锚拉钢板桩在软土基坑工程中的应用与探讨

钟 铮 林 巧 颜 超

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

钢板桩支护属于传统的板式支护结构形式，由打入土层中的钢板桩和必要的支撑或拉锚体系组成，以抵抗水、土压力并保持周围地层的稳定，确保地下工程施工的安全。钢板桩支护具有高强、轻型、施工快捷、环保、美观、可循环利用等优点，在国内外的建筑、市政、港口、铁路等领域都有悠久的使用历史[1]。

在软土地区基坑工程中，钢板桩支护已得到普遍使用，但是其中的悬臂式钢板桩抗弯能力较差，桩撑式钢板桩出土效率较低，而锚拉式钢板桩的出现则有效地克服了这些缺点。

锚拉钢板桩支护是在钢板桩的顶部设置锚拉钢筋，通过外侧的锚碇结构固定锚拉钢筋，使其可以提供足够的拉力维持围护钢板桩的受力平衡，还可通过预加轴力等方式控制围护钢板桩的变形。这种支护结构将锚拉钢筋和锚碇结构均设置在基坑外侧，故坑内无支撑支挡，可以进行敞开式挖土施工，大大方便了土方开挖和地下结构的施工作业，提高了施工效率[2]。

虽然场地条件的要求对锚拉钢板桩支护的推广应用造成了一定的限制，但施工便利、刚度可靠、灵活多变等优点也让其在港口、桥梁、船坞等工程中占有一席之地[3]。在实际应用中，锚拉钢板桩支护中设置的刚性锚碇结构（多为钢筋混凝土结构构件）不仅施工速度慢、施工周期长，而且不能回收利用，对工程工期和造价成本都有一定的影响。

为了满足施工现场的需要，常常采用相同型号的钢板桩作为锚碇结构，在基坑工程施工完成后拔出回收。但是，作为锚碇结构的钢板桩与常规的钢筋混凝土锚碇结构相比，构件刚度大大减少，应作为柔性结构考虑，其自身的受力和变形较大，对整个支护结构的影响相较刚性结构有较大的不同；然而，现行规范中并没有给出柔性结构作为锚碇结构的设计计算方法，如果仍旧套用规范中的设计计算方法，可能与实际受力状态有一定的区别，柔性锚碇结构甚至可能无法提供足够的锚拉力而导致整个支护体系失效[4-7]。

本文结合锚拉钢板桩支护结构在上海软土地区某基坑工程险情处理中的应用，就采用柔性锚碇结构锚拉钢板桩的变形特性和设计方法开展了一些探讨性的分析研究，力求为其在工程建设中的推广应用提供技术支持和实践基础。

1 工程概况

上海市某大型居住社区项目拟在地下建设整体1层、局部2层的框架结构地下车库，采用桩筏基础和预制桩基。基坑整体呈方形，平面尺寸约为140 m×120 m，总面积16 500 m2，基坑普遍开挖深度地下1层区为5.45 m，地下2层区为9.70 m。

1.1 周边环境

基地周边环境条件较好：东侧为待建园田路，现为空地；北侧为现状枫沛路，路面下有少量市政管线分布；西邻陈家湾港；南侧为杨家娄河，河道均已整治，河道蓝线外2 m处设有护岸结构。项目基坑具体环境平面关系如图1所示。

图1 基坑环境总平面示意

1.2 工程地质

本工程场地属于湖沼平原I1区地貌，地基土主要由黏性土、粉性土和砂性土组成，土层有一定起伏，属第四纪全新世（Q4）及上更新世（Q3）沉积物。

场地浅层有③t层灰色砂质粉土分布，透水性好，对基坑稳定性影响较大；第③1层淤泥质粉质黏土力学强度低、层厚大，对围护结构变形控制十分不利。与基坑工程相关的主要土层地质情况见表1。

表1 土层物理力学参数

2 支护方案

2.1 整体施工方案

根据本工程基坑规模较大且深坑嵌套深坑的特点，选定“分区顺作、先深后浅”的整体施工方案：地下1层区和地下2层区分别独立围护、先后开挖施工，在地下2层区完成地下结构施工后再进行地下1层区的开挖施工，通过时空效应原理减少基坑暴露的时间和空间，控制基坑变形，保护周边环境。

