钢板桩支护施工技术在市政道路施工中的应用

徐双

（浙江沧海建设有限公司，浙江 宁波 315000）

1 引言

路面开裂、隆起、塌陷等质量问题严重影响着市政道路工程的施工质量及安全性。蓝宏[1]以拉森钢板桩支护技术作为研究对象，强调该支护结构适用于软土地基，并与灌注桩等工艺方案比较分析，为市政基坑支护施工提供重要借鉴。钟远享等[2]研究了软土地基沉降量的计算方法，在原有室内单向压缩试验的基础上建立三维模型。本文以前人研究所得出结论为基础，围绕市政道路施工中钢板桩支护技术的具体应用展开讨论，以供参考。

2 某市政道路施工问题

2.1 工程概况

以某市政道路工程为例，其中一个标段的主要施工任务为城市新区快速路建设，该市政道路全长5.8 km，规划红线60～100 m。工程建设区域场地属长江三级阶地地貌，地势总体平坦、多为湖泊与湖积平原，局部略有起伏，呈剥蚀堆积地貌，岩土层自上而下依次为杂填土、淤泥、粉质黏土、含碎石黏土、强风化泥灰岩及灰岩、黏土岩夹灰岩，各地层地质参数见表1。

表1 工程建设区域各地层地质参数

2.2 市政道路施工面临问题

该项目在针对K1+255～K1+300 段开展现场勘察时发现，该施工区域原为湖湾沉积相，湖泊底部淤泥质软土层厚5～7 m。受市政道路规划开发影响，在场地范围内填入2 m 厚杂填土，采用水泥搅拌桩施工方案完成场地处理。但受外部因素影响，在项目施工过程中停工2～3 个月，加之连续多日降水后，在该路段沿辅道中线走向处发现路基隆起现象，路基基底产生塑性变形，且现场布设的水泥搅拌桩出现倾斜、断裂等问题。经施工团队现场勘察与调研，判断造成路基隆起、变形的原因如下。

1）在施工路段停工期间，周围房建工程开始动工，将基坑开挖土方清运至邻近施工道路红线侧，高约6.5 m 的弃土堆对市政道路下伏软弱土层产生挤压力。

2）原水泥搅拌桩施工扰动软弱土层，且搅拌桩强度不足以抵抗弃土堆挤压作用下形成的侧向位移。

3）在停工期间遇连续多日降雨，因雨水下渗使土体自重大于原软弱土层承载力，影响市政道路建设质量。

3 软基处理施工方案及关键技术

3.1 软基处理方案

基于现场调研结果可知，施工区域地质条件不利于深基坑开挖作业，在路基范围内原水泥搅拌桩未达到设计强度，改用抗滑灌注桩等施工方案工程造价较高。在现场勘察过程中发现，邻近施工道路挖出土方顶部存在宽10～30 cm 裂缝，沿路基隆起边界开挖时可见软土层滑移现象，在市政道路左幅水泥搅拌桩施工边缘的断面存在3 个滑弧剪出点，由此确定圆弧滑动面分布位置。经施工团队组织论证，最终确定采用钢板桩支护施工方案，以道路红线为分界线将滑动面划分为Ⅰ区和Ⅱ区两个区域，将钢板桩沿分界线穿过圆弧滑动面、嵌入淤泥层下方一定深度处，充当临时支护结构，待水泥搅拌桩强度形成、邻近道路红线弃土堆移除后，即可将钢板桩拆除，并支持回收后循环利用。

3.2 钢板桩支护施工关键技术

3.2.1 钢板桩选型

根据道路施工区域水文地质条件，将弃土堆视为均布荷载，主动土压力、被动土压力与水压力的调整系数均取值为1.0。结合各地层地质参数计算钢板桩嵌入各地层的深度（见表2），分别获取不同嵌入深度下钢板桩承受土体压力的分布特征，例如，在路面处钢板桩承受的主动土压力6.78 kPa、被动土压力为0 kPa，在深18 m 处钢板桩承受的主动土压力190.3 kPa、被动土压力为752.98 kPa。经抗倾覆力矩、抗隆起量及安全系数验算，确认钢板桩在道路红线处打入土层的深度≥13.9 m，打入弃土堆部分外露高度≥4.1 m，打入粉质黏土层深度≥6.7 m，由此在钢板桩选型环节，选用拉森Ⅳ-400 mm×125 mm 型钢板桩，钢板桩长度包含18 m 与24 m 两类。

表2 钢板桩嵌入地层深度计算结果

在钢板桩施工前，协调房建项目负责人停止堆放弃土，对邻近道路红线3 m 范围内弃土执行现场清理作业，将路基整平至设计高程，再将路基隆起部位挖除，并避让原道路路基隆起部位断裂、倾斜的水泥搅拌桩，以一定间距选择临近点位重新施打。

