钢板桩支护在深基坑中的应用

钢板桩支护在深基坑中的应用

王朋朋

（芜湖市轨道（隧道）交通工程质量安全监督站 安徽 芜湖 241000）

摘 要：鉴于钢板桩的诸多优点，本文以芜湖轨道交通2号线基坑开挖为例，探讨了钢板桩作为基坑支护结构的可行性，通过理论分析和软件辅助，验算了基坑开挖过程中不同工况下强度、稳定性及变形问题。研究了基坑开挖过程中钢板桩的内力变化规律，为指导施工提供了依据，有效地保证了施工现场的安全，为解决钢板桩作为支护方式的深基坑开挖问题提供了有价值的工程依据。

关键词：轨道交通；深基坑；拉森钢板桩

中图分类号：TU473 文献标识码：A

0 引言

轨道交通建设过程中往往涉及到基坑开挖工程。许多学者通过对大量实测数据和数值模拟结果的分析，研究了钢板桩在基坑支护中的受力和变形机理，为钢板桩作为基坑支护的可行性提供了理论和技术支撑。钢板桩因具有施工方便、施工周期短、止水性能好、可重复利用等特点，被广泛用作支护结构^[1-2]。寇殿良^[1]利用拉森钢板桩施工进度快、施工占地面积小的特点，通过钢板桩在市政排水管道工程的应用实例，介绍了拉森钢板桩的施工工艺和施工注意事项。张静^[2]以灵武太中银铁路立交特大桥基坑为例，得出拉森钢板桩实际施工过程中变形量大于设计变形量。廖少明^[3]和丁智^[4]等通过对地区的基坑工程实例监测数据的对比分析，针对不同支护结构、不同深基坑的变形性状以及支撑轴力制定了不同的监测方案。

本文以芜湖轨道交通2号线一期工程海政区间17#承台基坑为例，计算了钢板桩作为支护结构时的受力情况及基坑开挖过程中的可行性验算。

1 工程概况

芜湖市轨道交通工程2号线海政区间17#承台基坑位于河清路与赤铸山路交叉口以西，位于道路中央。承台尺寸为4.8m*4.8m*1.6m，开挖深度为6.811m，地质参数见表1。

表1 海政区间17#承台基坑地质参数表

基坑采用钢板桩+斜撑+对口撑的支护形式进行开挖，基底设10cm混凝土垫层，基坑开挖过程中遵循“先撑后挖”的原则，钢板桩采用IVw型号拉森钢板桩（截面面积A=225.5cm²，惯性矩I=56700cm⁴，抗弯模量W=2200cm^3，f=215Mpa），围囹与斜撑采用HW400型钢或2HW400型钢，对口撑采用φ530×8mm钢管。本文基坑内支撑水平间距为1m，外测水位深度为3m，随着开挖深度的加深，坑内降水逐渐降低到开挖面以下0.5m最终降至地下7m。开挖工况为：工况1基坑开挖至桩顶下2m，工况2在桩顶下1.5m安装第一道内支撑，工况3基坑开挖至桩顶下4.5m，工况4在桩顶下4m安装第二道内支撑，工况5基坑开挖至垫层底。

2 钢板桩支护结构设计计算

采用理正深基坑软件中整体计算模块对深基坑钢板桩变形与内力进行计算，不同工况下内力变化如图1，分别采用弹性法和经典法得到基坑内外最大弯矩见表2

图1 不同工况下内力和位移图

表2 基坑内、外侧弯矩

251.195/(2200.000*10^-6)= 114.179(MPa) < f = 215.000(MPa)；

151.505/(2200.000*10^-6)= 68.866(MPa) < f = 215.000(MPa)。

因此基坑内、外侧抗弯刚度均满足要求

由图1可以得出位移最大为45.69mm，小于《建筑基坑工程监测技术规范》中80mm及47.677mm（=0.007*6811）的要求，

采用理正深基坑软件中单元计算模块对深基坑钢板桩整体抗倾覆、抗隆起、流土稳定性及嵌固深度等进行计算，

整体稳定性验算：

采用瑞典条分法计算基坑整体稳定性，整体稳定安全系数 如下式：

_式中： ——被动区抗倾覆作用力矩总和(kN.m/m); ——主动区倾覆作用力矩总和(kN.m/m); ——带支撑桩、墙式支护抗倾覆稳定安全系数。

不同工况下，抗倾覆系数的如表3所示，

采用瑞典条分法得整体稳定安全系数 = 1.804 > 1.20, 满足规范要求。

表3 不同工况下抗倾覆稳定安全系数

抗隆起验算：

工况1不需要进行抗倾覆验算，工况2-5抗倾覆稳定安全系数均大于1.2，满足抗倾覆要求。

对基坑底部抗隆起验算时，得 =(18.326×8.189×2.552+39.150×8.500)/(18.104×(6.811+8.189)+22.897)=2.431 ≥ 1.600满足规范要求。

