分预应力混凝土连续箱梁，第6 联上部结构采用现浇变截面预应力混凝土连续箱梁，承台平面尺寸14m×14m，厚度4.0m。施工时采用拉森钢板桩对承台施工基坑进行支护，双幅承台距离较近，考虑进行共同支护。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 地质情况

跨总干渠处属黄河冲击平原区，平坦、开阔，北高南低、西高东低。高程105.0m 左右。出露地层为第四系全新统、上更新统及中更新统，岩性主要为粉土、黄土状粉土、粉质黏土、粉细砂等。

2.2 水文情况

桥址地下水类型为松散岩类孔隙水，地下水位埋藏较深，勘察期间地下水埋深多在14.6～18.1m（88.0m～89.8m），由东向西地下水埋藏深度呈减小趋势，南水北调干渠东侧水位略高于西侧，地下水变幅在3～10m 之间。

3 施工方案

3.1 施工方案的分析和选择

本工程17#、18#桥墩承台位于南水北调干渠东西两侧，跨度140m。基坑开挖深度4.5m，长度35.6m，宽度18m。

目前比较常见的支护形式有自然放坡、土钉墙支护、悬臂桩+桩间喷锚支护、型钢水泥土搅拌墙支护、重力式水泥土墙支护、拉森钢板桩+内支撑支护。

（1）自然放坡适用于地下水位以上，施工作业面大，周围无重要建筑物的工程。自然放坡具有施工简单、工期短、造价低等优点；缺点是开挖范围较大，常用于地上水位以上的二级、三级基坑，基坑开挖土方量较多，后期土方回填量多。由于承台临近南水北调干渠，开挖范围过大容易对干渠现有土层造成扰动，现场场地紧张，堆土范围有限，自然放坡不适用本项目。

（2）土钉墙支护适用于二级、三级基坑支护。工程造价比自然放坡要高，土方开挖量较自然放坡小。土钉墙支护施工工艺简单，施工周期短，但施工现场临近南水北调干渠，为属于一级水源，对环境保护及水资源防护要求非常高。施工时现场需要存放水泥及砂石料，拌和混凝土时水泥扬尘比较大，会对环境造成一定污染，因此此支护方案也不适用于本项目。

（3）悬臂桩+桩间喷锚支护，适用于浅基坑，施工比较复杂，施工工期较长，造价高于自然放坡及土钉墙支护，桩间喷锚时也会对环境产生一定的污染，故本项目不考虑。

（4）型钢水泥土搅拌墙支护，利用钻机搅拌形成连续水泥土体，然后在水泥土体中插入H 型钢，具有良好的抗渗性及良好的侧向抗压力，是一种复合型的围护结构。基坑回填完成后，可拔出型钢重复利用，从而降低了工程造价，经济性较好。拔除型钢后的空隙，一般采用水泥砂浆填筑。型钢水泥土搅拌墙搅拌时水泥浆的控制将是一个难点，由于施工场地靠近一级水源，对环境保护要求比较高，搅拌时水泥浆会对浅层地下水硬度造成影响，综上所述本工程不采用此支护方案。

（5）重力式水泥土墙支护，是通过钻机将水泥与土按设计比例进行混合搅拌，最终形成一种圆柱状的水泥加固土体。依靠自身重力而构成的支护结构。其侧向刚度比型钢水泥土搅拌墙小，主要运用在淤泥质土、深度不宜大于7m 的基坑。一般采用双轴或三轴搅拌桩或高压旋喷桩等，其特点是易于取材、施工方便、收效快等。重力式水泥土墙搅拌时水泥浆的控制将是一个难点，由于施工场地靠近一级水源，对环境保护要求比较高，搅拌时水泥浆会对浅层地下水硬度造成影响，综上所述本工程不采用此支护方案。

（6）拉森钢板桩+内支撑支护在桥承台施工中是一种比较常见的支护方式，施工简单、施工组织快、工期短，具有隔水的功能，基坑开挖范围小，土方回填量小，土方回填后，钢板桩可以拆除重复使用，回收率高，是一种比较经济的支护方式。施工主料为钢板，施工时不会对水质环境造成污染。

综上因素考虑，最终确定采用拉森钢板桩+内支撑支护的方式进行17#、18#承台的基坑支护（见图1）。本工程采用静压法施工，目的是减小施工时对南水北调总干渠土体的扰动。静压法是利用桩机自重与配重（大小根据设计计算确定）之和作为作用力，克服压桩过程中桩身周围的侧摩擦阻及桩端阻力，将桩压入土中的一种施工工艺。与振动沉桩相对比，其具有无噪音、无振动等特点。在静压的同时便可测出单桩承载力数值，不需要单独再做承载力测试。本工程采用理正深基坑及有限元分析软件Midas Civil 进行模拟计算，桩长12m，嵌固6m，经验算整体稳定性安全系数Ks＝2.172＞1.30，抗倾覆稳定性验算Kov＝1.447＞1.200,抗隆起验算Ks＝3.716＞1.60，均满足设计规范。围檩及斜撑均采用2-I40b 工字钢，横撑采用φ630×10mm 钢管，围檩组合应力smax＝63.6MPa＜215MPa，强度满足要求。最大位移f＝15.641mm＜16860/400＝42.15mm，满足要求。经计算可知，基坑支护满足规范要求。

