鋼板樁在震后道路加固工程中的應用

                  (中冶集團成都勒察研究總院彭波鄧宇米小友)

摘要：拉森鋼板樁因其具有承載力強、自身結構輕其構成的連續墻體具有較高的強度與剛性，施工簡使，作業高放、環保且可再生利用等特點常被廣泛應用于裝卻碼頭、推土墻，平流堤、船竭、水閘、漁港、止水墻、路橋的護岸結構等永久性工程和基統支護、臨時護岸、橋墩止水圍、臨時筑島等臨時性工程。本文結合工程實例，敘述了拉森鋼板樁支護體系在受“5.12汶川大地震”破壞后的都江堰拉法基水泥有限公司廠區主工藝生產線道路加固工程中的永久性支護實踐應用，從設計、施工工藝、工藝流程、施工方法以及沉樁質量控制和保證措施分別進行了闡述，說明了森鋼板柱在震害加因工程中的優越性。

關鍵詞：拉森鋼板樁 震害 加固 應用

1 工程概況

都江堰拉法基水泥有限公司位于四川省都江堰市蒲陽鎮金風鄉金鳳村，距離成都市55公里。

都江堰拉法基水泥有限公司是由法國拉法基集團與四川省都江堰市建工建材有限責任公司于1999年2月共同投資組建的一家合資企業。總投資為2.58億美元，其中拉法基占75%的股份并全面負責公司的經營管理，是當時中國西南地區最大的外商投資項目之一。都江堰拉法基水泥公司生產廠區是一條從石灰石儲存到水泥發運的日產4000噸水泥生產線。二線3500t/d擴建工程，于2006年10月18日正式點火投產，近期拉法基三線4600t/d生產線總投資7億元，于2010年上半年建成投產。由于5月12日四川汶川發生強烈地震，該廠地處于重災區，生產線受損嚴重。二線廠區主工藝生產線道路及邊坡擋墻在地震中被破壞，道路邊坡擋墻的破壞直接威脅到二線主工藝生產線的安全。見圖1。

    工程道路緊鄰水泥廠二線生產線設備，總長度627.7m。該道路平常用于重型車輛原材料輸送，道路外側為高6.0m的漿砌塊石擋墻，該擋墻在這次地震中同樣嚴重受損。受該公司委托，我院承擔該震害工程的加固設計與治理。根據本工程實際情況結合外籍專家意見，本工程采用了由拉森鋼板樁和H型鋼，預力錯索所組成的支護體系進行道路及邊坡的加固處理，以達到二線的恢復正常生產、恢復道路通行，道路外側擋墻的開挖修復以及擋墻外側三線超深排水溝的修筑。

2 工程地質及水文地質概況

場地所處區域的大地構造環境較為復雜，從北往南有三個一級大地構單元，分別為秦嶺褶皺系，松潘-甘孜褶皺系和揚子準地臺。總體上講，地臺區以地殼振蕩運動為特征，是相對穩定的大地構造環境，地槽區則以大幅度的沉降繼以強烈的褶皺造山和巖漿侵入為特征，是相對活動的大地構造環境。擬建場地位于揚子準地臺西北側龍門山山前凹陷帶，龍門山不斷上升剝蝕，川西臺陷作為它的補償盆地接受堆積。

根據四川省地震局工程地震研究所1999年4月提的《四川省都江堰水泥廠工程場地地震安全性評價報告》，擬建場地位于成都斷陷西北側龍門山斷裂前緣，該斷裂距場地約200m。根據武勘院巖土測試中心提出的《都江堰拉法基水泥廠有限公司（3200t/d）場地詳勘物探報告書》，場地內未發現斷裂。

2.1 地形地貌

擬建場地位于成都平原西北部邊緣的岷江沖洪積扇體的北側，地形總體由西北向東南緩傾，地勢起伏不大，現已人工填平呈階梯狀。

2.2 地層巖性

場地勘探深度范圍內土層主要由第四系上~中更新統(Q2-3al+pl)層構成，場地勘探深度內各巖土層的巖性敘述如下：

2.2.1 人工堆積(Q4ml)層

素填土

以褐黃色為主，主要由粘性土構成，含少量碎石和磚塊等，呈濕的，稍密狀態，層厚為0.80-9.40m，分布在整個場第。

2.2.2 第四系上~中更新統(Q2-3al+pl)層

2.2.2.1 粉質粘土

黃灰色、灰色，含約5-20%強~中風化卵石、漂石，其中約70%為強風化，約30%為中風化，卵石和漂石成為砂巖，偶見石英巖及石英砂巖等，粒徑在40~300mm之間，并含有少量有機質。呈飽和、軟塑狀態，層厚400-7.20m分布于場地鉆孔No57和58。

