從設計、施工淺談鋼板樁在支護工程中的應用
劉亮亮 2013年
(江蘇順達工程科技有限公司)
摘要：隨著鋼板樁在建筑、市政、鐵路、港口、碼頭等基礎工程中的應用越來越廣,本文作者結合工程實例從設計、施工角度闡述了其對鋼板樁在支護工程中應用的一些體會、心得。
鋼板樁是一種帶鎖口的型鋼板樁，可以利用振動錘或植樁機將其壓入地下構成連續的板墻，作為基坑施工的支護結構。鋼板樁支護結構通常由鋼板樁和必要的支撐或拉錨體系組成,以抵抗外側荷載。因鋼板樁結構質量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快等優點，近年來在國家基礎建設、城市建設的快速發展下，鋼板樁在基礎工程支護施工中也得到了廣泛應用。
本文結合我公司近年來鋼板樁支護工程實例，從設計、施工角度對鋼板樁在支護工程中的應用談一些體會、心得。
1 鋼板樁作為支護結構的應用范圍
鋼板樁按生產工藝分為冷彎薄壁鋼板樁和熱軋鋼板樁兩種類型。在工程建設中，冷彎鋼板樁應用范圍較狹窄,大多作為應用的材料補充，熱軋鋼板樁一直是工程應用的主導產品。目前我國工程中應用的熱軋鋼板樁主要還是從日本、盧森堡等國外廠家進口鋼板樁截面形式主要有U型、Z型、直線型及組合型，而目前在國內工程應用中主要以U型鋼板樁為主。
鋼板樁因其質量輕、強度高、鎖口緊密、水密性好、施工方便、施工速度快等優點正在各領域基礎工程支護施工中迅速得到推廣，并逐漸取代部分傳統基坑支護方法。但鋼板樁作為支護結構也并非適用于所有基坑支護施工，還得根據實際工程內外部環境并綜合考慮施工環境、工期、造價等因素進行比選，筆者認為鋼板樁作為支護結構在以下幾種條件的工程項目中應用更有優勢。
(1)基坑周邊環境復雜、施工環保要求高、施工作業面小。例如某些位于城市市中心或擬施工基坑周邊相鄰建筑間距較小的項目，采用傳統支護工法(如地下連續墻法、鉆孔灌注樁法、SMW工法等)需要較大的機械作業及材料堆放場地，且施工過程中會產生泥漿、污水等污染物及噪音。而采用鋼板樁支護只需少量機械，且若采用液壓植樁機進行鋼板樁插打可很好的解決施工過程中的噪音污染問題。
(2)建筑基坑由于周邊條件限制無法采用拉錨加固,基坑開挖深度約13m以內且基坑面積1萬m以內。筆者所提這一條件并非采用鋼板樁作為支護結構施工的必要條件，而是根據以往施工經驗認為在此類條件下采用鋼板樁支護結構更有優勢。基坑施工采用何種類型支護形式，業主方通常需綜合考慮工期進度、造價因素從而選擇最適合自己工程的支護方法。傳統支護設計的原則是“強支護、弱支撐”即盡量采用較強的圍護結構，而盡量減少基坑內部的支撐結構。這樣做的目的一是盡量減少內支撐對后序主體結構的干擾,二是為土方開挖時挖機、運土車等留出更大的作業空間。而鋼板樁由于自身剛度的限制，在建筑基坑特別是一些側壁安全等級及重要性系數較高的基坑，采用鋼板樁支護結構往往需要設計較強的內支撐體系,支撐層數較多,每層內支撐結構復雜，若采用鋼結構支撐需要較多的鋼材料并且施工存在大量的安裝、焊接工作;若采用混凝土支撐又需要較長的支撐施工、拆除時間。所以在遇到開挖深度或基坑面積大于上述數值的基坑時，業主方需要權衡考慮以確定支護方案。
(3) 基坑內抽水后,基坑內外水位高差25m以內的橋梁、港口、碼頭基礎基坑工程。在鋼板樁沒有被大量采用之前，水中基礎的施工往往采用鋼圍堰法,鋼圍堰施工需要分塊預制、就地組裝或在別處組裝后浮運到位、下沉等工序,施工工序較多、施工工期較長。采用鋼板樁可以大大縮短施工工期，且在一些沒有覆蓋層的卵石層、巖層地層的情況下,采用特殊的鋼板樁插打工藝可以解決鋼板樁下沉困難的問題。