图1 基坑支护示意图

3.2 地下水控制方案

地下水埋深多在14.6～18.1m，水位较低在桥台施工可不考虑进行降水。对于基坑内部积水采用明沟排水，在四个角落挖四4 个0.8m×0.8m×1m 集水坑，布置4 台泥浆泵，及时将基坑积水排除，保障基础承台施工不受影响。

3.3 关键施工工艺及重难点分析

3.3.1 工艺流程

清表、场地平整→测量定位放线→钻机就位→钢板桩施工→第一步土方开挖→安装围檩、斜撑、横撑→第二步土方开挖→人工清槽、破除桩头→承台施工→土方分层压实回填→拆除围檩、斜撑、横撑→拔除钢板桩

3.3.2 施工要点分析

本工程基坑等级为二级，在基坑开挖上口线1.5m 的位置四周安装钢管护栏及阻燃型安全网进行防护。在主要路口及基坑周边设置安全标识标牌，基坑内设置2 道上下人钢结构通道，确保施工作业人员进出安全。由于拉伸钢板桩高出地面50cm，可以有效阻挡地面水进入基坑，故不再单独设计截水沟。

静压钢板桩施工第一根桩时，需根据土层参数及桩自身重量配置反重力块。利用总重量与反重力块相互结合使用，总重量作为反向力将第一根桩压入土体。当机身完全移动到反力桩上时，前期的反重力块即可拆除，初期压入完成。施工时注意控制桩顶标高，达到设计桩顶标高后，进行下一根桩的施工作业。

3.3.3 基坑开挖及钢板桩支护系统施工

钢板桩施工完成后，土方开挖1.5m 后，利用30t 汽车吊吊装围檩和内部支撑；采用焊接连接围檩和内部支撑。围檩及斜撑采用双拼40b 工字钢，四个角分别设置两道双拼40b 工字钢斜撑，夹角为45°；中间横撑采用φ630×10mm 钢管，两边上下各设置一道双拼40b 工字钢斜撑，夹角45°。第一步支撑施工完成检查合格后，立即开始进行第二步土方开挖，开挖时采用机械开挖为主，人工配合为辅的方式进行开挖，避免开挖时挖掘机触碰到斜撑及横撑钢管，靠近钢板桩处的表土采用人工清理，禁止用挖掘机挖斗与钢板桩侧壁直接接触开挖。在开挖过程中还应控制开挖的速度，开挖过快影响基坑边缘处的动载荷。基坑内土方开挖严格按照分层开挖原则，基底留30cm 采用人工清槽，破除桩头，清理基底进行人工找平，浇筑砼垫层。进行承台施工，承台达到设计强度后，开始进行土方回填，分层压实，回填至承台顶面标高后，拆除内部支撑，拔除钢板桩[1-5]。

4 基坑监测

4.1 监测目的

监测目的是通过对基坑监测观察土体变形对防护堤的影响程度，以便及时采取应对措施，保证施工周边环境安全。

4.2 基坑等级及变形监控值

根据规范规定本基坑属于二级基坑，基坑周围地面最大沉降监控值为60mm。

4.3 基准点的布置

基准点的设置以每座桥为一个工作面，设置3 个基准点，工作基点选择在基坑深度2 倍以外的稳定场地上，并在首次沉降观测之前一个月埋设好，并做好相应的保护。

4.4 监测点布置及监测和预警要求

4.4.1 监测点的布设原则

监测基点断面设在坑边中部、阳角处或其他有代表性的部位，并与坑边垂直，每个主断面不少于2 个测点，监测点位置离基坑边缘垂直距离为2m。每个承台周围布置合计8 个监测点。

4.4.2 监测点埋设时间及监测频率

监测点应在承台基坑开挖前一周布设。基坑开挖期间，监测频率采用4 次/1d，按国家二等水准测量的技术要求施测。

4.4.3 预警

根据《建筑基坑工程监测技术规范》二级基坑监测报警值为60mm，变化速率为4～6mm/d。出现规范要求报警情况时，必须立即报警；若情况比较严重，应立即停止施工，并对基坑支护结构和周边的保护对象采取应急措施。

5 结束语

在进行施工工艺选择时，需要从工程建设的安全性、经济性、科学性、环保性等方面进行选择。合理选择基坑支护方案，控制好基坑支护结构力与周围环境的变形关系。本文结合工程实例，对比分析不同基坑支护工艺的优缺点，最终选择静压法施工拉森钢板，其特点包括施工占用空间小，土方回填量小，施工工期短、经济性高，重复使用率高，节约资源，节省投资。钢板桩相对其他工艺对周围环境影响较小，现场整洁，有利保证水渠的水不受污染。在施工时做好基坑周边的监测，做到科学合理、精细化施工。及时将现场的各项观测数据等反馈设计，不断地修正完善设计参数，以及时解决现场出现的突发问题，真正地做到信息化施工。