1.济宁市公路管理局；2.山东省路桥集团有限公司
摘要：本文结合日兰高速梁山连接线梁济运河主桥深基坑施工工程实例，因地制宜的设计钢板桩并对施工过程中加以控制。实践证明该深基坑钢板桩设计在此工程中得到了很好的应用，至基坑回填结束，整个过程都很顺利，无安全质量事故发生，是一个很好的设计及应用典范。
关键词：深基坑施工；钢板桩；围堰设计；内支撑等计算；封底计算
一、概况
（一）工程概况
梁济运河大桥为日兰高速梁山连接线中的主要桥梁工程之一，桥位处路线与梁济运河河道夹角90度，两侧河堤顶宽7米左右，河堤内侧间距331米；南水北调项目河道混凝土防护工程已经完成。河堤现状为：河道混凝土护坡坡度为1：1.5，实测水面高程为33.26米，水面宽度50.36米。主桥为55+90+55变截面悬浇连续箱梁，桥型布置形式为55+90+55米，主桥长200米。主桥下部结构为实体墩身、群桩+承台基础。
（二）工程地质及水文地质条件
14#、15#桥墩基坑位于京杭大运河西侧，基坑工程相关的土层自上而下分别为：
1、粉质黏土：灰黄色，可塑-硬塑，干强度和韧性中等，层厚1m。
2、黏土，灰褐色、灰黑色，可塑-硬塑，干强度和韧性高，层厚1.6m。
3、粉土，灰黄色、湿，干强度和韧性差，层厚约1m。
4、黏土，褐色、灰黑色，可塑-硬塑，干强度和韧性高，层厚1.6m。
5、粉质黏土：浅黄色、灰黄色，局部硬塑，干强度和韧性中等，层厚3.5m。
6、粉质黏土：褐黄色、局部夹薄层黏土，干强度和韧性中等，层厚2.5m。
该项目处于中纬度暖温带季风型大陆性气候区，四季分明，春季温度回暖快，夏季炎热多雨，年平均降水量在623.55毫米，降水量年内分配不均匀，主要集中在汛期6-9月，因此承台基坑施工应避开汛期。
（三）设计参数
二、设计计算
（一）计算概况
作为深基坑开挖防护，钢板桩是较为适宜的。首先施工简单，工期短，同时对周边扰动较小，比较适此施工方法，另外考虑到打拔摩阻力的影响，采用的是12m长的钢板桩，为了满足插入深度的要求，先对基坑进行下挖3.3m的措施，然后再进行钢板桩打拔。
（二）降水设计
根据地质勘查报告，14#墩地下水位线高程为31.8m，基底高程为26.3m，基坑施工时需将水位降至承台底面0.5米以下。14#墩承台基坑位于河道外侧二滩上，根据地质情况及以往施工经验，考虑在基坑四周设置10眼降水井，横桥向每侧等间距3眼，纵桥向每侧等间距2眼，计10眼，井深20m，井管外径40cm，采用无砂透水混凝土管。降水施工流程：确定井位--钻机安装就位--成孔--安装井管—充填滤料--洗井--下入水泵抽排降水。
（三）基坑支护设计
钢板桩采用12m长拉森IV号钢板桩，施工前原地面下挖3.3m，确保钢板桩入土满足要求，钢板桩围堰布置时要预留承台模板安装空间，并考虑桥墩施工空间。由于14#基坑临近梁济运河，钢板桩围堰要确保合拢，钢板桩围堰单边长度应为0.4m的倍数，基于以上考虑14#基坑钢板桩围堰尺寸设计为长19.2m×宽10.4m，钢板桩围堰至承台外缘距离为1.35米。
从钢板桩顶基坑整体开挖深度7.66米。为确保基坑整体稳定，钢板桩围堰从上到下共设二道内支撑，并考虑施工时承台基坑开挖的可实施性，第一道内支撑布置于地表标高下0.96米处，第二道支撑布置于第一道支撑下2.2m处，其立面布置图如图1所示。
两层内支撑布置形式基本一致，第一层内支撑围檩边梁采用HW 400×400型钢卧放，插打钢板桩时围檩先起导向框架作用，等钢板桩围堰合拢后，焊接牛腿，使围檩起支撑作用。为优化结构受力，钢板桩围堰四角各设置二道长度分别为3.0m和6.0m的斜撑，HW 400×400型钢卧放；中间设置一道横撑，材料为直径529mm，壁厚10mm厚的钢管，第二层支撑布置与第一层支撑布置一致。
1、支护主要材料
（1）钢板桩采用拉森Ⅳ型钢板桩，Q345B材质。
（2）围檩采用HW400×400H型钢，Q235材质。
（3）斜撑采用HW400×400H型钢，Q235材质。
（4）横撑采用φ529×10mm螺旋管，Q235材质。
（5）牛腿采用HW400×400H型钢，Q235材质。
