摘要：近年来，随着经济建设和城市建设的迅速发展，拉森钢板桩在民用、市政、桥梁和工业建筑的基础工程中得到了广泛的应用。结合工程实例，讨论钢板桩在基坑支护，特别是坑中杭的应用经验。
关键词：钢板桩；深基坑；支护；应用
拉森钢板桩是一种异型钢板桩。钢板桩采用打桩机和振动锤将其压入地基，形成连续板墙，可作为深基坑开挖和挡水结构的临时支护土。钢板桩结构具有重量轻、强度高、锁紧、水密性好、施工方便、施工快捷等优点，特别是在复杂的地质条件下应用效果更好，更便捷，成本更低。近年来，随着经济建设和城市建设的迅速发展，拉森钢板桩在民用、市政、桥梁和工业建筑地质条件差，地质环境复杂（特别是地下水丰富的粉质粘土、淤泥土等），开挖面积较小的基础工程中得到了广泛的应用。结合工程实例，浅谈一下了钢板桩在复杂地质环境中小面积基坑（坑中坑）支护中的应用经验。
1.拉森钢板桩简介
1902年，德国工程师tryggve larssen开发研制了世界第一块U型断面可相互铆锁的钢制板桩。1914年，两边都可连锁的钢板桩诞生。这一改进被世界绝大数的钢板桩制造厂家采用，并一直沿用至今。最初的拉森U型钢板桩被著名KOCHI公司存在于总部展示纪念U型钢板桩的发展史。1957年落成的武汉长江大桥由国家铁道部大桥局首次由原苏联引入U型钢筋桩，用于大桥水中桥墩围堰施工。2003年，此项支护结构在国内得到大面推广，开启了钢板桩的新发展。
1.1拉森钢板桩支护的应用范围
拉森钢板桩互锁结构在互锁后可形成一个密封结构，不但可以隔水、阻水，也可以增加钢板桩的结构强度。可广泛用于地质条件差的围堰、泥土支撑体系，即可用于码头、卸货场堤岸、挡土墙、船坞等永久性建筑结构，也可用于临时断流、建筑桥梁的围堰、临时沟渠的开挖、基坑开挖的临时挡土、挡水、挡沙等临时性支护结构，也可在防洪、防塌、防流沙等预防加固工程中使用。在工程领域是基坑开挖的较好的边坡支撑体系。
1.2.拉森钢板支护桩的组成结构及其形式
拉森钢板桩支护是一种简单、经济、快捷的支护方法。主要由钢板桩、锚杆（内支撑、腰梁）等组成。由于钢板桩本身具有一定的柔性，如果支护和锚固系统采用不当，则钢板桩的变形量会很大，影响支护效果。然而，如果基坑支护的深度太大（一般不大于7m），除非采用多层支撑或锚固，否则不宜用单层钢板桩支撑基坑。钢板桩属于悬臂式封闭结构，具有自身重量轻、强度高、锁口紧密、安全性能好、空间要求低、施工方便、施工速度快、数量大、可重复使用、相对成本较低、开挖深度较大等优点。
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图一：拉森钢板桩结构示意图
1.3拉森钢板桩支护在房建施工中的使用要点
（1）钢板桩支护应科学合理，必须遵循力学原理。钢板桩支护的力学分析主要是计算钢板桩受弯接头处的应力。在实际的施工准备阶段，应将相应的计算与钢板桩入土的最小深度相结合，与现场实际相对应，应将受力计算简化为简支梁进行简单的设计验算。在施工过程中，结合钢板桩最小入土深度进行相应的验算。在此需要特别说明的是，由于不同施工现场土壤条件的不确定性和可变性，计算过程中所取的入土深度必须保持一定的宽度，并且必须乘以相应的安全系数。该系数一般为1.1-1.2。
