锚拉式双排钢板桩在软土基坑中的应用研究

郑建建 宣锋 许大鹏 张国荣

1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

2.上海水业设计工程有限公司 200092

3.西安水务（集团）有限责任公司 710000

引言

钢板桩具有强度高、隔水性好、施工便利、可完全回收、绿色环保、节约成本等优点［1］，近年来大量应用于基坑支护工程中。然而钢板桩属于柔性支护结构，刚度较小，工程应用中为了控制钢板桩支护的位移，保证基坑支护的安全稳定，常常需要设置内支撑或锚杆。对于给排水场站工程，由于主体结构防水要求高，工期往往比较紧张等原因，一般不适合设置内支撑；而主体结构周边生产管线、雨污水管线、阀门井较多，也不适合采用锚杆。

锚拉式双排钢板桩由前排钢板桩、后排钢板桩、锚索和槽钢围檩组成，土压力主要由前排钢板桩承担，后排钢板桩主要为前排钢板桩提供锚拉力，也承担一定的土压力。它具有钢板桩的各种优点，同时不需要设置内支撑和锚杆，是一种绿色的基坑围护方式。

1 锚拉式双排钢板桩应用及研究现状

1.1 工程应用现状

徐辉等［2］将双排钢板桩应用于净水厂阀门井，基坑深度4m～6m，前后排钢板桩采用卡槽式拉杆连接。根据监测数据，钢板桩整体变形处于允许范围内，侧壁未出现渗水现象，围护结构安全可靠。

周云荣等［3］在南昌市某砂土地区“坑中坑”中应用了双排锚拉钢板桩。坑中坑工程，属于临时工程中的临时工程，在保证安全的前提下，选择双排钢板桩这种快速、环保、可回收的支护方式非常合适。

晏明等［4］采用Plaxis有限元软件对双排钢板桩结构进行了分析，提出了双排钢板桩排距的优化取值范围。同时也提出拉锚式双排钢板桩围护与刚架式双排混凝土桩具有显著的不同，直接套用双排混凝土桩的计算方法会导致结果出现偏差。

上海浦东机场二期基坑［5］中登机长廊区域开挖深度6m～8m，采用钢板桩作为锚碇结构，形成双排钢板桩围护体系。基坑开挖过程中发现锚碇钢板桩的变形对围护钢板桩和锚拉钢筋的受力有一定影响；围护桩和锚碇桩之间的土体产生的变形会影响土压力的传递和分布。

1.2 标准规范情况

目前国内已有较多关于双排钻孔灌注桩的规范，如行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）［6］、浙江省标准《建筑基坑工程技术规程》（DB 33／T 1096—2014）［7］、甘肃省标准《建筑基坑工程技术规程》（DB 62／T 25—3111—2016）［8］、广东省标准《建筑基坑工程技术规程》（DBJ／T 15-20—2016）［9］等。其中除浙江省规范按照前后排桩中心距的不同分为锚拉型双排桩、等效单排桩和门式刚架式双排桩外，其余各规范双排桩均是针对门式刚架式双排钻孔灌注桩的规定。目前尚无专门针对锚拉式双排钢板桩的规范，涉及到该种围护方式的规范也较少。

《干船坞设计规范》（CB／T 8524—2011）［10］和《钢板桩支护技术规程》（T／CECS 720—2020）［11］对双排钢板桩围堰进行了一些规定，前后排钢板桩施工完成后在中间填入中砂、粗砂，需要能满足沿坑底的抗滑移稳定性，是一种重力式挡水围堰结构。它主要承受水压力和波浪力，与用于陆地基坑的锚拉式双排钢板桩不属于同一种围护体系。

广东省标准《深基坑钢板桩支护技术规程》（DBJ／T 15-214—2021）［12］对双排钢板桩顶部连接以“宜”字条款进行了一些规定，但并未给出具体做法；同时规定双排钢板桩宜采用有限元进行结构分析，但未提供理论计算公式。

总体来看，目前尚无专门针对陆地基坑的锚拉式双排钢板桩围护的设计规范，实际工程设计计算主要采用半理论、半经验设计方法。

2 嘉兴水厂工程应用

2.1 工程背景及地质概况

嘉兴市区分质供水工程，新增纳滤系统土建规模50 万m3／d，设备安装规模30 万m3／d，建成后将成为全球最大规模的市政供水纳滤膜系统，分贯泾港水厂和石臼漾水厂两个厂区。石臼漾水厂纳滤车间基坑平面尺寸89m ×58m，开挖深度5.90m。基坑平面尺寸较大，且防水要求高，不宜采用内支撑式围护结构；车间施工完成后周边需埋设较多生产管线、雨污水管线，基坑围护也不宜设置锚杆，故考虑采用悬臂式围护。原设计基坑围护采用顶部放坡1.6m ＋4.45m 宽水泥土搅拌桩重力式挡墙围护，挡墙施工需要1.5 个月，养护还需要28d，围护总工期约2.5个月，无法满足项目工期要求。为节约工期，并结合当地工程经验，考虑调整为锚拉式双排钢板桩围护。

