钢板桩在震后道路加固工程中的应用

           钢板桩在震后道路加固工程中的应用

                  (中冶集团成都勒察研究总院彭波邓宇米小友)

摘要：拉森钢板桩因其具有承载力强、自身结构轻其构成的连续墙体具有较高的强度与刚性，施工简使，作业高放、环保且可再生利用等特点常被广泛应用于装却码头、推土墙，平流堤、船竭、水闸、渔港、止水墙、路桥的护岸结构等永久性工程和基统支护、临时护岸、桥墩止水围、临时筑岛等临时性工程。本文结合工程实例，叙述了拉森钢板桩支护体系在受“5.12汶川大地震”破坏后的都江堰拉法基水泥有限公司厂区主工艺生产线道路加固工程中的永久性支护实践应用，从设计、施工工艺、工艺流程、施工方法以及沉桩质量控制和保证措施分别进行了阐述，说明了森钢板柱在震害加因工程中的优越性。

关键词：拉森钢板桩 震害 加固 应用

1 工程概况

都江堰拉法基水泥有限公司位于四川省都江堰市蒲阳镇金风乡金凤村，距离成都市55公里。

都江堰拉法基水泥有限公司是由法国拉法基集团与四川省都江堰市建工建材有限责任公司于1999年2月共同投资组建的一家合资企业。总投资为2.58亿美元，其中拉法基占75%的股份并全面负责公司的经营管理，是当时中国西南地区最大的外商投资项目之一。都江堰拉法基水泥公司生产厂区是一条从石灰石储存到水泥发运的日产4000吨水泥生产线。二线3500t/d扩建工程，于2006年10月18日正式点火投产，近期拉法基三线4600t/d生产线总投资7亿元，于2010年上半年建成投产。由于5月12日四川汶川发生强烈地震，该厂地处于重灾区，生产线受损严重。二线厂区主工艺生产线道路及边坡挡墙在地震中被破坏，道路边坡挡墙的破坏直接威胁到二线主工艺生产线的安全。见图1。

    工程道路紧邻水泥厂二线生产线设备，总长度627.7m。该道路平常用于重型车辆原材料输送，道路外侧为高6.0m的浆砌块石挡墙，该挡墙在这次地震中同样严重受损。受该公司委托，我院承担该震害工程的加固设计与治理。根据本工程实际情况结合外籍专家意见，本工程采用了由拉森钢板桩和H型钢，预力错索所组成的支护体系进行道路及边坡的加固处理，以达到二线的恢复正常生产、恢复道路通行，道路外侧挡墙的开挖修复以及挡墙外侧三线超深排水沟的修筑。

2 工程地质及水文地质概况

场地所处区域的大地构造环境较为复杂，从北往南有三个一级大地构单元，分别为秦岭褶皱系，松潘-甘孜褶皱系和扬子准地台。总体上讲，地台区以地壳振荡运动为特征，是相对稳定的大地构造环境，地槽区则以大幅度的沉降继以强烈的褶皱造山和岩浆侵入为特征，是相对活动的大地构造环境。拟建场地位于扬子准地台西北侧龙门山山前凹陷带，龙门山不断上升剥蚀，川西台陷作为它的补偿盆地接受堆积。

根据四川省地震局工程地震研究所1999年4月提的《四川省都江堰水泥厂工程场地地震安全性评价报告》，拟建场地位于成都断陷西北侧龙门山断裂前缘，该断裂距场地约200m。根据武勘院岩土测试中心提出的《都江堰拉法基水泥厂有限公司（3200t/d）场地详勘物探报告书》，场地内未发现断裂。