（2）钢板桩支撑系统本身必须要符合相应的力学原理。支撑体系力学计算主要是对腹板、构件、拉锚的内力进行力学分析。围护结构力学分析可简化为一种受均布荷载作用的连续梁。再根据工程力学和结构力学的有关的计算、设计规则，进行相应的力学计算和验证。
（3）设计过程中必须保证钢板桩支护系统的稳定性。在项目施工实践过程中，钢板桩支护体系的稳定性是深基坑支护工程设计的一个关键环节，也是基坑支护施工过程安全、高效的前提。稳定性主要包括两方面：支护结构整体系统的稳定性和局部抗倾覆的稳定性。
2.复杂地质环境下钢板桩其它支护方案的比选
2.1SWM工法桩与拉森钢板桩支护法对比
两种施工方案在复杂地质条件下效果基本相同
（1）可承受开挖土体侧压力、地下水侧压力及基坑周围土体产生的变形量等。
（2）可阻止地下水流入施工开挖作业面，可保持支护体外水压平衡，防止因失水造成土体塌陷。
（3）对粉细砂土为主不良地质条件有很好效果。
（4）同为止水方案，均可对周边的建筑、构筑物及其它设施起到一定保护作用，基本不影响其使用功能。
（5）在开挖较深时，均可通过增加内支撑提高开挖深度。
经计算两个方案均能满足施工开挖条件。
两者施工工艺相比较，SWM工法桩施工过程较钢板桩复杂，施工工艺要求较高，且需要插入H型钢，施工工期也较长。拉森钢板桩施工过程与其相比较，施工过程不产生泥浆，现场文明施工更好，钢板桩施工完成后可以拨出，可以多次利用，损耗较小，不但节约钢材，且能产生较好的经济效益。经成本计算，工法桩插入型钢加钢筋混凝土支撑与钢板桩加钢管内支撑两种体系每一百米造价相差约三千元。若钢板桩可重复利用，节约成本更明显，经济效益更显著。钢板桩具有支护刚度小，变形量较大的缺点，但对于本工程非结构实体的施工可以采取加大几何尺寸、增加锚锁或支撑等措施进行克服。
经过两者比较，拉森钢板桩支护体系明显优于SWM工法桩支护体系，结合复杂地质条件受限的实际情况，采用拉森钢板桩加支撑体系的支护方法较为科学合理。
2.2灌注桩支护法与拉森钢板桩支护法对比
目前常用灌注桩施工形式主要有回旋泥浆护壁钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩、钻孔咬合灌注桩、旋挖泥浆护壁钻孔灌注桩五种。
灌注桩施工方案大多数需要大型机械进行施工来保证施工进度，对现场施工道路有较高要求，而在复杂地质条件施工现场，不满足大型机械场内行走要求。若在开挖前进行现场道路换填，换填本身成本高，也增加后期开挖工程量，也会增加成本。部分灌注桩可以满足止水、支护刚度及周边建筑物、构筑物稳定性，但其自身施工成本较拉森钢板桩高，施工工期较长，且混凝土龄期要求，需延迟开挖时间，对工期影响较大。
2.3常用其它支护体系与拉森钢板桩对比
地下连续墙与其相比，止水效果好，刚度也大很多，但造价大，施工时间也较长，不满足工期要求。
高压旋喷桩可以满足施工要求，其施工工期长，挤压出废浆量较大，且需外运，环保要求较高；桩身强度达到设计值需要时间，影响施工工期，加大施工成本。
3.拉森钢板桩施工技术要点
3.1拉森钢板桩施工流程
施工准备→开挖平整场地→测量定位→钢板桩运输到位→打桩机械安装到位→打钢板桩→钢板桩顶部内支撑→基坑开挖→钢板桩内支撑→回填土施工→拆除支护钢板桩。
3.2钢板桩打桩
（1）为了满足基础开挖施工的要求，在钢板桩施工过程中，首先应根据施工现场地质条件选用正确的打桩机械和施工方法。其次，严格施工过程控制，打好的钢板桩组应有足够的刚度、稳定性和良好的防水效果。钢板桩墙面应平整、光滑，几何尺寸满足基坑工程施工要求，且连续、闭合。