（6）封底混凝土采用C30混凝土。
2、支护结构验算
14#墩基坑底到钢板桩顶高度7.66m，钢板桩长度12m，钢板桩入土深度4.34m。根据有关规范验算钢板桩、内支撑的承载力和稳定性。
（1）内支撑间距验算
钢板桩入土深度范围内主要为粘土和粉质粘土等，计算时土的重度统一取γ= 19KN/ ，粘聚力 ，内摩擦角Φ=20°，采用水土合算计算主被动土压力。
多撑式钢板桩内支撑布置需满足下式[1]：
式中h-内支撑最大布置间距；
f-钢板桩的抗弯强度设计值265MPa[2]；
γ-钢板桩墙后土的重度，19kN/m3；
Ka-主动土压力系数， 
=0.49；
W-所取钢板桩每延米板面截面模量，拉森Ⅳ钢板桩为2270cm3；
代入上述数据，计算得到内支撑最大布置间距为6.23m，大于此次布置的最大间距4.5m，因此内支撑布置间距符合要求。
（2）钢板桩入土深度计算
1）计算主被动土压力
主动土压力：
被动土压力： 
式中： 
=0.49 
=2.04
2）用等值梁方法计算最大弯矩和支反力
用等值梁法计算钢板桩，为简化计算，用土压力等于零点的位置来代替反弯点的位置
计算作用于钢板桩上的土压力强度，并绘出压力力分布图，计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将板桩墙后被动土压力乘以修正系数，对于钢板桩，φ=20°时，取修正系数K为1.6 [3]，计算模型如图3所示。
经计算：顶部荷载取q=50KPa（包括3.3m土重及机械重），γ=19KN/M3
P0=qKa-2c =50×0.49-2×8×0.7=13.3KPa
Pa=（q+γ×h1）Ka -2c =（50+19×0.96）×0.49-2×8×0.7=22.24KPa
Pb=（q+γ×h2）Ka - 2c =（50+19×3.16）×0.49-2×8×0.7=42.72KPa
Pc=（q+γ1×h3）Ka- 2c =（50+19×7.66）×0.49-2×8×0.7=84.61KPa
2）计算板桩墙上的土压力强度等于零的点离基坑底的距离x，在x处钢板桩墙前的被动土压力等于墙后的主动土压力，其计算模型如图4。
f点处主动土压力为：Pak=19*（7.66+x）×0.49-2×8×0.7
f点处被动土压力为： 
根据关系式
，有19×（7.66+x）×0.49-2×8×0.7=1.6× +2×8×1.43），计算得到x=0.44m
3）按简支梁计算等值梁af的最大弯矩
，支反力RA、RB、RC、Rf。
经计算等值梁af的最大弯矩Mmax为93.13KN﹒m，f点处支反力 为116.41KN。
4）计算钢板桩的最小入土深度，根据f点处支反力和墙前净被动土压力对e点的力矩相等，有关系式：
，代入数据有116.41×y= 
计算得到y等于3.2m。
钢板桩最小入土深度为t=x+y=3.2+0.44=3.64m，取t0=1.1t则钢板桩最小入土深度为3.64×1.1=4.00m，钢板桩实际入土深度为4.34m，满足要求[4]。
3、钢板桩强度验算
如图6所示钢板桩的最大弯矩
为93.13KN﹒m，拉森Ⅳ钢板桩每延米截面模量W为2270×10-6m3[5]，最大弯矩下钢板桩内力为
，为41.03Mpa，钢板桩的强度极限状态应按照承载能力极限状态计算，则支护结构重要性系数γ1=1.1[6]，弯应力为1.1×41.03=45.13Mpa，小于容许弯应力265 Mpa，弯矩满足要求。
如图7所示钢板桩的最大剪力
为155.01KN，拉森IV钢板桩每延米截面面积M为242.5×10-4m2，最大剪力下钢板桩剪应力为τ =
，为63.9Mpa，钢板桩的强度极限状态应按照承载能力极限状态计算，则支护结构重要性系数γ1=1.1，剪应力为1.1×63.9=70.29Mpa，小于容许剪应力155Mpa，剪切强度满足要求。
4、钢板桩变形验算
如图8所示，跨中位置变形最大为0.01m，钢板桩的变形极限状态应按照承载能力极限状态计算，重要性系数γ1=1.1，则变形为1.1×0.00934=0.01m，受弯构件挠度控制值在计算跨径L>3m时，限值是为4.5/250=0.02m[1]，满足要求。