根据地勘报告，建设场地的土层力学参数如表1 所示，地下水位埋深为地坪标高以下0.5m。

2.2 基坑围护设计

基坑深度5.9m，前排钢板桩采用12m 长热轧U型钢板桩，后排钢板桩主要提供拉锚力，采用9m长热轧U型钢板桩。为避让土层可能出现的滑裂面，前后排钢板桩距离大于1.3 倍基坑深度，取8m；预应力钢绞线水平间距2m。基坑围护剖面如图1 所示。

图1 基坑围护剖面Fig.1 Picture of foundation pit profile

2.3 周边环境影响分析

为了进一步分析围护结构自身变形及基坑开挖对周边环境影响，采用Midas-GTS 有限元软件建立数值模型进行计算。计算域水平范围取到基坑以外4h（h为基坑开挖深度），竖向取4h。土体采用HSS 本构模型［13，14］模拟，钢板桩及钢绞线采用弹性本构模型模拟，基坑外超载20kPa，数值计算模型如图2 所示。根据浙江省基坑标准［7］，基坑设计等级二级，坑外超载取20kN／m2。土压力计算：填土按水土分算计算确定，黏性土按水土合算计算确定。采用北京理正公司的深基坑7.0 计算程序对基坑剖面进行计算，基坑围护各项稳定系数如表2所示，均满足规范要求。

图2 基坑围护有限元计算模型Fig.2 Calculation model of foundation pit profile

表2 基坑围护稳定系数汇总Tab.2 Summary sheet of stability coefficients of foundation pit support

根据计算，钢绞线拉力标准值为97kN。为了验证后排钢板桩是否能提供该锚拉力，在正式施工前进行了专项拉拔试验。根据试验结果，后排2m宽度9m 长钢板桩所能提供的最大拉锚力为221kN，可满足需求。

围护结构的竖向变形如图3 所示，坑底最大竖向位移23.9mm，坑外地表略有沉降，沉降最大值4.6mm，三倍基坑开挖范围外地表沉降接近于0，不会对周边环境造成影响。由于坑底隆起影响，前后排钢板桩均有向上变形的趋势，前排钢板桩竖向位移12.1mm，后排钢板桩竖向变形5.8mm，前排钢板受坑底隆起影响更明显。

围护结构的水平变形如图4 所示，整体最大水平位移11.3mm，钢板桩最大水平位移10.5mm。根据标准［7］要求，并结合基坑深度及周边环境条件，基坑设计等级二级时支护结构变形控制值为0.7%h，基坑深度5.9m，支护结构变形控制值为41.3mm。原设计顶部放坡1.6m ＋4.45m宽水泥土搅拌桩重力式挡墙围护，最大侧向变形计算值36.6mm。锚拉式双排钢板桩围护侧向变形数值模拟计算结果远小于标准［7］变形控制值要求和水泥土搅拌桩重力式挡墙变形计算值。

图4 基坑水平变形（单位：mm）Fig.4 Horizontal deformation of foundation pit（unit：mm）

前后排钢板桩顶通过钢绞线相连，水平位移较为接近，相差1.2mm，这是由于钢绞线在拉力下的轴向变形以及前后排钢板桩竖向变形不一致导致的。

2.4 施工及现场实测

从基坑开挖到基坑回填完成整个施工过程中，坑外地表沉降最大值3.7mm，数值模拟4.6mm；围护结构最大侧向变形14.5mm，数值模拟10.5mm；现场实测结果与数值模拟结果均较为接近。施工过程中基坑安全可靠，未对周边环境造成影响。

本工程基坑原设计水泥搅拌桩重力式挡墙工期需要2.5 个月；锚拉式双排钢板桩施工加钢绞线张拉总工期1 个月完成，节省工期1.5 个月，工期节省约60%，有效加快了工程进度。

3 结论

1.锚拉式双排钢板桩，围护结构侧向变形计算值小于水泥土搅拌桩重力式挡墙变形计算值，实测水平变形和坑外地表沉降小于规范要求值；相比于水泥土搅拌桩挡墙，锚拉式双排钢板桩可提高基坑安全性，保证周边环境不受影响。

2.相比于水泥土搅拌桩挡墙，锚拉式双排钢板桩施工便利，不需要养护，可大大减少工期；费用低于水泥土搅拌桩挡墙，更远低于双排灌注桩。

3.锚拉式双排钢板桩止水可靠、绿色可回收，不需要设置内支撑和锚杆，不会影响内部结构施工和构筑物周边管道施工，适用于防水要求高的地下结构以及周边管线较多的给排水场站基坑围护。