2.2.2.2 粉質粘土

黃灰色、灰色，含約5-20%強~中風化卵石、漂石，其中約50%為強風化，約40%為中風化，卵石和漂石成份主要為砂巖，偶見石英巖及石英砂巖等，粒徑在40~300mm之間，并含有少量有機質。呈濕的、可塑狀態，層厚0.90-6.20m，分布于場地西側地區。

222.3 粉質粘土

灰色~灰褐色，含有約2~4%的有機質，局部可見未完全分解的腐植物，含有約5~15%的中風化卵、礫石。呈稍濕的、硬塑狀態，層厚0.50~14.00m，分布于場地西側

和中部地區。

2.2.2.4 粘土

灰色，含約5~20%強~中風化卵石、漂石，其中約55%為強風化，約45%為中風化，卵石和漂石成份主要為泥質砂巖，偶見石英巖及石英砂巖等，粒徑在40~300mm之間，并含有少量有機質。呈濕的、可塑狀態，層厚0.60~10.60m，分布于場地東側地區。

2.2.2.5 粘士

灰色~灰褐色，含有約2~4%的有機質，局部可見未完全分解的腐植物，含有約5~15%的強~中風化卵、礫石。呈稍濕的、硬塑狀態, 層厚1.30~9.20m，分布于場地東側地區。

2.2.2.6 稍密卵石

卵石成份主要為砂巖，偶見石英巖、石英砂巖等，多呈亞園形，卵石含量為50%~60%，含有塊石和漂石，一般粒徑40~80mm，最大粒徑600mm，充填物主要為可塑狀態粉質粘土，有少量有機質，呈飽和、稍密狀態，分布于場地大部分地區。

該層卵石風化狀態呈強~中風化，強風化卵石約占總重40%-50%、中風化卵石約占總重5%~15%。根據鉆探揭露，強風化卵石強度很低，手捏即散。中風化卵石能基本保持卵石原有形狀，巖芯多呈短柱狀，輕錘敲擊便碎。

2.2.2.7  中密卵石

卵石成份主要為砂巖，偶見石英巖、石英砂巖等，多呈亞園形，卵石含量為50%-60%，含有塊石和漂石，一般粒徑40-80mm，最大粒徑600mm，充填物主要為可塑狀態粉質粘土，有少量有機質，呈飽和、中密狀態，分布于整個場地。

該層卵石風化狀態呈強~中風化，強風化卵石約占重30%-35%、中風化卵石約占總重20%-25%。根據鉆探揭露，強風化卵石強度很低，手捏即散。中風化卵石能基本保持卵石原有形狀，輕錘敲擊便碎。

2.2.2.8 密實卵石

卵石成分主要為砂巖，多呈亞園形，卵石含量約為55-65%，含有漂石和塊石，一般粒徑40-120mm,最大粒徑600mm，充填物主要為可塑~硬塑狀態粉質粘土，含少量有機質。呈飽和的、密實狀態，整個場地均有分布。

該層卵石風化狀態以強風化為主，強風化卵石占總重的45-50%。手捏易碎，中等風化卵石約占總重的10-20%，能基本保持卵石原有形狀，若芯多呈短柱狀，輕錘敲擊便碎。

2.2.2.9有機質粘土

灰褐~灰黑色，含有約5-17%的有機質及約10%強風化卵石，偶見未完全分解植物殘渣。有嗅味，呈飽和的、流塑狀態，層厚2.60-6.20m，僅在No8和22有分布。

2.3 水文地質條件

場地地下水主要為賦存卵石中的潛水，主要受大氣降水、地表水和地下水徑流補給，總體本由西向東徑流。地下水埋深在1.00-7.20m之間，相當于標高719.55~ 727.38m。據調查，地下水位年變化量約為1.50-4.00m。

