市政管网基坑单层支撑拉森钢板桩支护参数选择

彭富波，张 磊，郑先灿，李 围

（1.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.莆田学院 土木工程学院，福建 莆田 351100）

拉森钢板桩因强度高、材质轻、止水好、拼装方便、重复利用率高、造价便宜和环保等优点在市政管网明挖基坑等工程中得到了广泛应用.如文献[1]介绍了深圳市坪山区龙田社区污水支管网工程中拉森钢板桩支护工艺，有效保障沟槽开挖的安全施工.文献[2]就工程实际地质进行了方案比选，最终采用钢板桩支护结构，并详细介绍了其应用情况.文献[3]就某深埋大口径HDPE管道用拉森钢板桩（V 型）作为支护结构的施工技术，并进行了结构受力分析与验算，对试验段的监测数据进行了分析，给出了设计与施工注意事项.文献[4]在分析不同钢板桩结构形式特点基础上，借助于具体工程，研究了钢板桩在市政排水管道基坑工程支护结构中应用的工艺及施工要点.对于基坑位于地下高水位流沙地层，文献[5]进行了钢板桩支护结构设计及其受力分析.

但若钢板桩的长度短导致其插入基坑底的深度不足将引起基坑失稳，如文献[6]介绍了阿尔及利亚安纳巴市Sidesalem 区排水管道和泵站工程基坑事故发生的过程，其地层为不同粒径的砂层，地下水位为-2.2 m，距离海岸线仅100 m.基坑开挖至8.2 m时发生了大量的涌水、基坑周边地面下陷、钢板桩下部向内变形了600 mm、二层工字钢横支撑与钢板桩焊接处出现裂缝，导致了基坑支护失稳.经分析，其主要原因是钢板桩未按地质资料进行详细验算、打入基底的深度不足且两根严重偏离轴线等，作者最后总结了钢板桩施工与管理问题，并讨论了钢板桩支护结构在设计、施工和土方开挖中的技术要点.

因此，对于特定地质条件下拉森钢板桩用作市政管网明挖基坑支护结构时，在不同基坑深度条件下的受力分析尤为重要.结合东莞市水生态建设五期工程常平镇范围管网工程，就全风化花岗岩地质条件下对不同基坑深度单层支撑拉森钢板桩进行力学行为分析，选择相应的支护结构参数，并验算其强度和稳定性.

1 依托工程概况

东莞市常平镇水生态建设第五期工程管网全长约84 km，其中开挖埋管段长约77 km、顶管法施工段长约7 km，管径为DN400-DN800，采用钢筋混凝土管和HDPE双壁波纹管两种，设置一体化污水提升泵站2座.

管径DN800的市政官网明挖基坑的宽度为2 m，深度分别为3.5、5.0、6.5和8.0 m.基坑支护结构体系设计为“拉森钢板桩+H型钢围檩+钢管支撑”，其钢材都采用Q235.

图1 基坑支护结构体系（H=3.5 m）

表1 物理力学参数

2 不同基坑深度下拉森钢板桩支护结构计算

2.1 基坑深3.5 m拉森钢板桩支护结构内力计算

1）饱和容重、主动和被动土压力系数.饱和容重rsat=eg/(1+e)+ρg/（1+w）=0.7×10/(1+0.7)+2×10/（1+0.241）=20.234 kN·m-3.主动土压力系数ka=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-21°/2）=0.472；被动土压力系数kp=kbtan2（45°+φ/2）=1.6 × tan2（45°+21°/2）=3.387；kb为等值梁法被动土压力修正系数，取kb=1.6.

钢板桩从上到下的关键点命名为G、A、E、C、B、D，G表示地面、A表示钢管支撑位置、E表示剪力为0位置、C表示基坑底部、B为反弯点、D为钢板桩插入土体的端部（最深位置），LGA=1m、LGC=3.5 m=H，基坑深度H=3.5 m.采用水土合算进行计算，即取地层的重量为饱和容重，地面超载q0=30 kPa.

作用于拉森钢板桩上的水土压力eG=kaq0=0.472 × 30=14.16 kPa；eC=ka（q0+rsatH）=0.472 ×（30+20.234 × 3.5）=47.587 kPa.

2）钢板桩最大弯矩和支撑轴力.①反弯点.地面超载的等效高度H0=q0/rsat=30/20.234=1.483 m，定义钢板桩土压力为0 的点为反弯点，用B表示，则：LCB=(rsatka(H0+H))/(rsat(kp-ka))=0.472 ×(1.483+3.5)/（3.387-0.472）=0.807 m.②支撑轴力.对B点求弯矩，且其和为0，可以计算出A点的反力（RA）：（2.5+0.807）RA=14.16 × 3.5× 2.557+0.5× 3.5× 33.427× 1.974+0.5× 47.587× 0.807×0.538.RA=76.362 kN，则内支撑的轴力N为4RA=4 × 76.362=305.448 kN；RB=((14.16+47.587) ×3.5/2+0.5× 47.587× 0.807) -76.362=50.897 kN.③最大弯矩.确定剪力为0 的位置为E，设LGE=x，则：RA=0.5（eG+eX）x，而eX=eG+（eC-eG）x/H，得出关于x的二次方程如下：0.5x（2eG+（eC-eG）x/H）=RA，x2+2HeGx/（eC-eG）-2HRA/（eC-eG）=0，即x2+2 × 3.5× 14.16x/33.427-2 ×3.5× 76.362/33.427=0,化简得x2+2.965x-15.991=0,解得x=2.782 m，则LGE=x=2.782 m.