2 鋼板樁支護結構的設計
鋼板樁支護結構的設計主要包括結構設計計算、鋼板樁型號及內支撐材料的選擇、施工工藝的確定等。
2.1鋼板樁支護結構的計算
2.1.1計算荷載的選取
岸上鋼板樁支護結構所受荷載主要為土壓力，水壓力、基坑外側施工車輛作用及材料、機具堆放引起的附加力;水中鋼板樁支護結構所受荷載主要為土壓力、水壓力、水流力、波浪力。對于任何結構計算而言,荷載的選取極其重要，過于保守的取值會造成結構設計復雜、材料浪費以致增加施工成本;然而荷載取值考慮不周全又會造成結構不安全，因此合理的荷載取值是支護結構安全、合理進行設計計算的前提。
(1)土壓力、水壓力
基坑工程中,要準確模擬、計算支護結構實際所受土壓力、水壓力極其復雜,目前針對這方面的研究成果也比較多，但是絕大多數并沒有得到廣泛的應用。支護結構在施工過程中所受的實際土壓力、水壓力受諸多因素的影響，計算時通常參考現有研究理論及根據實際施工情況進行調整。土體力學特征值的取值可以參考施工場地地質報告(建筑工程在施工前均會進行詳細的、針對性的地質勘探并提供設計方、施工方詳細的分析報告，而在一些鐵路、公路工程中,由于工程線路較長,待施工的基坑位置并不一定有地質勘查點，對于較大型基坑建議施工前對這些位置進行補勘)。目前土壓力的計算主要采用庫侖土壓力法和朗肯土壓力法，水壓力的計算直接采用靜水壓力公式。在分析采用水土分算還是合算時，目前一般籠統概括為粘土和粉土采用水土合算,砂土、卵石層采用水土分算。這種計算方法在許多工程實例中也被證實是合適的，筆者認為在不存在滲流的情況下粘土和粉土采用水土合算是合適的，但是在存在滲流的情況下，這種計算方法并不能真實的反應實際情況。滲流會對土體強度、土體自重應力產生較大的影響，所以在分析采用水土分算還是合算時,應根據地質報告及現場實際施工工序情況，對施工中可能存在滲流現象的不管是何種土層，均應采用水土分算法。
(2)水流力、波浪力
水中鋼板樁支護結構除了受到靜水壓力外，一些環境下的結構還會受到水流力、波浪力的作用。
在沒有潮汛作用的情況下，對于最大流速小于2m/s的支護結構，筆者認為水流力對整個支護結構的影響不大，甚至可以在計算時不予考慮。但是對于受到潮汛作用的支護結構，應對整個結構取一般施工水位、最高水位及最低水位(最高、最低峰值水位根據基坑施工、使用周期、安全性要求考慮取 25 年一遇、50年一遇進行取值)分別進行計算,并根據結構實際受水流力作用的位置進行整個基坑的穩定性驗算。
對于需要計算波浪力的支護結構，設計波浪的重現期可取25年一遇。由于波峰作用時，鋼板樁支護結構受到波壓力作用;而波谷作用時,鋼板樁支護結構受到波吸力的作用。計算時應根據可能出現的不同工況按最不利組合進行計算。
水流力、波浪力的計算方法可以根據各行業相關設計規范中的計算公式進行。
(3)基坑外側的附加力
基坑外側的附加力主要指岸上基坑施工中外側施工車輛及材料、機具堆放引起的,有些作用荷載對支護結構的計算影響較大，所以在設計計算時應根據擬施工情況進行考慮并且在施工過程中對基坑外施工車輛的站位、行車位置及機具材料的堆放位置進行限制,不允許出現超出設計考慮荷載的情況。
2.1.2鋼板樁支護結構的計算