3拉森鋼板樁支護體系設計方案

3.1設計目的

受“5.12汶川大地震”的影響，二線廠區道路在地震中被破壞，在余震持續不斷的情況下，本次震后廠區道路加固工程設計的目的是：

1) 加固該條長為627.7m的道路，使道路穩定。

2) 通過對道路的加固穩定，確保水泥廠二線工藝設備基礎的穩定，保證二線的恢復生產，防范余震對生產線的破壞。

3) 確保道路正常通行。

4) 為后期道路外側擋墻修復開挖及擋墻墻底的新建超深排水溝開挖提供安全保障。

3.2設計依據

《熱軋U型鋼板》GB/T20933-2007

《巖土錨桿（索）技術規程》CECS22 2005

《建筑基坑支護技術規程》JGJ 120- 99

《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002

《建筑邊坡工程設計規范》GB50330-2002

《鋼板樁從設計到施工》鋼管樁協會 新日本制鐵株式會社

3.3拉森鋼板樁支護體系方案確定

在起初從技術、經濟等角度出發，根據設計目的和設計依據曾考慮過由抗滑樁組成的樁板式擋墻、預制鋼筋混凝土排樁墻、深層攪拌樁墻、復合微型樁擋墻、拉鋼板樁等多種方案。最終由于拉森鋼板樁加固方案具有如下優點而被確認：

1) 高品質(熱軋定型產品、高強度、輕型)

2) 施工快捷工期短、耐久性良好壽命50年以上

3) 安全環保可再生利用

4) 救災搶險靈活應用如防洪、塌方、塌陷、流沙等。

結合本工程的特殊性(地震后搶險加固，工期短，效果突出)，因此最終選擇了由拉森鋼板樁、H型鋼、樁間預應力錨索組成的復合式支護體系進行震害加固。

在擋墻內側設置一排連續的拉森鋼板樁墻，根據主動土壓力及被動土壓力計算以及抗傾覆驗算結果結合擋墻高度分別選取SP-IV和SP-IVw型鋼板樁。在鋼板樁外側設置一排400×400H型鋼樁作為支撐樁，樁間距3.0m，樁長12.0m。在鋼板樁樁頂位置與H型鋼間設置共一排400×400H型鋼圍檁。在鋼板樁墻內側8m處H型鋼鋼樁支撐樁又對稱位置處設置一排400×400H型鋼錨樁，支撐樁與錨樁之間采用4股φ15.2鋼絞線和錨具組成的拉森鋼的錨索相連，錨索外加50KN預應力。具體內容詳見圖2、圖3。

 

 

(1) 鋼板樁選用：

根據工程所在地場地特點，結合鋼板樁的特性、施工等方面進行考慮，選用拉森SP-Ⅳ和SP-IVw型鋼板樁，因為該型號拉森鋼板樁寬度適中，抗彎性能好，根據計算結果及作業條件決定選用SP-IV鋼板樁長度12長，共1361根、SP-Ⅳw型鋼板柱長度15長，共138根。

(2) H型鋼及鋼絞線選用：

H型鋼選用12米長400×400型熱軋H型鋼樁作為鋼板樁外側的支撐樁和鋼板樁背側錨拉樁，鋼板樁與支撐樁之間設置由400×400H型鋼構成圍檁。H型鋼樁共474支。支撐樁和錨拉樁之間選用4股φ15.2(1×7 標準型)鋼絞線相連接，鋼絞線長度8.5。

 

4  拉森鋼板樁支護體系施工工藝及方法

4.1 施工工藝流程

4.2施工方法

4.2.1  H型鋼的防腐處理

4.2.1.1表面處理

涂裝表面在除裝前必進切底清理，要求達到無銹，無氧化皮、無油污，無水和灰塵，除銹標準應滿足GB8923-88涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級中Sa2.5級的要求。

4.2.1.2 涂裝工藝

涂裝前，配料時先將甲、乙組分按配比重量混合均勻，再按比例加入丙組分混合并攪勻。配好的涂料應盡快用完,25℃時適用期約為30min，因此每次配料不宜過多，以每次3kg為宜。各組分比例與氣溫有關，參照下表調配：