2.2 基坑支护方案

地下1层区选用自立式围护结构——水泥土重力式围护墙，墙体采用“椅子式”布置形式，坑内能敞开挖土，施工便捷，有利于缩短工期。

地下2层区采用板撑式支护体系——钻孔灌注桩围护＋三轴搅拌桩止水＋2道钢筋混凝土水平支撑，施工工艺成熟，环境影响小，变形控制能力强。

3 施工过程

本基坑自2018年5月开始施工，至9月地下2层区施工完成，地下1层区开始由西向东进行土方开挖。10月初，为加快进度，施工单位在未作任何道路强化处理的情况下，允许混凝土搅拌车、土方运输车等重型车辆驶上西侧围护墙顶并来往行走，实际施工超载远大于设计限值。10月8日下午基坑西侧重力式挡墙墙体开始出现裂缝，之后墙体变形迅速增加，至次日早晨一夜间变形增量达21 mm；现场围护墙墙顶多处出现纵向开展裂缝，坝体中部向坑内倾斜，存在垮塌失稳的风险；坑外地表明显沉降，外侧土体向河道方向滑移，河道护岸结构基础下沉引起顶部栏杆断裂损坏，如图2所示。施工单位已停止挖土作业，为减缓变形发展速度，采取了被动区堆土反压的临时措施。

图2 施工现场险情照片

10月9日，相关参建单位就西侧坝体险情处理集中商议，认为基坑存在重大安全隐患，需要立即进行加固处理。由于重力式挡墙水平位移大、表面开裂严重，墙体内部大概率存在可能导致挡土隔水性能失效的结构性破坏，因此考虑在变形最大的围护墙体中部区段外侧加设一套锚拉钢板桩作为加强支护结构，钢板桩围护两端与完整性较好的重力式挡墙搭接形成止水封闭，基坑内部仍可开敞施工，有利于加快抢险施工速度。

此外，为降低中部坝体垮塌风险，将其内插型钢与围护钢板桩顶部进行了部分连接，以限制变形发展。施工过程中，加强现场管理，基坑顶部禁止车辆通行；加密监测频率，遇到异常情况及时通知相关各方启动应急预案。通过上述手段，达到保障基坑本体稳定与周边建（构）筑物安全的目的。

4 锚拉钢板桩设计计算方法研究

根据本工程基坑的特点，主要考虑抢险时间的紧迫性，作为加强围护结构的锚拉钢板桩选用相同规格的钢板桩作为锚碇结构，锚拉钢筋从陈家湾港上方越过并锚固于对岸的公共绿地中，设计计算中偏于安全地忽略河道范围内土体的抗力贡献，采用有限元仿真分析对规范方法进行复核修正，具体过程如下。

4.1 规范设计方法

根据相关规范[2-4]，采用竖向弹性地基梁法，按带1道支撑的钢板桩支护模型用“m”法算得满足稳定性变形要求的围护钢板桩长度不少于12 m，单位长度钢板桩上锚拉钢筋的拉力为151.2 kN。

锚碇结构的埋入深度和平面尺寸应符合稳定性要求，即锚拉钢筋的拉力与主动土压力之和不大于被动土压力，且锚碇结构和围护结构之间的控制距离根据两侧结构的滑动破坏面确定。通过对锚碇结构临界插入深度的迭代计算，最终确定采用6 m长的锚碇结构时，锚碇结构和围护结构之间保持10 m的最小距离可以满足平衡计算要求。

然而，规范计算方法是以刚性锚碇结构为设计对象的，其受力性状和破坏模式都与柔性锚碇结构有较大的不同。为了确保锚拉钢板桩支护体系的整体有效性，有必要建立有限元模型对开挖过程进行数值模拟，以便对规范设计结果进行完善和修正。