（2）在本项目中，选用屏风打桩法，即从一个角开始到另一个角结束，每根板桩从起打到结束连续作业。此法优势是打桩机的移动线路短，施工简单，打入速度快。由于此法入口单一，易向一侧倾斜，累积误差大且不易纠正，壁面平整度难以控制，对开挖精度要求较高的基础不益采用此法。
（3）为减小钢板桩定位误差，施工过程中先由专业测量人员测定钢板桩围堰的轴线、边线，并每隔一段距离设置边线定位桩，打桩时利用导线、定位桩控制钢板桩的轴线。
（4）采用单桩法控制钢板桩倾斜。钢板桩上部为自由状态，下端由闸口进行连接，由于桩应力状态有所不同，其下部阻力较上部大，当钢板桩倾斜度大于2%时，其上部和中部会同时向前倾斜，钢板桩施工难度大。施工时，板桩倾斜角应控制在1.5%以内。板桩倾斜角的控制方法有上下振动校正法、底开斜面反力法、反向保留倾角法、上部反力法、尖端斜面夹紧振动法等。
根据施工现场条件不同，以上各种控制方法可单独选用，也可组合使用控制方法。
3.3钢板桩的拔除
（1）在基础施工完成并回填后可进行钢板桩拔除，拨桩前应认真确定拔桩方式、顺序及拔桩的时间。选择拔桩的方式、顺序不正确或拨桩的时间错误等都可能会引起地面沉降或其它位移，也会对已建成的基础、地下结构造成危害。可能对附近建筑物、构筑物造成影响，对周边即有地下管线造成破坏。
（2）钢板桩拨桩时严格控制震动时间。钢板桩拨桩多采用拔桩机震动拨桩法。拨桩机将钢板桩桩头夹住，震动1至2 分钟，目的是使钢板桩周围的土体液化、松动，以减少土体与钢板桩之间的摩擦力，便于桩的拨出。拨桩时应匀速缓慢拉出。拨桩时应注意拨桩机的额定载荷，拨桩困难时，应立即停止拉桩，可采用先往下打少许，然后再拉，如此反复的方法可将桩拔出。
（3）拔桩时注意事项。首先，拔桩的起点和顺序。拔桩的起点可根据打桩时情况确定，必要时也可采用跳桩法。拨桩顺序最好与打桩顺序相反。其次，振动拔出。拔桩时，用振动锤对板桩头的锁口进行振动，以减少土体的粘附力，然后缓慢振动拔出。拨出过程中难拔板桩，一般选用柴油锤在自然地面以上合适位置进行振动，再与振动锤交替振动拨出钢板。第三，对于拔出较困难的钢板桩，可采用间歇振动法进行，即拨桩时振动15分钟每次，连续振动不得超过一个半小时。
4.拉森钢板桩在工程中的应用
4.1钢板桩的应用
安徽居巢经济开发区中科智城项目二段共包括综合办公楼、商务接待楼、后勤综合楼、1#、2#、3#孵化器6个单体工程。本工程由于6栋单位间距离较近，考虑到结构施工材料周转、堆放及各楼自身特点、工期安排等因素，中间两栋单位待层数较少的两栋单位结构封顶后再进行施工。根据总体施工顺序情况，结合塔式起重机安装要求规定等，施工现场安排4部塔式起重机较为科学合理。两高层中一部塔式起重机必须位于地下室底板上。
经项目部对多方案进行综合对比，结合项目现有条件及现场实际情况，决定采用拉森型钢板桩作为基础“坑内”的支护结构。经比选后确定采用9m长的U型拉森钢板桩、I型钢支柱和32a形槽钢拉索。塔机北侧采用钢板桩，钢板桩沿塔式起重机帽边形成封闭的完整支撑结构体系。距塔式起重机顶盖边缘2米处，采用1：1斜率开挖塔机东侧、西侧和南侧。
4.2支护计算
根据项目需开挖部位的结构尺寸、深度进行钢板桩支撑、支护进行力学、内力计算。（计算过程略）
