周边既有建筑物条件下基坑钢板桩支护应用及计算分析

王 蕾 （安徽省公路桥梁工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

随着电子集成工业化水平的不断发展，一些特大电子集成项目陆续投入建设，同时也面临着前期项目的生产工艺改造转型和在既有周边建筑物条件下施工新建附加厂房的施工需求。由于电子集成生产的特殊性，厂区施工的周边环境也逐渐变得更加复杂，因此也对施工工艺及施工安全提出了更高要求。

钢板桩可以通过锁扣或钳口互相连接咬合，组成具有挡土和挡水的连续钢板桩墙。其施工占用空间小，可以与基坑内钢支撑和立柱支撑组成合理的传力体系，有效抵抗水、土压力以减小基坑施工对周边及既有建构筑物的影响，并保持周边地层稳定，无须放坡施工，确保在周边既有建筑物存在的条件下安全施工基坑工程[1]。

本文以舒城县杭埠镇经济开发区精卓光显技术有限公司二期项目厂区为例，在厂区内存在既有生产电子厂房的条件下，利用钢板桩施工新厂房基坑工程，对钢板桩进行内力分析，并计算基坑周边沉降。通过对基坑施工进行沉降检测，验证钢板桩与基坑内支撑相互配合可在既有周边建构筑物条件下取得良好的施工效果，详细说明该工况下基坑施工方案的主要内容，可为类似基坑施工提供一定的参考价值。

2 工程概况

拟施工基坑位于六安市舒城县杭埠镇经济开发区精卓光显项目二期厂区内，由于生产工艺变更，厂区内需新建一座污水处理站。污水处理站基坑面积约3600m2，延米周长约340m，计算挖深5.80m，基坑支护结构安全等级为二级。拟建场地为空地，左侧为化学品仓库，后方为生产厂房。根据基坑周边环境条件，同时考虑基坑施工过程中施工机械的行走线路，通过计算土方车辆、混凝土罐车、装载机和反铲挖机等常用机械的等效荷载以及钢筋、砂、碎石等建筑材料堆放的等效荷载，并考虑各种荷载的组合效应，确定基坑超载按均布20kPa计。

图1 基坑围护结构平面布置图

3 支护施工关键技术

3.1 钢板桩施工技术要求

进场使用前应对钢板桩应进行外观和材质检验，并对桩身垂直度进行检查，经检验合格的钢板桩方可投入使用，钢板桩在存放时应采取有效的防护措施，防止钢板桩碰撞。锤击法沉桩时，应采用重锤低击并设置桩帽桩垫，钢板桩平面转角处应加强处理，施工前应对钢板桩的垂直度进行复核。定位桩应先行施工，对导向型钢进行固定，采用屏风沉桩法对钢板桩的收尾闭合处进行封闭，防止钢板桩接缝处渗漏。可以在开口处打设附加桩，确保其紧贴主桩，有效防止收口处无法咬合，并可以形成有效闭口。定位桩定位偏差不得超过5cm，成桩垂直度偏差不超过1/100[2]。插入前应在钢板桩表面涂抹减摩剂，减小与土体间的摩阻力，钢板桩在坑内应采用油毛毡将其与坑内结构隔离。同时需考虑拔除钢板桩对周边的管线、道路及建构筑物等的不利影响。

3.2 钢支撑施工技术要求

钢支撑施工前必须详细阅读节点构造图，支撑安装应采用开槽架设。在基坑围檩支撑点附近进行钢围檩的现场拼接，以减少拼接变形。确保围檩的分段预制长度不大于支撑间距的2 倍；钢支撑与钢围檩采用焊接连接。对所有钢构件的外观结构进行检查，对于外观有缺陷的构件进行更换，确保构件挺直、平整。支撑构件安装完毕后，对构件各节点的连接状况进行复核检查。钢支撑安装经验收合格后方可开挖下一层土。

图2 基坑维护结构立面图

4 基坑支护方案

综合考虑本工程的工程地质条件、水文地质条件、基坑开挖深度及面积、基坑周边环境对基坑变形的承受能力及支护结构失效的后果、支护结构施工工艺的可行性、施工场地条件及季节条件、经济指标、环保性能和施工工期等因素，并结合国内类似项目的大量深基坑工程实践经验，本工程基坑采用钢板桩支护，内设置型钢支撑[3]。基坑内均布置降水管井，降水井采用Φ360 成品混凝土管井，井深12～14m。钢板桩采用热轧U 型SP-U400×170×15.5 钢板桩，钢板桩长15.0m，支撑采用双拼HW400×400×13×21 型钢支撑，立柱采用H400×400×13×21 型钢立柱桩，型钢牌号均为Q235B。

基坑支护结构施工顺序为钢板桩及钢支撑施工→开挖钢板桩维护范围内土方至坑底→及时施作垫层、底板→施工地下室侧墙→切割钢支撑→地下室外墙与钢板桩间土方回填压实后拔出钢板桩→拔出空隙注浆填充[4]。

