某深基坑钢板桩支护方案的设计探究

贺亮

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200231）

1 引言

近几年，随着国家基建工程的高速发展，深基坑工程作为重要的地下工程，得到了充分的应用。深基坑的施工方案设计、验算[1]与位移监测，对深基坑工程的实施起到了至关重要的作用。如何确保设计方案的可行性、安全性、经济性，是诸多工程人员研究的重要课题。本文通过对虞河特大桥深基坑方案进行工况设计并对施工过程中位移监测进行布置设计，为以后类似工程深基坑的设计与施工提出有力经验参考。

2 工程概况

望虞河特大桥位于苏州市常熟市海虞镇境内，线路于DK224+658 里程处跨越204 国道，于DK224+658 里程处跨越204 国道。204 国道面宽约24.7 m，道路立交协议要求桥下净宽21.5 m，既有道路净空要求5.5 m，线路与204 国道夹角为150°，采用70 m+125 m+70 m 连续梁跨越204 国道。本连续梁DK224+519.000～DK224+613.524段位于直线上坡段，坡率为2.3‰，DK224+613.524～DK224+686.476 段位于半径R=25 000 m 的竖曲线上，DK224+686.476～DK224+785.500 段位于直线下坡段，坡度为-0.618‰，线间距5 m。望虞河特大桥183#和184#承台尺寸为14 m×17.8 m×4 m，承台基坑采用钢板桩围护。

3 方案选择

3.1 方案设计

根据实际情况，183#承台处地面标高为+2.632 m，现状为水泥路面，考虑现场平整场地后的实际情况，设计确定钢板桩围堰顶标高为+3.132 m，钢板桩采用拉森Ⅳ型长18 m 的钢板桩，钢板桩底标高为-14.868 m，钢板桩深度是9.870 m，基坑开挖深度是8.130 m。184#主墩地面标高为+2.400 m，设计预定钢板桩围堰顶的标高为+2.900 m，钢板桩均采用拉森型长18 m 的钢板桩，钢板桩底标高为-15.100 m，钢板桩入土深度为10.54 m，基底开挖深度6 m。

钢板桩围堰设计考虑的工艺[2]：钢板桩插打合龙后进行基坑开挖，开挖过程中采用边挖边撑的方法，为了在开挖过程及底板施工过程中控制基坑的变形及位移，基坑设置2 道围檩及内支撑，上层围檩支撑设置于二级承台顶面以上10 cm 处，使用双拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mmH 型钢，斜撑采用道双拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mm 型钢斜撑，内支撑采用2 道φ609 mm×10 mm钢管。下层围檩支撑设置于二级承台以上20 cm 处，及使用三拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mm H 型钢做为斜撑[3]。考虑斜撑采取层拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mmH 型钢斜撑，内支撑采用2 道φ609 mm×10 mm 钢管[4]。开挖到支撑位置后必须尽快完成支撑安装，然后方可继续开挖，开挖至设计标高后，浇筑20 cm 厚垫层，然后进行承台施工。承台施工完成后，在承台与钢板桩之间利用良好干燥的原状土进行回填，压实合格后及时地拔钢板桩。具体钢板桩围护设计布置形式如图1、图2 所示。

图1 钢板檩平面图（单位：m）

图2 钢板桩面图（单位：m）

3.2 工况设计

内力计算方用增量法，支护的安全等级为二级，支护结构的重要性系数取1.00。基坑深度8.130 m。嵌固深度9.87 m，计算超载值为24.00 kPa，有效的宽度为2.50 m，距离基坑坑边2.40 m[5]。钢板桩分别深入黏性土、粉砂、黏性土3 层土质。内侧降水随开挖过程变化。在应力状态下决定利用瑞典条非法计算其稳定性。施工工况见表1。

表1 基坑施工工况

3.2.1 截面验算

基坑内侧的最大弯矩设计值为280.13 kN·m、基坑外侧最大弯矩设计值为277.19 kN·m，最大剪力值为250.67 kN。

基坑内侧的抗弯验算结果为（没有计算轴力影响）：

σwai=Mn/Wx=127.333 MPa＜f=215.000 MPa（规范允许值），验算符合要求。

基坑外侧抗弯验算结果为（没有计算轴力影响）：

σnei=Mw/Wx=125.997 MPa＜f=215.000 MPa，验算符合要求。

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

3.2.2 整体稳定性验算

计算方法采用应力状态下瑞典条分法，条分法中的土条宽度取0.40 m。滑裂面数据：圆弧半径R=11.855 m，圆心坐标（-2.336 m，0.115 m）。

整体稳定安全系数k=1.531＞1.30（规范值），满足规范要求。

3.2.3 抗倾覆(对护底矩)稳定性的验算

抗倾覆稳定安全系数计算公式：

式中，kov为抗倾覆稳定安全系数；Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力，由内支撑的抗压力大小决定，对于锚杆或者锚索，支点力为锚杆或者锚索的锚固力大小和抗拉力大小之间的最小值；Ma为主动土压力对桩底的抗倾覆弯矩。