 

為保證涂層附著力，經表面處理合格后先用稀釋的配方涂一道，再按上表要求配料進行涂裝。稀釋的配方具體配比如下：甲：乙：丙：H02稀釋劑=100：(15-25):100：(5 -10)。

應嚴格控制涂膜厚度，做到90%的被測點達到規定的厚度，未達到膜厚的被測點，其膜厚應達到規定值的90%。允許對涂層破壞處或缺陷處進行修補，將待修補處及其周圍20mm范圍內的涂層用砂紙或鋼絲刷打毛，刮涂本涂料與周圍涂層相平即可。

由于環境條件的差異，會影響到漆膜表面的質量，必要時，在甲、乙組份混合時加入甲組份量1%的Z01助劑。

4.2.1.3注意事項

(1)涂膜干透前，應避免受到雨水或其它液體的沾染，更不得有人員踐踏。

(2)型鋼表面在夏季受烈日直接照射及雨、雪、霧等天氣時不得施工。

(3)涂料配料間及施工現場嚴禁明火作業，禁止吸煙，也應避免因摩擦或電器等引發的火花。如發生起火，應使用泡沫、二氧化碳或干粉滅火器撲滅火焰。

(4)施工現場，尤其是在狹小空間作業時，應確保通風良好，操作人員應配戴必要的防護用具，如感不適，應立即將其調離現場至有新鮮空氣的地方。

(5)涂料丙組分應妥善存放，防止受潮。

4.2.2 拉森鋼板樁插打

4.2.2.1拉森鋼板樁的采購、檢驗、吊裝及堆放

1) 采購：根據建設單位要求，本工程采用的拉森鋼樁的插打。根據特點鋼板樁施工要正確選擇打樁方法配板樁為全新樁，經過市場走訪調查最終選定新日本制鐵株式會社生產的SP-IV和SP-Ⅳw型拉森鋼板樁。

2)檢驗：鋼板樁運到工地后，進行整理。清除鎖口內雜物(如電焊瘤渣、廢填充物等)，對缺陷部位加以整修或退還處理。

①鎖口檢查的方法：用一塊長約2米的同類型、同規格的鋼板樁作標準，將所有同型號的鋼板樁做鎖扣通過檢查。檢查采用卷揚機拉動標準鋼板樁平車，從樁頭至樁尾作鎖口通過檢查。對于檢查出的鎖口扭曲及“死彎”進行校正。

②為確保每片鋼板樁的兩側鎖口平行。同時，盡可能使鋼板樁的寬度都在同一寬度規格內。需要進行寬度檢查，方法是：對于每片鋼板樁分為上中下三部分用鋼尺測量其寬度，使每片樁的寬度在同一尺寸內，每片相鄰數差值以小于lmm為宜。對于肉眼看到的局部變形可進行加密測量。對于超出偏差的鋼板樁進行更換。

③鋼板樁的其它檢查，對于樁身殘缺、殘跡、不整、銹皮、卷曲等都要做全面檢查，并采取相應措施，以確保正常使。

④鎖口潤滑及防滲措施，對于檢查合格的鋼板樁，為保證鋼板樁在施工過程中能順利插打，并增加鋼板樁在使用時防滲性能。每片鋼板樁鎖口宜均勻涂抹混合油，其體積配合比建議值為黃油：干膨潤土：干鋸沫=5:5:3。

⑤對于新采購的拉森鋼板樁宜根據《熱軋U型鋼板樁》GB/T20933-2007進行抽樣復試。

3）吊運：裝卸鋼板樁宜采用兩點吊。吊運時，每次起吊的鋼板樁根數不宜過多，根據樁長及規格型號綜合吊車理論吊重,4-8根為宜，并應注意保護鎖口免受損傷。吊運方式有成捆起吊和單根起吊。成捆起吊通常采用鋼索捆扎，而單根吊運常用專用的吊具。