2.1 地形地貌

拟建场地位于成都平原西北部边缘的岷江冲洪积扇体的北侧，地形总体由西北向东南缓倾，地势起伏不大，现已人工填平呈阶梯状。

2.2 地层岩性

场地勘探深度范围内土层主要由第四系上~中更新统(Q2-3al+pl)层构成，场地勘探深度内各岩土层的岩性叙述如下：

2.2.1 人工堆积(Q4ml)层

素填土

以褐黄色为主，主要由粘性土构成，含少量碎石和砖块等，呈湿的，稍密状态，层厚为0.80-9.40m，分布在整个场第。

2.2.2 第四系上~中更新统(Q2-3al+pl)层

2.2.2.1 粉质粘土

黄灰色、灰色，含约5-20%强~中风化卵石、漂石，其中约70%为强风化，约30%为中风化，卵石和漂石成为砂岩，偶见石英岩及石英砂岩等，粒径在40~300mm之间，并含有少量有机质。呈饱和、软塑状态，层厚400-7.20m分布于场地钻孔No57和58。

2.2.2.2 粉质粘土

黄灰色、灰色，含约5-20%强~中风化卵石、漂石，其中约50%为强风化，约40%为中风化，卵石和漂石成份主要为砂岩，偶见石英岩及石英砂岩等，粒径在40~300mm之间，并含有少量有机质。呈湿的、可塑状态，层厚0.90-6.20m，分布于场地西侧地区。

222.3 粉质粘土

灰色~灰褐色，含有约2~4%的有机质，局部可见未完全分解的腐植物，含有约5~15%的中风化卵、砾石。呈稍湿的、硬塑状态，层厚0.50~14.00m，分布于场地西侧

和中部地区。

2.2.2.4 粘土

灰色，含约5~20%强~中风化卵石、漂石，其中约55%为强风化，约45%为中风化，卵石和漂石成份主要为泥质砂岩，偶见石英岩及石英砂岩等，粒径在40~300mm之间，并含有少量有机质。呈湿的、可塑状态，层厚0.60~10.60m，分布于场地东侧地区。

2.2.2.5 粘士

灰色~灰褐色，含有约2~4%的有机质，局部可见未完全分解的腐植物，含有约5~15%的强~中风化卵、砾石。呈稍湿的、硬塑状态, 层厚1.30~9.20m，分布于场地东侧地区。

2.2.2.6 稍密卵石

卵石成份主要为砂岩，偶见石英岩、石英砂岩等，多呈亚园形，卵石含量为50%~60%，含有块石和漂石，一般粒径40~80mm，最大粒径600mm，充填物主要为可塑状态粉质粘土，有少量有机质，呈饱和、稍密状态，分布于场地大部分地区。

该层卵石风化状态呈强~中风化，强风化卵石约占总重40%-50%、中风化卵石约占总重5%~15%。根据钻探揭露，强风化卵石强度很低，手捏即散。中风化卵石能基本保持卵石原有形状，岩芯多呈短柱状，轻锤敲击便碎。

2.2.2.7  中密卵石

卵石成份主要为砂岩，偶见石英岩、石英砂岩等，多呈亚园形，卵石含量为50%-60%，含有块石和漂石，一般粒径40-80mm，最大粒径600mm，充填物主要为可塑状态粉质粘土，有少量有机质，呈饱和、中密状态，分布于整个场地。

该层卵石风化状态呈强~中风化，强风化卵石约占重30%-35%、中风化卵石约占总重20%-25%。根据钻探揭露，强风化卵石强度很低，手捏即散。中风化卵石能基本保持卵石原有形状，轻锤敲击便碎。

2.2.2.8 密实卵石

卵石成分主要为砂岩，多呈亚园形，卵石含量约为55-65%，含有漂石和块石，一般粒径40-120mm,最大粒径600mm，充填物主要为可塑~硬塑状态粉质粘土，含少量有机质。呈饱和的、密实状态，整个场地均有分布。

该层卵石风化状态以强风化为主，强风化卵石占总重的45-50%。手捏易碎，中等风化卵石约占总重的10-20%，能基本保持卵石原有形状，若芯多呈短柱状，轻锤敲击便碎。

2.2.2.9有机质粘土

灰褐~灰黑色，含有约5-17%的有机质及约10%强风化卵石，偶见未完全分解植物残渣。有嗅味，呈饱和的、流塑状态，层厚2.60-6.20m，仅在No8和22有分布。