4.2 有限元仿真分析

在有限元分析中，土体采用适用于基坑开挖的Hardening-Soil（硬化土）模型，围护桩和锚碇桩采用板单元、锚拉钢筋采用锚杆单元进行模拟，围护桩、锚碇桩和土体之间采用接触面模拟桩土相互作用，建模的土性参数参考勘察单位提供的地勘资料，模型边界条件采用标准边界，即模型底部限制水平和竖向位移，两侧限制水平位移[5]。有限元模型如图3所示。

图3 有限元网格模型

随着基坑模拟开挖施工的进行，围护钢板桩变形不断增大，桩身水平位移呈“C”形，最大变形发生在开挖面附近，开挖至坑底时达到最大值11.4 mm；锚碇钢板桩的最大受力部位在桩顶，桩身水平位移呈上大下小的形状，在开挖卸荷作用下桩顶变形不断增大，开挖至坑底时顶部最大位移27.4 mm，桩后方土体发生沉陷。模型开挖至坑底时的水平变形云图如图4所示。分析结果表明，锚碇钢板桩在基坑开挖过程中能够通过锚拉钢筋对围护钢板桩的顶部变形起到有效约束作用。

图4 开挖至坑底水平变形云图

接下来，分别选取6、9、12 m三种标准长度的锚碇钢板桩，进一步分析不同锚碇桩长的锚拉钢板桩支护整体受力性状，并提取开挖至坑底时围护桩和锚碇桩的变形曲线进行比较，汇总如图5所示。

图5 钢板桩水平变形曲线

从图5中可见，随着锚碇桩桩长的增加，围护桩、锚碇桩的水平变形都表现出逐渐减小的变化规律，且锚碇桩底部的嵌固效果也越来越显著。此外，由于锚碇桩桩端嵌固土层的不同，土层力学特性的不同也会对锚碇桩及围护桩的受力变形产生影响。

综上，为了确保围护体系的安全和稳定，在实际应用中结合上述分析结果对规范设计进行了一定加强：锚碇钢板桩桩长加长至9 m，确保桩端嵌固效果，并通过对锚拉钢筋施加100 kN/m预拉应力的方式，控制围护钢板桩和锚碇钢板桩的初始变形，保证锚拉力的有效提供。加强围护剖面如图6所示。

图6 锚拉钢板桩加强围护结构剖面

4.3 方案实施效果

2018年10月16日，锚拉钢板桩加强支护施工完毕，现场如图7所示。此时该处累计变形约为84 mm。后续施工中加快了地下室基础底板的浇筑进度，并按要求加强了对围护结构的变形监测，典型测斜曲线如图8所示。

图7 加固施工现场照片

图8 桩侧土体测斜曲线

从图8可见，16日以后基坑变形随着被动区覆土的挖除有所增加，但开挖至坑底，在进行底板浇筑和地下结构施工的过程中逐渐趋于收敛，最后稳定在110 mm左右，直至基坑施工完成没有再出现险情。从现场情况来看，锚拉钢板桩加强支护取得了良好的加固效果。

5 结语

本文结合背景工程对锚拉钢板桩在软土地区基坑工程中的应用进行了一些探讨，主要得出以下结论：

1）对于采用钢板桩等柔性锚碇结构的锚拉钢板桩支护体系，由于其刚度弱化较大，通过规范设计计算方法确定的各项技术参数，需结合合理的模拟仿真分析进行修正完善，方能保证其在实际应用中的安全性、稳定性和可靠性。

2）柔性锚碇结构在基坑开挖过程中能够通过锚拉钢筋对围护结构的顶部变形起到有效约束作用，其受力和变形与围护结构具有关联性，并且直接影响锚拉钢筋的张拉和收缩，分析计算时应考虑到二者的变形协调。

3）随着柔性锚碇结构桩长的增加，围护桩、锚碇桩的水平变形都表现出逐渐减小的变化规律，锚碇桩底部的嵌固效果也越来越显著，锚碇桩桩端嵌固土层的力学特性会对锚碇桩及围护桩的受力变形产生一定的影响。

在锚拉钢板桩受力机理和变形性状、柔性锚碇桩简化设计方法以及在不同土层中的适用性等方面，还有待于进一步研究，希望随着实践积累和理论分析的不断深入，能为锚拉钢板桩支护在地下工程领域的推广应用提供助力。