市政工程基坑中的钢板桩应用

李玉才

（湖北地矿建设勘察有限公司，湖北武汉 430050）

0 引言

钢板桩支护结构在国内外的建筑、市政、港口、铁路等领域都有悠久的使用历史。钢板桩支护结构属板式支护结构之一，适用于场地等条件受限的地下工程施工，基坑或基槽无法采用放坡开挖、必须进行垂直土方开挖时采用。钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧（或冷弯）型钢，靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩墙，用来挡士和挡水（在防水要求不高的工程中，自身防水基本满足）；具有高强、轻型、施工快捷、环保、美观、可循环利用等优点[1]。

1 工程概况

沙塘安置小区周边配套道路工程建设地点位于湖北省鄂州市新庙镇。本次工程范围为学府路及球团西路的雨水管、污水管基坑工程。拟建学府路（文塘路-球团西路）起点桩号为K0+040，终点桩号为K0+950，道路红线宽度为30m，属城市次干路。拟建球团西路（鄂东大道—吴楚大道）起点桩号为K0+035，终点桩号为K1+760.635，道路红线宽度为30m，属城市次干路。雨水管径为0.8～1.8m，污水管径0.5m。基坑支护用地范围不得超出拟建道路红线宽度。支护长度1126m，基底开挖宽度为3m，基坑挖深为5.0～8.0m。

2 工程水文地质

场地沿线地貌单元主要为剥蚀堆积垄岗及长江冲洪积二级阶地，局部地段见剥蚀残丘。勘察期间，场地主要为农田、水塘、沟渠、菜地、村庄、林地及道路等。场地地段地势有起伏较大，现状地面标高在19.73～28.40m。

拟建场地岩土层自上而下主要由6 个单元层组成：第（1）单元层为人工填土层（Qml）、素填土混淤泥层（Qml）；第（2）单元层为第四系全新统冲积形成的一般黏性土层（Q4al）；第（3）单元层为第四系上更新统冲洪积老黏性土、粉质黏土夹粉土、黏质粉细砂层（Q3al+pl）；第（4）单元层为花岗岩残积土和红黏土层（Qel）；第（5）单元层为燕山期侵入的花岗岩（η）；第（6）单元层为石炭系（C）灰岩层及溶洞。

拟建工程沿线地表水体较发育，局部地段分布有鱼塘、藕塘和沟渠等，地表水主要来源于地表散水和大气降水的补给，以蒸发和下渗为主要排泄方式，同时与其邻侧填土层中的地下水之间存在一定的互补关系。本场区地下水按赋存条件，可分为上层滞水、层间潜水、孔隙承压水、基岩裂隙水。

3 基坑支护设计

3.1 基坑重要性等级

根据基坑挖深、地质条件及周边环境（无重要特殊保护对象，大部分场地较宽松，判断周边环境为一般）参照湖北省《基坑工程技术规程》（DB42/T 159—2012）标准，综合考虑基坑工程重要性等级为二级。

3.2 支护设计参数

根据地勘报告及基坑支护结构影响深度范围地层分布情况，统计相关地层的物理力学参数如表1 所示。

表1 地层物理力学参数

3.3 周边荷载参数

基坑周边施工荷载按30kPa 计入稳定性计算，且施工荷载距基坑开口线距离不得小于3m，施工荷载不得超过设计值。

3.4 计算程序计算方法

本基坑计算和辅助设计软件采用“天汉”软件（V2015）。采用朗肯土压力理论，按水土压力合算，被动土压力折减系数取1.0，临时支护结构调整系数为0.95[2]。

3.5 基本设计思路

管道基坑开挖深度5.0～8.0m，大部分场地具备放坡条件，由于管道基坑施工工期短，随挖随填，从施工成本、施工可行性及安全因素考虑，优先选用放坡开挖的形式。局部挖深7.0～8.0 区段为拟建桥梁，避免扰动拟建桥墩周边地层，选用钢板桩+内支撑+桩顶放坡的支护形式。本文主要介绍钢板桩支护段的种植基坑支护设计。

3.6 支护方案

（1）拉森钢板桩：采用长12m 新Ⅳ型拉森钢板桩小锁口打入。

（2）钢支撑及围檩：选用ϕ478×12 焊接钢管，纵向间距3.0m，双拼型钢HW300×300×10×15 围檩，围檩与钢板桩间空隙采用C30 细石混凝土填实。

（3）桩顶平台宽1.0m，桩顶坡高2.0m，坡率1∶1。坡面挂钢筋网喷混凝土护坡，喷射混凝土强度等级C20，厚80mm，二次喷射。现场拌制，配比为水泥：砂：石子：速凝剂＝1∶2∶2∶0.03。选用ϕ6.5@250×250 钢筋网，土钉为1m 长HRB400ϕ16 钢筋，与土钉连接部位，设双向HRB400ϕ16 加强筋，与土钉焊接。

3.7 支护结构构件信息

桩顶标高：-2.000m（24.3m），桩顶埋深：2m。

入土桩长：11.0m，桩排水平间距：1m。

钢板桩型号：拉森钢板桩FSP－Ⅳ型，壁厚为15.5mm，单片桩截面宽400mm，高度170mm，单片桩截面面积96.99cm2，惯性矩4670cm4，截面模量362cm3。

