既有建筑物旁深基坑钢板桩支护技术研究

李为儒 LI Wei-ru

（中铁二十五局集团第五工程有限公司，青岛 266109）

0 引言

目前越来越多的城市开展了综合管廊项目的施工，城市综合管廊汇集了城市主要管道的敷设（如燃气管道、热力管道、电力管道、给水管道等），不但避免了以往管道敷设对城市交通及周边环境的影响，提高了城市的市容市貌，而且也使得管道的维修和更换更为方便快捷。但由于城市管道多穿越主城区，周边管线及建筑物繁多，使得基坑开挖后的支护非常重要。基坑支护受力也比较复杂，不但要承受支挡的土压力，还有周边交通车辆所产生的侧压力等。在长春市地铁2号线一期工程西湖车辆段与综合基地室外地下管廊基坑施工中，由于该管廊紧邻既有建筑物且基坑较深，加之施工区域地下水位埋藏较浅，使得基坑开挖后土体极易坍塌从而威胁周边建筑物的安全。为此项目部通过对施工区域地质状况进行详细调查，决定采用拉森钢板桩进行基坑支护。相比于其他支护类型，拉森钢板桩不但自身刚度较大可以满足深基坑支护需求，保证了基坑内的作业安全，而且钢板桩支护成型后止水效果也很好，有效减少了基坑周边地下水的汇集，减缓了地下水位在土体颗粒之间的径流，防止土体颗粒之间内摩擦角减小而使得地面产生较大沉降。同时拉森钢板桩打拔快速且可重复利用，减小了流水施工搭接间隙，加快了施工进度，降低了施工措施费用。通过现场实际应用，拉森钢板桩支护结构在城市管廊既有建筑物旁深基坑施工中取得很好的效果。

1 工程概况

长春地铁2号线工程属于长春地铁公司和中铁建股份公司合作的BT项目，我标段为第九标段——西湖车辆段与综合基地，包括运用库、咽喉区、联合检修库等12个单体建筑物。车辆段内大型建筑采用钢筋混凝土框架及排架结构，小型建筑采用砌体结构，局部采用钢结构，基础为预应力管桩基础。车辆段内综合管廊主要为铺设电力、通讯和给排水管线而设置，场区内地下管沟沿道路布置。

管沟高度为2.5m,管沟宽度为3.6～5.85m，顶部覆土厚度为1.8m。结构形式为钢筋混凝土箱型结构。管沟截面形式如图1所示。

图1 管廊结构示意图

根据场地地层及开挖经验，由于第①层填土成分复杂，较为松散；粉质粘土②2、②21层呈可塑偏软、局部软塑状态，受震动易变形；粉质粘土②1层失水再遇水时易崩解，基坑开挖深度大于4.00m应进行基坑支护。

2 围堰结构设计

站场内管廊开挖深度在5.6m左右，开挖最深处为6.9m，由于管廊开挖较深且距建筑物较近，大放坡开挖会危害到建筑物的结构安全，因此在施工中采取垂直开挖钢板桩支护措施以保证建筑物的结构安全。

本工程采用拉森钢板桩，内支撑作为基坑复合支护体系。基坑采用600mm×210mm×9m拉森钢板桩内支撑支护，自然地面打入钢板桩。距桩顶1.80m做围檩，采用300×300H型钢，内支撑采用Ø426钢管，间距4.00m。集水坑深度6.90m深基坑位置在据桩顶下4.5m位置设置第二道支撑，围檩采用300×300H型钢，支撑采用Ø426钢管，下挖至设计深度。详见图2。