4）鋼板樁堆放的地點，要選擇在不會因壓重而發生較大沉陷變形的平坦而堅固的場地上，并便于運往打樁施工現場。堆放時應注意：

①堆放的順序、位置、方向和平面布置等應以后的施工方便；

②鋼板樁要按型號、規格、長度分別堆放，并在堆放設置標牌說明；

③鋼板樁應分層堆放，每層堆放數量一般不超過5根，各層間要墊枕木，墊木間距一般為3-4米，且上、下層墊木應在同一垂直線上，堆放的總高度不宜超過2米。

4.2.2.2 拉森鋼板樁插打

理解設計意圖及完成技術交底后，開始進行拉森板樁的插打。根據特點鋼板樁施工要正確選擇打樁方法、配備合理打樁機械和合理流水段劃分，以便使插打后的板樁墻有足夠的剛度和良好的止水效果。

1)測量定位：插打前先由測量人員定出鋼板樁的軸線，根據測量的軸線每隔一定距離(本工程距離3.0m)設置導向木樁，然后掛繩線作為導線，打樁時利用導線控制鋼板樁的軸線。

2)插打順序：根據工程特點，本工程采用從中間開始，向兩邊推進的順序進行插打，該順序樁機行走路線短，施工簡便，打設速度快。有效保證了板樁墻的連續性。

3)打樁機械及工業的確定

根據設計及地質勘察資料，先選用的是打拔樁機，即由兩臺液壓挖掘機(小松PC400和日立EX450H)加液壓高頻振動錘(DZM60)改裝而成，激振力420kN。前期試柱比較成功地能將一根整樁插打到位。到后期大規模插打時發現因本工程地質條件復雜，回填上層中夾雜有大量回填漂石，在樁搭扣的情況下，大部分樁根本不能一次性沉樁到位。我公司積極組織相關力量，先從引孔角度從地層入手進行試驗，先后采用了單管深層攪拌樁機、螺旋鉆機、沖擊鉆機進行引孔但最終以效率低下告終。然后從打樁力上人手，采用了90KW振動錘進行輔打樁，也未成功。最后，將整根樁分成兩道工序施工即先采用振動機械進行插樁至硬質土層后，采用重錘式柴油打樁機進行夯打到設計標高。主要機械設備數量見下表：

5) 插樁及后期夯打

①液壓打樁機吊起鋼板樁，人工扶正就位在吊打前鎖口均勻涂抹混合油。

②插樁施工中保證鋼板樁的鎖口兩兩相搭結。

③在插打過程中隨時測量監控每根樁的斜度不超過2%，當偏斜過大不能用拉齊方法調正時，拔起重打。

④當液壓打樁機插樁至硬質土層不能繼續下插時，換用重錘式柴油打樁機進行夯打。

⑤單樁逐根連續施打，同時通過送樁器將樁沉到設計高程。注意樁頂高程不宜相差太大。

4.2.3 H型鋼插打

鋼板樁施工結束后，安裝H型鋼圍檁后進行鋼板樁前側H型鋼支撐樁和背側的H型鋼錯拉樁插打，其插打方法同鋼板樁。

4.2.4 樁間預應力錨索施工

4.2.4.1 施工準備

1)鉆孔

根據設計圖紙，按設計要求，將描孔位置準確測放據設計及在400*400HEB型鋼面上，孔位誤差不得超過土3mm。

2) 開槽

根據錨拉樁的位置，在兩者連線之間，以樁頂面為準，開鑿深0.4m，寬0.2m的溝槽。

3) 錨索制作

①錨索制作前應對400*400HEB型鋼拉樁與錨樁的實際間距進行測量，并按實際長度截取索體長度；鋼鉸線宜使用機械切割，不得用電弧切割，制作好的錨索應按對應樁號進行編號；編束前，要確保每根鋼紋線順直，不扭不叉，排列均勻，對有死彎，機械損傷處應剔出。無粘結絞線外套PE管不得有破損。

②錨索制作應進行防腐處理，鋼鉸線全長涂刷防銹劑，采用全長套管防護；

4.2.4.2張拉、鎖定

1) 只有當錨固頭固定后才能進行錨索張拉，通過給錨索施加預應力，使錨索主動受力，達到設計加固效果。采用小型千斤頂進行單根對稱和分級循環張拉，可減少錨索的受力不均勻。張拉作業前必須對張拉機具設備進行標定，張拉機具應與錨具配套。