5、围檩受力验算
边梁由HW400×400型钢卧放构成，最大间距为4.8m，其主要承受支撑处钢板桩传递的土压力，即沿围檩外侧连续分布的的钢板桩支反力。计算时可将其简化为一个承受均布力的简支梁，第二层支撑处钢板桩支反力最大为178.02KN/m，其受力简图如图10所示
最大弯矩M=1/8×q×L2=512.7 
，HW400×400型钢卧放，其截面模量为3340
[7]，应力为 
=153.5Mpa，小于容许应力205Mpa，满足强度要求。
6、内支撑受力和稳定性验算
内支撑由横撑和斜撑组成，横撑为φ529，壁厚10mm的钢管；斜撑为HW400×400型钢卧放，最不利受力为中间横撑受力，只需验算钢管的受力即可。其主要承受支撑处围檩传递的钢板桩支反力，如图9所示，第二层支撑处钢板桩支反力最大为178.02KN/m。
（1）强度验算
计算时不考虑斜撑的作用，横撑最多需承担其周围9.6m的钢板桩支反力，支撑最大轴力为178.02×9.6=1708.99KN。轴向压应力
为=104.87Mpa，围檩的强度极限状态应按照承载能力极限状态计算，则支护结构重要性系数γ1=1.1，轴向压应力为1.1×104.87=115.36 Mpa，小于容许应力205Mpa，满足强度要求。
（2）稳定性验算
需验算中间钢管横撑的稳定性，钢管支撑长度10.4m，其长细比λ=l/i=56.5，（Ix= 、ix= =18.4cm），属于b类截面构件，查表得φ=0.825[2]，
=127.12Mpa，围檩的稳定性极限状态按照承载能力极限状态计算，则支护结构重要性系数γ1=1.1，轴向压应力为1.1×127.12=139.83Mpa，小于容许应力205Mpa，支撑满足稳定性要求。
7、基坑抗隆起稳定分析
采用地基承载力模式的抗隆起稳定性分析方法[4]，计算公式为： 
式中γ1、γ2-分别为基坑外地表至钢板桩底各层土体天然重度的加权平均值和基坑底至钢板桩底各层土体天然重度的加权平均值，此处均为γ=19 KN/m3
D-基坑底钢板桩入土深度，4.34m；
h0-基坑开挖深度，7.66m
c、φ-基坑外土体的粘聚力和内摩擦角，分别为8kPa和20°；
q-基坑外地面荷载，这里取50kPa；
Nq、Nc-地基土特性计算的地基承载力系数，计算公式分别为：
，代入数据，计算得到 
=6.4，Nc=14.84 代入以上数据 
=2.3>1.2，满足安全性要求[5]。
8、基坑底管涌验算
根据不发生管涌的条件：
K=（h＇+2t）r＇/ h＇/rw≥1.5
r＇--侧壁重要性系数，r＇=rs-rw；
h＇--地下水位距基坑底的距离，取5.8m；
t --桩的入土深度，4.34m（开挖完成至封底砼浇筑前，插入深度为4.34m）
rs --土的有效重度，19kN/m3；
rw --地下水的重度，10KN/m3
则K=（5.8+2×4.34）×9/5.8/10
=2.24＞1.5
即当钢板桩入土深度超过4.34m时，不会发生管涌。封底砼浇筑完成后钢板桩入土深度为4.64m。
9、封层混凝土厚度计算
水下封底混凝土承受的荷载应按照施工中最不利的情况考虑，即在围堰封底之后，围堰内的水被排干，封底素混凝土将可能受到产生的向上的水压力的作用，通常以此荷载作为计算值。由于水下混凝土质量较普通混凝土差，并与各桩基连成一个整体，应按照简支支撑的双向板计算。
M1=a1pl2 a1--弯矩系数
弯矩系数表
承受均布荷载时，跨中弯矩M1可按下式计算：
P=ρgh=1000×9.8×5.8=56840N/m2=56.84 KN/m2
L1=4.5m，l2=4.6m则a1=0.045
M1=0.045×56.84×4.5×4.5=51.8KN.M
式中 h--封底混凝土厚度
K==安全系数，抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.65
M--板的最大弯矩（N.mm）
b--板宽，单位长度取1000mm，
Fct--砼抗拉强度设计值（N.mm2）C30混凝土取值1.43Mpa.