桩身计算截面几何类型：矩形；计算面截参数：宽×厚=1000mm×340mm。

桩身每延米截面面积：0.02425m2；每延米截面惯性矩：0.000386m4；每延米截面模量0.002270m3。

钢材质：Q235，弹性模量：200GPa。

围檩：双拼HW300×300×10×15 型、对x 轴截面净截面模量Wnx=2657.70cm3、钢材质：Q235。

支撑：ϕ478×12 焊接钢管，对x 轴截面净截面模量Wnx=2270cm3、钢材质：Q235。

4 支护结果计算

4.1 天汉计算结果

工程名称：沙塘安置小区周边配套道路工程管道基坑。

计算单元名称：学府路污水管K0+457—K0+530

计算单元说明：基坑重要性等级：2，临时支护结构调整系数：0.95，采用总应力法（水土合算），被动区无加固。

引用钻孔名：QLK6，孔顶绝对标高：26.69m，结构±0.00=26.3m，采用整平标高作为计算地面标高，计算地面相对标高=26.3m，结构±0.00 与计算地面的相对高差：0m，最大开挖深度=8m，共4 工况。

结构信息：桩排结构，设计桩长：11m 方形截面，桩排截面高（垂直边坡方向）：340mm，桩排截面宽（平行边坡方向）：1000mm，嵌入坑底深度：5m，小于弹性嵌固特征深度：6.8m。

计算结果：最大位移：14.4mm，最大位移发生在相对标高=-7.10m（地面以下7.10）m，最大位移发生在工况：4/最大正向弯矩：27kN·m，最大正向弯矩发生在相对标高=-11.05m（地面以下11.05）m，最大负向弯矩：-144kN.m，最大负向弯矩发生在相对标高=-6.70m（地面以下6.70）m。

计算结果：最大正向剪力：69kN，最大正向剪力发生在相对标高=-8.79m（地面以下8.79）m，最大负向剪力：-51kN/最大负向剪力发生在相对标高=-4.61m（地面以下4.61）m，最小被动区弹性抗力安全系数=1.76，发生在工况4，满足相关规范要求。计算结果如图1 所示。

图1 计算结果

4.2 型钢围檩截面强度验算

学府路K0+457—K0+530 段污水管双拼HW300型钢围檩支撑轴力标准值最大值Nk=50kN、支撑间距s=3.0m、支护结构调整系数0.95、恒载分项系数1.35、对x 轴截面塑性发展系数γx=1.05、对x 轴截面净截面模量Wnx=2657.70cm3、围檩型号：双拼HW300×300×10×15 型、钢材质：Q235。

支撑轴力设计值N=1.35ψtNk·s=1.35×0.95×50×3.0=192.375kN。

围檩均布荷载q=N/s=192.375/3.0=64.125kN/m。

端部弯矩设计值W =qs2/12 =64.125 ×32/12 =48.10kN·m。

强 度 验 算σ=M/（γx×Wnx）=1000×48.10/（1.05×2657.70）=17.25MPa＜215MPa，满足强度要求。

4.3 钢板桩截面强度验算

学府路K0+457—K0+530 段污水管最大正弯矩标准值Wk=27kN·m、最大正剪力标准值Vk=69kN；最大负弯矩标准值Wk=-144kN·m、最大负剪力标准值Vk=-51kN；支护结构调整系数0.95、恒载分项系数1.35、对x轴截面塑性发展系数γx=1.05、对x 轴截面净截面模量Wnx=2270cm3、钢材质：Q235。

最大正弯矩设计值W=27×1.35×0.95=34.65kN.m。

最大正剪力设计值V=69×1.35×0.95=88.50kN。

最大负弯矩设计值W=-144×1.35×0.95=-184.68kN·m。

最大负剪力设计值V=-51×1.35×0.95=-65.50kN。

根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）第6.1.1[3]，钢板桩截面受力状态为单向受弯，最大抗弯强度计算公式简化为：

抗剪强度满足要求。

钢板桩抗弯抗剪强度均满足要求。

4.4 支撑强度及稳定性验算

支撑强度主要为抗压强度，由轴力及弯矩（自重及施工荷载引起弯矩，安装偏心弯矩）两部分组成。稳定性验算分为平面内及平面外两种。限于篇幅，省略计算过程。经计算本支撑强度及稳定性验算满足要求。

5 需重视的施工技术要求

本项目施工主要涉及测量放线、钢板桩、围檩、内支撑、土方开挖及回填、土钉挂网喷混凝土等施工内容。本文强调以下两个内容。

5.1 钢板桩引孔及成桩

（1）钢板桩桩端进入硬塑状黏性土，应采用旋挖机（长螺旋钻桩机、搅拌桩机）等机械引孔[4]。

（2）宜进行试成桩试验。钢板桩桩体不应弯曲，锁口不应有缺损和变形。

5.2 开挖和回填施工

应符合下列规定：①基坑土方开挖的顺序应与设计工况相一致，严禁超挖；基坑开挖应分层进行；基坑开挖不得损坏支护结构和工程桩等。②基坑周边施工材料、设施或车辆荷载严禁超过设计要求的地面荷载限值。③基坑开挖至坑底标高时，应及时进行坑底封闭，并采取防止水浸、暴露和扰动基底原状土的措施。④基坑回填应排除积水，清除虚土和建筑垃坡，填土应按设计要求选料，分层填筑压实，对称进行，且压实系数应满足设计要求[5]。

6 结语

市政工程管道基坑的施工场地受很多因素限制。全工段大放坡无施工可行性。灌注桩（有时组合内支撑）的支护类型费用高、支模浇筑（养护及拆除）的较长工期要求。钢板桩结合内支撑与桩顶放坡具有施工安全高效、经济环保、循环利用的优势，对保证工期、节省工程造价及统筹工程推进有较大参考价值，类似工程可以结合实际采取适合的钢板桩组合类型。