表1 工况信息表

4.1 工程地质和水文地质条件

拟建场地地下水类型为上层滞水和潜水。上层滞水主要赋存于①层耕填土层中，无自由稳定水面，主要补给来源为大气降水，地下水位随季节变化，主要以蒸发方式排泄，并受地表水径流影响。潜水主要赋存于②层粉质黏土、③层粉土夹粉细砂、④层粉细砂、⑤层中粗砂夹砾石层中，主要以侧向径流方式补给和排泄。勘探期间测得混合地下水位（静止）埋深为0.30～1.60m，静止水位标高为7.67～8.14m。

表2 基坑支护设计参数一览表

本基坑支护结构安全等级为二级，γ0＝1.0。

土压力计算，按朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计计算的依据，即：

主动土压力系数ka＝tg2（45°-φ/2），被动土压力系数kp＝tg2（45°+φ/2）。

主动土在开挖面之下水土合算取三角形压力，计算中不考虑桩土间的摩擦力。

4.2 内力计算

基坑侧壁安全等级为二级，基坑重要性系数为1.0。坑外地面标高-3.00m，承台垫层底标高为-8.70m，计算挖深为5.70m，采用钢板桩加一道型钢支撑支护。地面外附加荷载q0=20kPa。施工工况如图3所示。

图3 基坑工况施工顺序图

图4 基坑稳定计算示意图

图5 工况1内力位移包络图

图6 工况2内力位移包络图

图7 工况3内力位移包络图

图8 工况4内力位移包络图

图9 基坑监测曲线图

①截面验算

基坑内侧抗弯验算（不考虑轴力）：

基坑外侧抗弯验算（不考虑轴力）：

式中：σwai—基坑外侧最大弯矩处的正应力（MPa）；σnei—基坑内侧最大弯矩处的正应力（MPa）；Mw—基坑外侧最大弯矩设计值（kN·m）；Mn—基坑内侧最大弯矩设计值（kN·m）；Wx—钢材对x 轴的净截面模量（m3）；f—钢材的抗弯强度设计值（MPa）。

基坑稳定性计算方法为瑞典条分法，应力状态为总应力法，条分法中的土条宽度为1.00m。

②滑裂面数据

圆弧半径R=11.916m、圆心坐标X=-1.514m、圆心坐标Y=5.462m，整体稳定安全系数Ks=2.266＞1.30，满足规范要求。

③抗倾覆（踢脚破坏）稳定性验算

式中：∑MEp—被动区抗倾覆作用力矩总和（kN·m/m）；∑MEa—主动区倾覆作用力矩总和（kN·m/m）；Kt—带支撑桩、墙式支护抗倾覆稳定安全系数，取Kt≥1.200。

工况1：此工况不进行抗倾覆稳定性验算。

工况2：Kt=21720.101/6491.222=3.346＞1.200，满足规范要求。

工况3：Kt=8140.599/6491.222=1.254＞1.200，满足规范要求。

工况4：已存在刚性铰，此后工况均不进行抗倾覆稳定性验算。

安全系数最小的工况号为工况3。最小安全Kt=1.254＞1.200，满足规范抗倾覆要求。

5 基坑监测

该基坑开挖过程中需持续对开挖影响范围内的建构筑物以及基坑内围护结构进行沉降和位移监测。具体监测内容见表3，并按照基坑监测方案布置相关检测设备及电子信号传输设备。原始水准点及坐标点布置于可长期保存的坚固位置，以便于对基坑进行长期持续的变形检测，保证数据准确。

表3 基坑支护监测内容

按照基坑检测方案要求，在每一个测区布置不少于3 个监测基准点[5]。对各测试项目在基坑土方开挖前，持续采集3 次初始数据，并取其平均值以保证初始数据科学准确。监测报警界限见表4。

表4 基坑监测报警界限值

由监测沉降曲线图可以看出，各个工况下钢板桩变形均较小。实测值与理论值基本相符，沉降最大出现在基坑最近处（即钢板桩顶部）。最大沉降量满足规范要求，基坑沉降变形在安全范围以内。

6 结论

本文结合工程实例，实践了钢板桩及型钢内支撑支护技术在周边存在既有建筑物施工条件下，施工基坑工程能取得良好的支护效果。由于该基坑施工情况复杂，周边存在较多影响施工安全的因素，尤其是在周围既有建筑正在使用的限制条件之下，任何因素叠加起来都会对该基坑的安全施工造成严重的影响。该基坑工程利用钢板桩维护施工速度快、对周边环境影响小、强度高、占地空间小、可重复利用的优点，成功在既有建筑物周边进行了新建基坑施工并且保证了基坑开挖及地下建构筑物施工的安全。对于施工条件复杂、开挖深度超过5m 的深基坑，结合基坑内井点降水，通过在基坑开挖过程中持续降水，保持基坑内侧水位始终低于基坑底面以下1.0 m，并通过钢板桩＋钢围檩＋内支撑三种支撑相互结合的支护方式，利用持续基坑变形及位移监测，确保基坑及地下建构筑物在施工期间的安全，同时该方案的造价合理且顺利通过专家论证，该方案具有一定的参考价值。