最后封底混土的厚度取值为300+273=573mm。
综上所述，14#墩基坑开挖钢板桩防护满足安全要求。
三、钢板桩围堰施工控制
（一）施工流程
施工准备→测量定位→原地面下挖3.3m→施工钢板桩导向→插打钢板桩→打降水井降水→逐层开挖基坑及进行钢板桩支撑→排水、清理基底→浇筑封底混凝土→承台施工→基坑回填→逐步拆除内支撑→逐段墩身施工→逐段基坑回填→钢板桩拔出。
1、插打钢板桩
依据设计进行钢板桩平面位置的确定，钢板桩拟定打入土层时，插打顺序从中间开始打入第一片钢板桩，然后逐步向两边插打，最初的一、二块钢板桩的插打位置和方向确保精度，以起到导向的作用。每完成3米对钢板桩测量校正1次，确保所打钢板桩在一直线上。
钢板桩插打安全注意事项
（1）插打时要严格控制垂直度，特别是第一根桩；
（2）当钢板桩难以下插时，应停下来分析原因，检查锁口是否变形，桩身是否变形，钢板桩有无障碍物等；
（3）定期检查履带吊机大臂的螺栓，以防松动掉落；
（4）钢板桩插打过程中必须安排专人检查钢丝绳是否断丝、卡头、松动现象；
（5）起吊时吊点正确，速度均匀，桩身平稳，必要时要清理桩身附着物，起吊后人员必须离开起吊范围；
（6）为防止钢板桩基坑开挖过程中漏水，在钢板桩插打之前认真检查钢板桩质量，对钢板桩存在缺口或者锁扣破损的钢板桩严禁使用，并且在钢板桩锁扣处涂抹黄油，以起到防水效果。
2、钢板桩基坑支护变形观测
基坑开挖过程变形观测从基坑第一道围檩支撑施工完毕后进行，分别在围檩支撑及14#墩外侧河道防护混凝土顶各布置2个点，作为观测点。
在基坑开挖过程中每隔4小时观测一次变形，并及时统计进行观测成果的汇总，若变形大于2cm时应停止作业，查明原因后及时进行加固后方可继续开挖施工[2]。基坑施工完毕后进行承台施工，在承台施工过程中安排专门测量人员对支护钢板桩的变形进行观测，每天测量一次，及时处理测量数据，统计变形量，发现变形后及时通知现场施工人员停止作业，查明原因并及时处理后方可继续施工。
3、土方开挖方案
基坑开挖程序：测量放线→打降水井水泵抽水降水→分层开挖→基坑内排水→修坡整平→预留15cm土层→人工清槽检槽→验槽。
4、土方回填方案
（1）基坑回填前，应清除基底垃圾、树根、模板、杂草等有机杂物，抽出坑穴积水、淤泥及验收基底标高。
（2）对填方基底和已完成隐蔽工程进行检查和中间验收，并作好记录，在基础达到规定强度后方可进行，回填土应采取在构（建）物四周同时对称下料进行回填。
（3）回填土由基坑边下土，分层回填，厚度每层不应超过300mm。采用夯机分层夯实，避免河道混凝土压顶底土层由于沉降造成混凝土悬空。
（4）回填土选用优质土或砂。
结论
通过对日兰高速梁山连接线梁济运河主桥深基坑的拉森钢板桩IV型围堰施工，我对该施工方法有了较为深刻的认识，为后续相似的深基坑钢板桩积累了施工经验，保证了此工程深基坑施工的安全、高效、高质量的完成。
1.此类黏土及粉质粘土地质比较适合钢板桩施工；
2.钢板桩的入土深度及围檩的支撑等都需要进行验算，常用的方法有利用结构力学求解器配合《简明施工计算手册》进行手算，或者采用《理正基坑》软件等；
3.地下水位6m左右的地区，面积不是很大的深基坑，采用此方法是比较合适的。
4.拉森钢板桩防水性能好，施工快捷简便，成本相对较低，对基坑的支护效果好，力学计算比较简单明了，由钢板桩的这些优点，并且也是一种非常常用的深基坑支护方式，因此钢板桩围堰会越来越多的应用到工程施工领域中。
参考文献：
[1]江正荣 《简明施工计算手册》（第三版）.中国建筑工程工业出版社，2005
[2]《钢结构设计规范》 .中国建筑工业出版社.GB50017-2012
[3]催江余 《建筑基坑工程设计计算与施工》.中国建材工业出版社，1999.
[4]刘国彬 《基坑工程手册》.中国建筑工业出版社，2009
[5]《热轧U型钢板桩》 GBT 20933-2007
[6]《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-2012
[7]《工字钢H型钢国际规格1998》
论文作者:刘羽, 申开放
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：钢板论文; 基坑论文; 围堰论文; 弯矩论文; 强度论文; 混凝土论文; 型钢论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;