对E点求弯矩可以计算出最大弯矩Mmax=RA（x-1）-eGx2/2 -0.5×(eX-eG)x2/3；eX=eG+（eC-eG）x/H=14.16+33.427× 2.782/3.5=40.73 kPa；Mmax=76.362×1.782-14.16×2.782×2.782/2-0.5×(40.73-14.16)×2.782×2.782/3=47.008 kN·m.

3）拉森钢板桩入土深度最小值.拉森钢板桩入土深度指从基底往下的长度为LCD，其入土深度最小值计算如下：LBD=(6RB/(kp-ka)/rsat)0.5=(6 × 50.897/(3.387-0.472)/20.234)0.5=2.275 m.则LCD=LCB+LBD=0.807+2.275=3.082 m.所以拉森钢板桩入土深度最小值为3.082 m，取为3.0 m，则总长度需要6.5 m.

2.2 不同基坑深度拉森钢板桩支护结构力学特性

不同基坑深度拉森钢板桩支护结构内力计算结果汇总于表2 中.从表2 可以看出，随着基坑深度的增加，钢板桩的最大弯矩和内支撑轴力以及入土深度均增加.基坑深度增加均为1.5 m，而拉森钢板桩从基底往下入土深度也基本均匀增加1 m 左右，而内支撑轴力和钢板桩最大弯矩增加的量值越来越多.内支撑轴力增加值是基坑深度的平方后差值的10 倍左右，即内支撑轴力与基坑深度的二次方成比例关系.钢板桩的最大弯矩的增加值与基坑深度的三次方后的差值相当，则表明钢板桩的最大弯矩值与基坑深度的三次方成比例关系.

表2 不同基坑深度支护结构内力

3 不同基坑深度拉森钢板桩支护参数选择

3.1 深3.5 m基坑支护参数选择

1）基坑支护参数选择及其强度验算.选择IA 型拉森钢板桩，其最大压应力σmax=Mmax/W=47.008/529=88.862 MPa ＜200 MPa.围檩采用H 型钢（250 mm×250 mm×9 mm），抗弯截面模量为867 cm3·m-1，则最大应力计算为：Mmax=RAl2/8=76.362 × 42/8=152.724 kN·m，σmax=Mmax/W=152.724/867=176.152 MPa ＜200 MPa.内支撑采用钢管支撑：直径为203 mm、壁厚为10 mm、间距为4 m，其截面积A=6 063.288 mm2，则其最大应力计算：N/A=305.448× 1000/6 063.288=50.377 MPa ＜200 MPa.

2）抗倾覆验算.被动土压力对内支撑点的弯矩MpA=0.5× 3.387× 20.234 × 3× 3×（3× 2/3+3.5-1）=1387.784 kN·m.主动土压力对内支撑点的弯矩MaA=0.5× 0.472 × 20.234 ×（1.483+3.5+3）×（1.483+3.5+3）×（（1.483+3.5+3）× 2/3-1-1.483）=863.956 kN·m.抗倾覆验算：kQ=MpA/MaA=1387.784/863.956=1.6 ＞1.2，即从基底入土深度为3 m，满足抗倾覆要求.

3）基底抗隆起稳定性验算.Nq=eπtanφtan2(45°+φ/2)=eπtan21°tan2(45°+21°/2)=e1.2× 2.117=7.071.Nc=(Nq-1)/tanφ=(7.071-1)/tan 21°=15.815.kL=(rsatLCDNq+cNc)/(rsat(H+LCD)+q0)=(20.234 × 3× 7.071+13.1× 15.815)/(20.234 × (3.5+3)+30)=3.94.基底抗隆起稳定性安全系数为3.94＞1.7，基底抗隆起稳定性满足要求.

3.2 不同基坑深度拉森钢板桩支护参数选择汇总

不同基坑深度拉森钢板桩支护参数选择计算汇总于表3 中，基坑深5 m 的拉森钢板桩选择II 型、围檩H 型钢（300 mm×300 mm×10 mm），基坑深6.5 m 的拉森钢板桩选择IV 型、围檩H 型钢（350 mm×350 mm×10 mm），基坑深8 m 的拉森钢板桩选择VL 型、围檩H 型钢（350 mm×350 mm×12 mm）.当基坑深8 m时，围檩H型钢的强度尽管超过了200 MPa，但未超过1%，小于工程规定的5%，故满足要求.

表3 基坑不同深度下支护结构参数及其验算结果

4 结束语

结合东莞市水生态建设五期工程常平镇范围管网工程，针对全风化花岗岩地质条件，设计了“拉森钢板桩+H型钢围檩+钢管支撑”的基坑支护拉森钢板桩单层支撑结构体系.就不同基坑深度条件下拉森钢板桩单层支撑结构的力学行为进行了详细分析，得出了钢板桩最大弯矩、围檩荷载和钢支撑轴力以及基底入土深度最小值.依据力学分析结果，针对不同深度基坑支护选择了拉森钢板桩型号、总长度以及围檩H 型钢和内支撑钢管参数，并进行了强度和稳定性验算.随着我国城市功能提升工程的逐步实施，将会修建越来越多的市政管网工程，研究结果将为类似市政管网工程明挖基坑支护结构的选择提供参考.