经计算，工况1～工况5 的抗倾覆稳定安全系数分别为：3.282、6.201、4.941、7.421、6.065。工况1 的抗倾覆稳定安全系数最小，kov=3.282＞1.200（规范值），满足规范要求。

3.2.4 嵌固深度构造验算

根据公式：嵌固构造深度=嵌固构造深度系数×基坑深度，计算可得最小嵌固深度为1.626 m，嵌固深度的采用值为9.870 m＞1.626 m，满足构造要求。

3.3 围檩及内撑计算

3.3.1 围檩及内斜撑强度计算

根据理正深基坑软件可以计算出的最大支反力为：上层围檩293.06 kN；下层围檩923.11 kN。最大支撑间距为3 m，上层围檩最大分布荷载293.06/3=97.7 kN/m，下层围檩最大分布荷载为923.11/3=307.7 kN/m。采用Midas/Civil建立φ609 mm×10 mm螺旋钢管内撑、三拼或双拼400 mm×400 mm×13 mm×21 mmH 型钢围檩组成的空间整体模型（见图3、图4）。构件均采用梁单元模拟[6]，φ609 mm×10 mm 螺旋钢管采用235 钢材，围檩和斜撑采用345 钢材。

图3 上层围檩模型

图4 下层围檩模型

计算结果：最大组合应力107.2 MPa＜310 MPa；最大剪应力47.8 MPa＜180 MPa；最大位移为8.00 mm＜11.00 mm，围檩组合应力计算如图5、图6 所示，强度和刚足规要求。

图5 上层围檩组合应力

图6 下层围檩组合应力

3.3.2 围檩及内撑稳定性计算

上、下层围檩一阶屈曲模态如图7、图8 所示。

图7 上层围檩一阶屈曲模态

图8 下层围檩一阶屈曲模态

综上所述，上层围檩结构稳定系数为14.0，大于4；下层围檩结构稳定系数为13.5，大于4，则钢围檩及钢管内撑的稳定性满足要求。钢板桩的刚度、强度及结构稳定性符合施工艺设要求。

4 位移监测要求

对体系支撑结构平位移、地下水、周边地表竖向位移，采用现场仪器监测与巡视检查相结合的方法进行检测。根据GB 50497—2009《建筑基坑支护技术规程》表8.04，累计变形取表中绝对值与相对基坑深度控制值的较小者。累计水平位移绝对值：一级基坑为25～30 mm，二级基坑为40～50 mm。水平位移相对基坑深度控制值：一级基坑为（0.2%～0.3%）h（h 为基坑深度），二级基坑为（0.5%～0.7%）h。累计竖向位移绝对值：一级基坑为10～20 mm，二级基坑为25～30 mm。竖向位相对基坑深度控制值：一级基坑为（0.1%～0.2%）h，二级基坑为（0.3%～0.5%）h。建立三级预警制度：当监测项目的变化率达到规定值或连续3 d 超过该值的70%，现场施工班组长第一时间将工人撤离危险区域，按照应急预案采取相应的应急措施，增加围檩或内部支撑或向围堰内部注水。最终确定本文设计基坑的预警值详见表2。

表2 望虞河特大桥跨204 国道连续梁主墩深基坑预警值

5 结语

本文通过对望虞河深基坑的钢板桩设计验算，决定采用拉森型钢板桩，桩长18 m。其验算结果满足基坑整体稳定性、基坑抗倾覆、嵌固深度要求、钢板桩、围檩和内斜度及刚度、钢围檩和内撑稳定性满足要求，可以作为现场施工参考依据。并建议项目部所提供支护方案和地质信息如有变化或与实际不符，应及时重新检算。雨季施工时，应注意加强防水排水工作。施工中，对钢板桩及钢板桩内外土体的变形沉降等按规定进行。施工过程中，桩采用拉森Ⅵ型钢板桩，运至工地后对钢板桩的弯曲、破损及锁口情况进行检查、整修；钢板桩在插打前在锁口处涂以减磨剂，以减少插打时的摩阻力，并提高防渗性能。