图2 基坑支护设计结构图

3 钢板桩支护结构受力计算

3.1 土层参数详见表1

表1 土层参数表

3.2 受力计算

采用弹性法建立土压力模型[1]，以开挖至最深处为最不利工况进行计算，如图3所示。

图3 最不利工况下支护受力图

3.2.1 钢板桩抗弯受力计算

钢板桩外侧基坑抗弯受力计算（不考虑轴力）σwai=Mw/Wx

式中：

σwai——基坑外最大受力弯矩应力（MPa）；

σnei——基坑内最大受力弯矩应力（MPa）；

Mw——基坑外最大设计弯矩值（kN·m）；

Mn——基坑内最大设计弯矩值（kN·m）；

Wx——X轴方向钢材截面惯性模量（m3）；

f——钢材理论抗弯强度值（MPa）。

3.2.2 钢板桩整体抗倾覆计算

抗倾覆安全系数：

Mp——被动土压力及周边水平力合力对钢板桩底部产生弯矩，对内支撑处应力由内支撑所产生的抗压力来确定。

Ma——周边土压力对钢板桩底部的弯矩力。

Ks=7.185>=1.200，满足规范要求。

3.2.3 抗隆起验算

①由支护桩底部为起点，按照土层结构分层进行抗隆起计算，结果如下：

钢板桩底部，抗隆起安全性验算：

Ks=2.819≥1.600，抗隆起安全性满足。

深度113.500处，验算抗隆起：

Ks=3.616≥1.600，抗隆起安全性满足。

②以最底层支撑点为受力转动轴中心为模型计算基坑底部抗隆起，结果如下：

Ks=1.934≥1.900，坑底抗隆起稳定性满足。

4 钢板桩支护主要施工工艺

4.1 钢管桩围堰施工工艺流程

钢板桩支护虽然在基坑开挖之前就已经完成，但由于钢板桩支护涉及到管廊施工的全过程，因此钢板桩必须在管廊地下结构施工完成且回填后方可拔出。所以钢板桩施工过程不但要考虑打设的施工，还需考虑对地下结构过程施工的影响及对基坑回填的影响。主要工序为：测量放线→土方开挖至打钢板桩位置→打钢板桩→打外拉→土方开挖至坑底→管廊施作→回填土方→拔出钢板桩。

4.2 钢板桩打设

钢板桩打入时必须先在地面画出位置，从一角开始逐根施工然后形成完成支护体系。该方法施工简便，线性容易控制，钢板桩之间连接性可靠，机械设备移动次数少，工作效率较高，施工速度较快。但由于该施工方法容易使得钢板桩平直度误差积累，使得成型后的支护面平直度难以控制。①采用钢板桩专业机械设备吊起至指定位置，钢板桩入土前锁口需插入临近钢板桩锁口，插入后在钢板桩顶部安放顶帽，先慢后快，先轻后重的进行搭设作业。②在钢板搭设过程中，需在钢板桩不同方向对其垂直度进行控制，一起可采用全站仪或经纬仪。③在打桩过程中在钢板桩布设方向可设置型钢制作的卡板，以便防止钢板桩中心位置产生平移，还可保证支护面的平直度满足要求。④在打设首根及连接的钢板桩时，必须确保其位置准确，方向与尾部齐平以确保整个支护的精度符合要求，首根钢板桩固定后以此为基准和导向，在搭设时每隔3m需测量一次其位置及垂直度。

4.3 基坑开挖

基坑开挖前需严密规划，对开挖区域及周边环境的安全需严格检查。开挖应分层分段进行，开挖过程中需整体平衡，不得使支护产生较大不平衡力。严禁一次性开挖到底部，必须开挖一段支护一段，支护一段完成一段，必须严格遵守“先支后挖，先中后边”的原则[4]，对机械设备合理搭配，减小流水作业间隙，提高施工质量，保证施工作业安全。土方开挖高程顺序：机械挖土分三大步进行，第一步挖土采用坑外开挖，挖土机不得距离支护结构过近使得水平侧压力增大，先整体挖至-2.00m左右，第二步采用坑内开挖方法，开挖-2.00m以下土体，在坑道内将挖出的土方填筑一个临时通道以便将土运出基坑，第三步开挖只能挖至设计标高以上20cm左右，未达到深度部分，用人工开挖。

4.4 支撑安装

支护内部支撑系统其所有受力节点应采用平面连接方式焊接加固。在受力节点阴角位置需增加阴角钢板以增加阴角处的抗压力。支撑杆件相接处必须满焊，焊缝高度≥8mm。横向支撑杆件与围檩支撑处，围檩所采用的H型钢需进行腹板加强，防止该位置应力过大造成围檩变形。围檩与横向受力杆件安装时必须密贴无缝隙，安装后对横向水平杆件施加一定的预应力。

5 安全质量保障措施

①土方开挖过程中，根据施工监测专项方案加强观察和监控量测工作，以便发现施工安全隐患，并通过监测反馈及时调整开挖程序[2]《建筑基坑监测技术规范》（GB50497-2009）。②在开挖最后一段坡道时会出现多台挖掘机在同一作业面开挖，此时挖掘机间距应大于10m，上下台阶挖掘机前后应相距5m以上，挖掘机离下部边坡应有一定的安全距离，以防止造成翻车事故。③在基坑四周必须搭设安全围栏并挂安全网，以防止人员及物体坠落，夜间设置警示照明，设24小时巡视。不得向基坑内抛弃物体，防止伤人。④对临近既有建筑物沉降设置监测点，监测点间距一般为10～15m[3]。离基坑较近的建筑物和建筑物近基坑侧在中部适当加密监测点。采用电子水准仪对监测点进行测量观察，可采用相对标高建立局部测量控制网。

6 结束语

相比于其他支护类型，拉森钢板桩不但自身刚度较大可以满足深基坑支护需求，保证了基坑内的作业安全，而且钢板桩支护成型后止水效果也很好，有效减少了基坑周边地下水的汇集，减缓了地下水位在土体颗粒之间的径流，防止土体颗粒之间内摩擦角减小而使得地面建筑物产生较大沉降。同时拉森钢板桩打拔快速且可重复利用，减小了流水施工搭接间隙，加快了施工进度，降低了施工措施费用。钢板桩支护在既有建筑物旁深基坑支护中取得很好的效果，也为后续类似施工提供了借鉴和参考。