复杂地质条件下钢板桩引孔施工技术研究与应用

李宏宾

（中交第三航务工程局有限公司厦门分公司，福建厦门）

引言

钢板桩围护是深基坑施工中的常用支护方法，但遇到复杂地质条件时，将增加钢板桩施工难度，例如遇到硬塑地质条件时，难以顺畅地将钢板桩施打到位，存在施工效率低、钢板桩变形或受损等问题，使得钢板桩的周转效率低，深基坑支护效果差。引孔施工是解决复杂地质条件下钢板桩施工难题的重要技术手段，引孔后方便插打钢板桩，保证深基坑支护效果。基于此，下文以厦门新机场飞行区B 区专用排水箱涵项目为例重点研究钢板桩引孔施工技术。

1 项目概况及施工方案确定

本项目为厦门地区机场项目，该工程地质条件以硬塑地质为主，土体压缩模量为23.0 MPa，地基承载力特征值为280 kPa，土体的硬度高，压缩性小。根据现场地质条件，提出钢板桩引孔施工工艺，主要包含“旋挖钻机钻孔”和“孔道回填砂及粉质土”两部分，解决在卵石层及泥岩层插打钢板桩难度偏大的问题，在顺畅插打钢板桩的同时，回填砂及粉质土进行嵌固，保证钢板桩的稳定性。引孔的孔径为1.0 m，孔深为11.5 m，引孔后分两段回填，其中桩基底以上3 m 回填砂，剩余部分回填粉质干土，施工原理如图1 所示。

图1 钢板桩引孔施工原理

2 钢板桩引孔施工要点

2.1 钢板桩引孔施工

2.1.1 设备选型

通过现场桩基钻孔机械进行钢板桩引孔施工，配置的是1 台R285RC10 型旋挖钻机，由专人规范操作，保证引孔效果[1]。

2.1.2 旋挖钻机引孔

引孔直径为1 000 mm，深度为800 mm，布置情况如图2 所示。旋挖钻机引孔，埋设钢护筒，维持孔壁的稳定性，避免塌孔。每结束一处引孔后，随即采取回填处理措施，确认无误则进行下一桩孔的引孔作业，以此类推。

图2 引孔孔位布置（单位：cm）

2.1.3 引孔施工顺序

先埋设1、2 号钢护筒，钻孔后对两孔回填，将护筒移至4、5 号孔，埋设3 号钢护筒并对3 号孔引孔，3～5 个孔位的回填作业均结束后，插打钢板桩，具体如图3 所示。根据上述提及的流程有序施工，将承台周围引孔和钢板桩插打作业落实到位。

图3 引孔顺序

2.1.4 引孔灌砂及灌干土

引孔结束后，采用粒径不大于10 cm 的砂和粉质土进行桩基回填处理。桩基底部3 m 范围的回填料采用砂，剩余部分的回填料采用粉质干性土，回填深度共计12 m，回填至桩基顶部时结束。

2.1.5 插打钢板桩

（1） 机具配置。钢板桩插打采用的是50 t 吊车和功率为90 kW 的90 t 振动锤。

（2） 钢板桩围堰体系。围堰截面尺寸为12.5 m×12.5 m，中间增设两道围檩和一道内支撑，用于提升围堰的稳定性。承台采用材质为SY295 的12 m 长拉森Ⅳ型钢板桩，用填充泥夹土的方法筑岛，钢板桩底端深入强风化泥岩，维持稳定。根据支撑体系的类型及侧土压力计算结果构建MIDAS 模型，钢板桩和土体连接处为弹性连接，底端采用滑动铰支座，对外侧施加主动土压力。计算结果表明，钢板桩围堰的承载性能达标，能够安全使用[2]。

（3） 定位架。原材料为I36b 工字钢，搭配适量的板结构，构成定位架，作为插打钢板桩时的辅助设施，沿着指定的方向将钢板桩准确插打到位。

2.2 基坑开挖及内支撑

（1） 吊盘的制作。加长臂挖机的运行效率低，成本高，且项目现场及周边地区缺乏此设备。针对该机械设备配置现状，采用[12 槽钢和δ6 mm 钢板制作土方吊盘，并在施工现场配置小型60 挖掘机和50 t汽车吊，高效地将开挖的土方清运至指定存放场所。

（2） 开挖及内支撑设置。分层依次开挖基坑土方，根据开挖进度随即设置支撑设施，保证开挖部位的稳定性。承台挖土深度为6.6 m，土方开挖分两层进行。第一层开挖完成后，搭设围檩和内支撑，再进行第二层土方开挖。由于开挖具有一定的破坏性，在开挖以及后续施工中密切监测基坑边坡，判断实际位移量和变形量采取控制措施。