鋼板樁支護結構的計算方法很多，主要包括經典計算法(如靜力平衡法、等值梁法),彈性地基梁法。靜力平衡法、等值梁法均不考慮墻體及支撐變形，將用經典的土壓力理論計算的土壓力作為外力施加在鋼板樁支護結構上，然后通過求解水平方向合力及支撐點彎矩為零的方程求得結構內力和支撐反力,再將支撐反力加載到內支撐結構上。彈性地基梁法則是基于支護結構與周圍土體的變形協調一致的實際情況，將支護結構作為支撐在一系列彈性支座上的梁來求解支護樁的變形與支撐反力，然后求解最大彎矩及其位置，再將支撐反力加載到內支撐結構上。以上不管何種計算方法均是假設取單元寬度鋼板樁結構作為梁單元，在求得梁單元自身的內力和反力后，再將反力加載到內支撐系統上去。
目前這兩種計算方法運用均較普遍，但是通過計算我們也可知兩種方法計算結果差距較大，因此在面對設計工程時采用何種計算方法是設計人員的疑慮。筆者認為針對懸臂式鋼板樁支護結構、單支撐鋼板樁結構可以采用經典法計算;采用“邊開挖邊支撐”法施工的多支撐式鋼板樁支護結構可以采用彈性地基梁法計算。
當然目前市面上，還有不少關于基坑支撐設計的應用軟件，針對上述三種鋼板樁支護結構均可以進行模擬計算。但是遇到一些特殊施工工藝的支護結構,上述兩種計算方法在計算中均存在較大缺陷。例如我公司多次在水中鋼板樁支護結構施工采用的“先形成支撐后挖土”“水下吸泥后澆筑封底混凝土”、“施工中多次抽水、注水”的工藝，在采用上述兩種計算方法時均不能較好的模擬實際施工工況，根據我公司對采用上述工藝施工的鋼板樁支護結構的應力、變形監控反應實測結果跟計算結構相差較大經過不斷分析、總結及實際工程的檢驗，我們認為采用有限元軟件對整個鋼板樁支護結構進行三維建模，根據施工工序進行施工階段的模擬更能反映實際的施工工況。
鋼板樁支護工程的施工是一個多工況的施工過程,設計、計算也是根據施工工況分階段進行。對于一些使用鋼板樁作為支護結構更有優勢的工程，我們往往在設計計算時發現鋼板樁內力較大、樁體變形較大導致結構安全系數偏低甚至不能滿足基坑設計要求，或者經過計算采用支撐或拉錨工程量較大導致施工成本較高。面對類似情況時，通過改變施工工序往往可以達到更安全、更經濟的效果。例如當按常規采用“邊開挖邊支撐”法施工多層支撐(拉錨)基坑時，通過計算我們知道鋼板樁內力及變形的較大值均出現在土方開挖而下道支撐(拉錨)未形成時，為此我們會增加支撐層數以減少單層開挖深度，但最終的結果是施工工期變長、施工成本增加。
從設計計算的角度分析，我們可以設想要減小鋼板樁內力，變形那就要增大鋼板樁截面特征值、減少外部荷載、減小基坑內外壓力差甚至在水中支護結構抽水前提前對鋼板樁內部進行支撐。但是絕大多數情況下鋼板樁材料、外部荷載往往無法改變，例如支護結構鋼板樁插打后在土方開挖及支撐加設施工時，基坑內水中取土水下加設支撐、最后水下澆筑封底混凝土，在整個施工過程中始終保持基坑內外水壓平衡,基坑內外壓力差主要為土壓力,通過這種施工工序可以使鋼板樁支護結構在施工中更安全結構材料用量明顯減少。
所以根據具體的基坑施工條件、周邊環境及支護結構自身的特點進行多工序的比選最終確定施工更合理、更安全、更經濟的施工工藝是支護結構設計、施工的重要前提。
鋼板樁支護結構的施工主要包括鋼板樁的插打、支撐(拉錨)的加設、基坑內取土等。支撐(拉錨)的加設、基坑內取土等工序施工主要根據實際工程情況制定詳細的施工方案、合理的組織人員、機械、材料。相對整個鋼板樁支護結構的施工來講略為簡單，下面主要介紹下筆者認為比較關鍵的鋼板樁插打的施工。
鋼板樁的插打主要包括插打設備及插打工藝的選擇。目前，國內比較常見的插打設備主要為振動錘,其具有灌入力強、堅固耐用、故障少、使用方便、電源適應強等特點，但是針對土層較硬或噪音控制要求高的情況下,往往無法使用,為此我公司從日本技研公司購入液壓植樁機，靜壓植樁機施工時自騎在已施工鋼板樁上，利用已施工鋼板樁的抗拔阻力作為下根鋼板樁的壓力動力，通過液壓機構將鋼板樁壓入到位。由于靜壓植樁機施工時壓入力的作用點距地面非常近，相比振動錘施工可以更加準確有效的將作用力傳至樁的前端，且整個施工過程只需要一臺吊機輔助配合，滿足施工地噪音控制嚴格及場地有限的施工環境。