2) 張拉時，加載速率不宜太快，宜控制在設計預應行力值的0.1/min左右，達到每一級張拉應力的預定值后，應使張拉設備穩定一定時間，在張拉系統出力值不變時，確信油壓表無壓力向下漂移后再進行鎖定。卸荷速率宜控制在設計預應力值的0.2/min左右。

3) 錨索超張拉力為錨索設計拉力值的1.05倍，錨索張拉應分次分級進行，按對稱張拉原則進行，必須待每根絞線張拉完一級后方可進行下一級的張拉。依次按此進行，直至張拉噸位。每次分級張拉時，除第一級需穩定10-15分鐘外，其余每一級需要穩定2-5分鐘，并分別記錄每一級鋼絞線的伸長量。張拉時鋼絞線受力要均勻。并做好分級絞線的標記。錨具回縮等原因造成的預應力損失采用超張拉的方法加以克服，超張拉值一般為設計預應力的5%-10%，其程序如下。張拉完成48小時內，若發現預應力損失大于設計預應力的10%時，應進行補償張拉。

4) 在張拉時，應采用張拉系統出力與錨索體伸長值來綜合控制錨索應力，當實際伸長值與理論值差別較大時，應暫停張拉，待查明原因并采用相應措施后方可張拉；

5) 張拉到位后，即鎖定。機械切除多余鋼絞線，嚴禁電割、氧割，并應留≥10cm以防滑脫，最后用C15砼封錨。

5拉森鋼板樁支護體系的安全技術保障及措施

1、為保證支護體系對道路加固的安全可靠，須對拉森樁的入土深度進行理論數據的計算，并對板樁墻的強度及穩定性進行驗證，確保加固工程施工的可靠性。

2、、施工過程中，嚴格按照規范進行施工，鋼板樁、圍檁與支撐樁應可靠連接，從而保證了其整體受力效果。

3、拉森板樁兩兩通過鎖口可靠連接，保障拉森樁防漏性能，保證下道擋墻工序順利開挖。

4、拉森板樁支護體系及后期擋墻開挖施工嚴格按照施工規范實施每道工藝的施工，靠近鋼板樁施工場地的道路禁止重型車輛通行，在10m-15m范圍內禁止堆原材料，確保道路的安全。

5、后期擋墻及排水溝開挖施工時，應分段開挖。開挖過程中建立監測系統，定期進行監測。發現問題及時處理。

6、建立嚴格的工序交接程序，制定科學、嚴謹、可行的施工計劃，最大程度的調動施工群體的主觀能動性，擬定合理的獎罰條律，堅持以人為本，安全第一的原則，加強協作意識，高度重視施工質量，如期完成施工任務。

 

6 結 論

1、從都江堰拉法基水泥有限公司震后廠區道路加固工程拉森鋼板樁應用的實際效果來看，非常理想，既起到了支擋加固的目的，也確保了設備基礎穩定并為后期道路恢復以及擋墻開挖恢復、擋墻前超深(8m)排水溝的修筑提供了安全保障。從施工情況看拉森鋼板樁具有施工進度快、安全、占地空間小等優點，適用于類似地震后搶險工程支護。

2、當鋼板樁作為臨時性支護可以重復使用，節省投資，但因本工程選擇為永久性支護雖不具有該特點但從安全環保可再生的角度體現外資方的不同價值觀。同時放鋼板樁能起到防滲的作用，能為后續施工創造條件。而且鋼板樁施工受余震及雨季的影響較小，能保證整個工廠震后加固工程的順利推進。

3、采用鋼板樁支護，對周圍環境影響較小，無噪音污染。鋼板樁施工簡便，工序簡單，質量易控制，工期短合且現場整潔。

4、鋼板樁支護后期施工期間可以通過變形觀測對鋼板樁的位移進行有效控制，從而有效地保證了安全。

 

參考文獻

《工程地質手冊》第四版 中國建筑工業出版社 2007

《建筑地基與基礎施工手冊》汪正榮主編 建筑工業出版社 2005

《土力學與地基基礎》張伯平黨進謙 編著 西安地圖出版社 2001

《土木工程施工》同濟大學 主編高等教育出版社 2003

《鋼板樁從設計到施工》鋼管樁協會、新日本制鐵株式會社 上海瑞馬鋼鐵、同濟大學譯