2.3 承台结构施工

承台基坑开挖结束后，设置第二道围檩及内支撑，至此则构成完善的内支撑结构体系。按照与普通承台相同的施工方式进行后续的施工活动，施工全程密切监测基坑变形及位移量，加强安全防控[3]。

2.4 围檩拆除及钢板桩拔除

（1） 内支撑的拆除。按照自下而上的顺序拆除，时间为水中承台及相关工序均结束后。

（2） 钢板桩的拔除。拔桩时间根据现场施工条件而定，需在围堰内部支撑均拆除后才可拔桩，避免拔桩时夹带过量的土体以及振动作用过强，否则均可能引起地面下沉现象，破坏地下结构的稳定性。拔出时适当振动，通过振动作用使土和桩身分离，解决拔桩过程中大量夹带土体的问题。拔桩过程中遇到难以正常拔起的情况时，先暂停拔桩，向下锤击，借助外力作用松动钢板桩周边的土体，再继续拔桩，若拔出难度仍较大，重复操作多次，最终顺畅地拔出钢板桩。

3 钢板桩围堰稳定性验算及监测模型

3.1 基坑主动土压力计算

挡土结构的模拟采用弹性支点法，土侧压力计算方法根据钢板桩围堰结构受力特点而定，本次研究采用的是朗肯理论。粘性土水土合算，砂性土水土分算。主动土压力计算公式:

式中：γF为作用基本组合的综合分项系数，取1.25；γ0为结构重要性系数，取1.1；γ 为土层重度；Z 为土层距离地面深度；c 为土层粘聚力；Ka为主动土压力系数。土层相关参数如表1 所示。

表1 土层相关参数

3.2 基坑应力与变形

在确定支撑结构形式以及获得主动土压力计算结果后，建立MIDAS 整体模型，钢板桩与土接触部位为弹性连接，底部采用滑动铰支座，外侧加载主动土压力。钢板桩用钢板替代，材料厚度为16.7 cm，具有等效截面惯性矩，截面距系数为4 648 cm3/m。按照“W 钢板/W 钢板桩”的方法进行计算，确定弯曲应力值的换算系数，即4 648/2 270=2.05。

钢板桩围堰基坑施工工况为：（1） 开挖至+2 099.5 m 标高，设第一道围檩；（2） 拼装已安装到位的围檩和内支撑，将两者组合至一体，继续开挖至基坑底+2 095.9 m 标高；（3） 拼装第二层围檩，继续开挖至+2 094.9 m 标高；（4） 浇筑承台砼，回填60 cm，拆除第二道围檩；（5） 第一节墩身及承台砼浇筑后，安排回填，拆除剩余的围檩。

建模计算，判断构件在各工况时的受力状态，重点评价受力时的稳定性。结果表明，工况（5）的稳定性优于工况（1），故不考虑。

工况（3）时，钢板桩的应力达到最大值，高于其它工况，此工况的应力最大位移，如图4 所示。经计算和对比可知，28.53×2.05=58.49 MPa<[σ]=215 MPa，符合要求。

图4 工况（3）的应力最大位移

工况（4）时，钢板桩的变形量达到最大，为5.4 mm，在许可范围内，因此钢板桩在各工况时的变形量也均达标。

3.3 杆件弯曲稳定性验算

稳定性验算考虑的是斜撑受力最大的工况，以期获得可靠的验算结果。在不考虑工况（5）的前提下，各杆件在各工况的受力情况，如表2 所示。

表2 杆件受力状态

以杆件最大应力数据为基础，验算杆件的局部稳定性，结果如表3 所示。

表3 杆件局部稳定性验算结果

受压杆件的允许长细比为150，根据表3 数据可知，大斜撑和小斜撑的长细比分别为60.27、21.27，均符合要求，从局部稳定性验算结果来看，各类杆件均具有稳定性。

3.4 钢围堰的开挖基坑监测

在基坑顶部布置4 个监测点，如图5 所示。

图5 单个基坑变形监测点

自基坑开挖时进行基坑监测，整个基坑施工过程中连续进行。在不考虑工况（5）的前提下，工况（1）至工况（4）共历时28 d，整个过程中的监测数据如表4所示。

表4 水平位移监测数据

根据表4 数据可知，各项基坑位移监测数据均在许可范围内，无异常位移现象，符合要求。

结束语

综上所述，针对较硬地质条件下常规钢板桩施工技术应用难度大、效果差的问题，提出先旋挖钻引孔回填、后插打钢板桩的施工工艺，本文结合工程实例研究了该工艺的具体要点，并进行检验，实践证明，钢板桩引孔施工技术的应用效果良好，施工难度降低，具有可行性，对类似工程有参考意义。但由于封水效果不准，引孔后回填材料的选择仍存在待改进之处，值得相关人员在此方面做进一步的探索，突破施工难点，进一步提高钢板桩引孔施工技术的应用水平。