流土稳定性验算：

式中: ：流土稳定性计算安全系数； ：流土稳定性安全系数； ：截水帷幕在基坑底面以下的长度(m)； ：潜水水面或承压水含水层顶面至基坑底面的垂直距离(m)； ：土的浮重度(kN/m3)； ：基坑内外的水头差(m)； ：地下水重度(kN/m3)；

K = (2.00*8.19 + 0.80*3.81)*8.34/4.00*10.00 = 4.051 >= 1.50, 满足规范要求。

抗突涌稳定性验算：

式中: ：承压水含水层顶面至坑底的土层天然重度(kN/m3); ：承压水含水层顶面至坑底的土层厚度(m); ：水的重度(kN/m3); ：承压水含水层顶面的压力水头高度(m); ：突涌稳定安全系数计算值。

= 50.000*19.391/30.000 = 32.319>1.10 满足规范要求。

嵌固深度构造验算：

嵌固构造深度=嵌固构造深度系数×基坑深度

=0.200×6.811=1.362m

本基坑嵌固深度采用值8.189m >= 1.362m,满足构造要求。

嵌固段基坑内侧土反力验算：

表中：Ps为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力（kN）；Ep为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力（kN）。

Ps =

因此，钢板桩支护结构满足要求。

3 基坑支撑结构分析

利用单元计算的支撑反力作为荷载施加于围囹上，采用Midas Civil 2015整体建模对支撑体系进行验算。边界条件取：钢围檩与斜撑节点设为：约束DZ=0，型钢围檩四角节点设为：约束DX=0，DY=0，DZ=0。

荷载组合取 ，其中Fc为各层支撑内力。该基坑第一、二内支撑荷载组合分别为180.4KN、446.7 KN。根据不同支撑内力，选用不同形式支护，并针对不同支护形式分别进行验算，第一层选用单根H400型钢+H400型钢斜撑进行支护，第二层选用双拼H400型钢+双拼H400型钢斜撑进行支护。

单根H400型钢+H400型钢斜撑支护结构的内力和变形见图2；双拼H400型钢+双拼H400型钢斜撑支护结构的内力和变形见图3。

图2 第一层支撑内力及变形图

由以上结果可知：

组合应力 =107.63MPa< =215MPa，满足要求;

剪应力 =106.81MPa< =125MPa，满足要求;

围囹支撑体系平面最大变形0.55mm<l/400=11mm，满足要求。

图3 第二层支撑内力及变形图

由以上结果可知：组合应力 =116.09MPa< =215MPa，满足要求;剪应力 =115.19MPa< =125MPa，满足要求;围囹支撑体系平面最大变形0.6mm<l/400=11mm，满足要求。

斜撑稳定性验算

由于对斜撑受压大，故需要对其稳定性进行分析。

HW400×400型钢角撑稳定性验算，截面回转半径 =17.45cm，自由长度取1.7m，应力选取对应的应力52.26MPa，得长细比 =9.74，查表得 =0.995，

=52.26MPa< =0.995x215=213.93MPa,符合要求。

4 结语

通过理论计算和软件计算，可以得出本文基坑采用拉森钢板桩支护能够满足应力、应变及稳定性要求。钢板桩施工方便、施工周期短、、占地面积小、可重复利用的特点可以极大地加快施工进度、节约施工成本。拉森钢板桩在该基坑的成功应用为为类似基坑开挖支撑结构工程提供了具有重要价值的参考。

参考文献：

1. 寇殿良,莫一宁,刘启岚.钢板桩在市政排水管道基坑支护中的应用[J].广西城镇建设,2010(11):73-75.

2. 张静.钢板桩支护在灵武太中银铁路立交特大桥深基坑施工中的应用[J].绿色环保建材,2017(04):69-70.

3. 廖少明, 魏仕锋,谭勇,等. 苏州地区大尺度深基坑变形性状实测分析[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(3):458-469.

4. 丁智, 王达, 虞兴福,等. 杭州地铁新塘路、景芳路交叉口工程深基坑监测分析[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(s2):445-451.