針對不同區域可能出現的地質情況，靜壓植樁機可以配備不同的輔助裝置來保證鋼板樁的順利壓入。
(1)一般的粘土、粉土、粉砂層,靜壓植樁機可以利用已施工樁的抗拔反力通過液壓動力自行將樁壓入到位。
(2)硬塑粘土、中粗砂層.靜壓植樁機配備水刀裝置,將高壓水噴入樁尾部的地基,使土粒子間的間隙水壓一瞬間變高而使土體液化、更容易移動，同時高壓往上的射流水可以潤滑鋼板樁的表面，防止進入接口槽的土石變緊,在不損傷樁材的情況下，用較小的壓人力高效率的進行壓入作用。
(3)卵石層、巖層等堅硬地質。靜壓植樁機配備與其一體化控制的螺旋鉆系統裝置，利用獨有的除芯理論,首先將樁尾正下方的土層鉆掘使其破壞、松散。在抑制壓力球根的同時,將螺旋鉆拔出,以填埋其拔出間隙的方式將樁壓入土層。此法可以將鉆掘范圍降低到最低限度，并減小排土層,在降低土體抵抗力的同時又達到保護環境的效果。
4 鋼板樁支護結構工程實例
橫潦涇特大橋位于上海市松江區，屬滬杭客運專線控制工期工程。主橋主墩位于橫潦涇河道中央，墩位處水深15.5m，水面至封底混凝土底高差達23m。基礎施工采用鋼板樁圍堰支護結構,鋼板樁型號為 SP-U(600x210),其單根長度為 31m。鋼板樁插打采用液壓植樁機在橋梁樁基施工時同步進行，內支撐采用分層整體預制后逐層水下下放到位，然后水下吸泥至設計封底混凝土底標高、水下澆筑封底混凝土，待封底混凝土達到強度后抽水形成鋼板樁支護結構。
采用此種鋼板樁支護結構施工方法在降低施工成本的同時，施工工期比原計劃采用鋼圍堰施工節約工期約3個月。
杭州錢江鐵路新橋是滬杭甬客運專線杭甬段和杭長客運專線的重要組成部分。橋位處于錢塘江強涌潮區域,涌潮壓力大,基礎施工難度極大，且臨近既有線施工，大型吊裝設備無法操作以及墩位處障礙物較多。
水中墩采用鋼板樁支護結構，鋼板樁型號為 SP-U(600x210),其單根長度為 20m。施工期水深變化幅度5-9m，支護結構設計計算時不僅要考慮各水位對結構的影響，漲落潮時支護結構受波壓力及波吸力的作用對整個鋼板樁支護結構受力及穩定性影響極大,設計時對迎水面鋼板樁進行加長、內支撐結構進行加強，施工時在迎水面鋼板樁外側拋填石籠進行防沖刷。
(3)江蘇省南通市崇川區地下立體車庫地下結構支護工程
該地下立體車庫項目位于南通市崇川區政務中心大樓門口，由于場地的限制車庫外邊距大樓底板邊緣僅1.2m,距附近民房最近處僅5.4m,距旁邊高壓線桿、人行道也不足 5m。地下結構為直徑 22m、深度18.5m圓筒結構。經過多次方案必選,最終確定采用鋼板樁支護結構,整個基坑采用“逆作法”進行施工,鋼板樁在基坑開挖期作為臨時支護結構，在基坑形成后作為地下車庫結構的永久支護結構，鋼板樁型號為SP-U(600x210),其單根長度為 27m。由于施工周邊環境復雜、施工場地狹小,鋼板樁插打采用液壓植樁機配備水刀裝置進行施工。
5結語
鋼板樁支護結構設計、施工是一個系統性、時效性、各環節密切相關的工作，且因周邊環境、地質水位資料、施工設備等影響明顯。任何工程從設計階段還是施工階段都要進行充分、細致的分析、論證以獲得更高效、更經濟的施工方案,真正體現鋼板樁作為支護結構的優越性。
作者簡介:劉亮亮,江蘇順達工程科技有限公司,總工程師
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