3.2.2 安装导向架

选用工字钢与高强螺栓以焊接形式连接，与两侧围檩槽钢配合组成钢板桩支护结构，利用可调旋转基座将钢板桩横向支撑结构定金，并调节支撑层次及标高。在安装导向架环节，采用导梁、围檩组成单层双向导向架体结构，由现场施工人员利用经纬仪、水准仪测放出架体安装位置，确认导向架安装高度与垂直度，并严格控制导向架与钢板桩的间距，为钢板桩施打提供良好条件。

3.2.3 施打钢板桩

待完成前期施工准备与现场踏勘后，控制履带吊进入施工区域停留在道路右幅路面处，逐根查验钢板桩外观质量，确认无锈蚀或变形问题，在锁扣内涂抹适量润滑油脂。在正式施打钢板桩环节，控制振动锤匀速下降，将钢板桩逐渐下放至夹扣处，启动液压设备将钢板桩夹紧；随后控制振动锤匀速上升，使钢板桩恰好位于打桩点上方，对准锁扣后释放振动锤，利用锤击与钢板桩自重将桩体打入土层下方指定深度处，捶打30 s，桩体距设计高度约30～40 cm 时停止振动，借助振动锤的惯性作用将钢板桩压入坚实土层，使锁扣实现顺利咬合。在施打钢板桩过程中，施工人员需密切观察桩体垂直度，将桩体轴线偏差、桩顶标高偏差均控制在±10 cm 以内，当测得桩体倾斜度大于2%时，需将其拔起并重新施打。待将钢板桩打入土层后，松开液压夹扣使锤体恢复指定高度，及时开展钢板桩闭水试验，对渗漏点采取修堵措施，并准备施打第二根桩。

3.2.4 钢板桩拔除

待完成基坑回填后，由施工人员逐桩测量钢板桩打入深度，判断拔桩难易度，采用振动锤拔桩法将钢板桩拔除，并在拔桩过程中避让地下管线与水泥搅拌桩，对拔桩后产生的土孔采取分层灌水捣实法。此外，现场施工人员需在基坑两侧设置截水明沟、坑内布设临时排水沟，并落实支护结构位移量、基坑沉降量监测，保证基坑支护质量。

4 施工效果检验与评价

4.1 建立计算模型

4.1.1 软基固结沉降变形模型

由于软基的沉降主要包含固结沉降变形、塑性变形等，因此，引入比奥固结理论建立二维固结控制方程。在软弱地基沉降、固结状态下建立平衡微分方程：

式中，γ 为土体重度，g/cm3；μ 为孔隙水压力，Pa；G 为土体剪切模量，Pa；υ 为泊松比；i 和j 分别为小应变下，几何方程中x向、y 向的位移分量，mm。

利用上述方程式可求解出i、j 两个未知量，还需引入连续方程求解未知量μ，基于达西定律，将饱和土中水的渗流速度设为q，单位m/d；渗透系数张量（kx，ky）为k，单位cm/s[3]。当单位饱和土体内水的体积发生变化，其变化量等同于水从单位饱和土体边界流入/ 流出时的体积，已知饱和土应变为ευ；拉普拉斯算子为Δ2；流体流动时间为t，单位s，则软基市政道路的比奥固结连续方程满足以下条件：

4.1.2 土体塑性变形控制模型

基于德鲁克-普拉格准则与非关联流动法则，用应力不变量i1、j2表示土体弹塑性变形的屈服条件，将描述土体内摩擦角的常数记为αφ；土体黏聚力常数记为kc；土体发生塑性变形的载荷为f，单位Pa。建立以下方程判断土体是否发生塑性变形、属于软弱土体：

4.2 有限元分析与现场测试结果

采用有限元法建立断面施工区域模型，对模型施加重力荷载与水压力完成静态应力求解，将钢板桩设为固体单元，弹性模量为2×105MPa，泊松比取值为0.2，钢板桩支护结构的刚度系数为8.8×105kN/m，获取沉降观测期间模型渗透系数计算结果（见表3）。从中可发现，钢板桩支护结构在30 d 内应力变化处于稳定状态，周围土层已基本结束变形，仅在1.5 m 高程处的水平位移出现轻微回弹现象，累计位移量13.4 mm，远小于临界值50 mm，符合软基形变控制要求。

表3 模型渗透系数计算结果

表3 中，kx是x 方向的渗透系数；ky是y 方向的渗透系数。

5 结语

采用钢板桩临时支护施工技术可有效抵抗软土路基施工过程中邻近弃土堆对施工部位产生的挤压变形作用，为水泥搅拌桩的重新施打提供良好施工条件，防范桩体再次出现断裂、倾斜等问题。测试结果显示，经钢板桩支护后，复合地基承载力突破100 kPa，后期监测结果表明路基沉降量、软基形变量均控制在允许范围内，证明钢板装支护作业顺利解决了软基处理问题。未来还需持续研究关于市政道路软基处理工艺、置换填土成分的优化设计方案，尝试引入高强度塑钢材料提高现有支护结构强度与路基承载力，为后续同类复杂路况下施工方案编制提供示范经验。