钢板桩总长度为L=3.5+8.7=12.2m。采用12米SP-IV型钢板桩。最深处基坑围梁采用钢板桩，支撑间距不得大于9.4m，取4.5m，可根据现场情况调整。对撑受压力作用，压力取对撑所承受范围内外力的一半，对撑同样采用钢板桩。
4.3钢板桩施工中的问题及措施
考虑到钢板桩北侧靠近施工道路，该施工道路是基坑开挖的主要出土通道，经常出现挖土机、挖掘机、运土车等大型机械设备，对钢板桩支护工程有一定的影响，支护体系存在一定的安全隐患。塔式起重机基础开挖到垫层底部一米时，塔基位于地下水位以下，基坑内底部周围产生浮砂，钢板桩受力发生改变，导致桩体失稳，引起钢板桩边缘土层明显开裂，部分土体出现坍塌。
5.钢板桩常规加固措施。
为保证桩体变形量在规定范围内，结合案例说明提高钢板桩的刚度和稳定性常规加固方法。
（1）在钢板桩内增加对撑或斜撑。
由于本工程钢板桩内无法设置对撑，故在钢板桩内每隔一米设置一道斜撑，用以抵抗周边土层侧压力。
（2）限制桩体周围施工活动，减少对其的扰动。
由于钢板桩与施工方便的道路相邻，钢板桩边缘的土层经常受到大型机械的干扰，是引起土体变形的主要原因之一。项目部将施工便道北移，在钢板桩北侧2米范围内设置禁行区，该道路禁止大型车辆通行，以减小车辆对土层的扰动。
（3）钢板桩周边卸载、减压。
与钢板桩平行方向产生较宽的通长裂缝，部分土体开始塌方。为保证正常的施工条件，防止塌方事态扩大。采取去土卸载，减少土体自身压力。为了降低土体自重竖向力对钢板桩产生的侧向压力，在紧临钢板桩北侧宽1米范围内，挖去深1米土体进行减压。
（4）加固桩下端土层，保持土层稳定。
可采用注浆、压入块料、冷冻等方法进行桩体下端土层加固，增加被动土对桩体支撑力，提高桩体弯矩值，防止桩体倾覆。在施工中根据现场地质情况确定拉森钢板桩悬臂长度，在地质较为复杂时，悬臂一般不超过4米，超过时可根据地质条件及计算结果增设一道或多道支撑，增加其开挖深度。特别注意桩下端必须要插入稳定土层。若无法插入稳定土层，可采用加固被动土层方式防止桩体倾覆，保证施工过程安全、桩体稳定。
（5）以上几种加固方法分组一同使用或几种并用，保证桩体的稳定性。
6.结论
拉森钢板桩支护体系通过在项目塔式起重机坑中成功应用，充分说明了该支护体系在复杂地质环境中具有很大优势。体现了其施工方便，对地质条件要求低，施工工期短，耐久性好，可多次重复利用等特点。其也存在一定不足，如在地下水位较高时还需要进行止水、降水等措施进补充；不能很好的阻挡水和细小沙粒；在开挖过程后自身刚度有限，基坑变形也较大等。
作为基建狂魔的中国，在将来建筑工程施工中，复杂地质环境基坑施工会越来越多。钢板桩在复杂环境基坑支护施工中有着不可替代的地位和内在经济价值，应用必会更广。
参考文献：
（1）江正荣．建筑地基与基础施工手册．中国建筑工业出版社，2005.
（2）谢春萍．钢板桩钢支护结构在深基坑工程中的应用[J]．皖西学院学报，2014年05期．
（3）张浩华，崔秀琴．土力学与地基基础．华中科技大学出版社，2010.
论文作者:徐俊义
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/29
标签：钢板论文; 基坑论文; 地质论文; 结构论文; 土层论文; 型钢论文; 体系论文; 《基层建设》2020年第2期论文;