2.3 水文地质条件

场地地下水主要为赋存卵石中的潜水，主要受大气降水、地表水和地下水径流补给，总体本由西向东径流。地下水埋深在1.00-7.20m之间，相当于标高719.55~ 727.38m。据调查，地下水位年变化量约为1.50-4.00m。

3拉森钢板桩支护体系设计方案

3.1设计目的

受“5.12汶川大地震”的影响，二线厂区道路在地震中被破坏，在余震持续不断的情况下，本次震后厂区道路加固工程设计的目的是：

1) 加固该条长为627.7m的道路，使道路稳定。

2) 通过对道路的加固稳定，确保水泥厂二线工艺设备基础的稳定，保证二线的恢复生产，防范余震对生产线的破坏。

3) 确保道路正常通行。

4) 为后期道路外侧挡墙修复开挖及挡墙墙底的新建超深排水沟开挖提供安全保障。

3.2设计依据

《热轧U型钢板》GB/T20933-2007

《岩土锚杆（索）技术规程》CECS22 2005

《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120- 99

《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002

《建筑边坡工程设计规范》GB50330-2002

《钢板桩从设计到施工》钢管桩协会 新日本制铁株式会社

3.3拉森钢板桩支护体系方案确定

在起初从技术、经济等角度出发，根据设计目的和设计依据曾考虑过由抗滑桩组成的桩板式挡墙、预制钢筋混凝土排桩墙、深层搅拌桩墙、复合微型桩挡墙、拉钢板桩等多种方案。最终由于拉森钢板桩加固方案具有如下优点而被确认：

1) 高品质(热轧定型产品、高强度、轻型)

2) 施工快捷工期短、耐久性良好寿命50年以上

3) 安全环保可再生利用

4) 救灾抢险灵活应用如防洪、塌方、塌陷、流沙等。

结合本工程的特殊性(地震后抢险加固，工期短，效果突出)，因此最终选择了由拉森钢板桩、H型钢、桩间预应力锚索组成的复合式支护体系进行震害加固。

在挡墙内侧设置一排连续的拉森钢板桩墙，根据主动土压力及被动土压力计算以及抗倾覆验算结果结合挡墙高度分别选取SP-IV和SP-IVw型钢板桩。在钢板桩外侧设置一排400×400H型钢桩作为支撑桩，桩间距3.0m，桩长12.0m。在钢板桩桩顶位置与H型钢间设置共一排400×400H型钢围檩。在钢板桩墙内侧8m处H型钢钢桩支撑桩又对称位置处设置一排400×400H型钢锚桩，支撑桩与锚桩之间采用4股φ15.2钢绞线和锚具组成的拉森钢的锚索相连，锚索外加50KN预应力。具体内容详见图2、图3。

 

 

(1) 钢板桩选用：

根据工程所在地场地特点，结合钢板桩的特性、施工等方面进行考虑，选用拉森SP-Ⅳ和SP-IVw型钢板桩，因为该型号拉森钢板桩宽度适中，抗弯性能好，根据计算结果及作业条件决定选用SP-IV钢板桩长度12长，共1361根、SP-Ⅳw型钢板柱长度15长，共138根。

(2) H型钢及钢绞线选用：

H型钢选用12米长400×400型热轧H型钢桩作为钢板桩外侧的支撑桩和钢板桩背侧锚拉桩，钢板桩与支撑桩之间设置由400×400H型钢构成围檩。H型钢桩共474支。支撑桩和锚拉桩之间选用4股φ15.2(1×7 标准型)钢绞线相连接，钢绞线长度8.5。

 

4  拉森钢板桩支护体系施工工艺及方法

4.1 施工工艺流程

4.2施工方法

4.2.1  H型钢的防腐处理

4.2.1.1表面处理

涂装表面在除装前必进切底清理，要求达到无锈，无氧化皮、无油污，无水和灰尘，除锈标准应满足GB8923-88涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级中Sa2.5级的要求。

4.2.1.2 涂装工艺

涂装前，配料时先将甲、乙组分按配比重量混合均匀，再按比例加入丙组分混合并搅匀。配好的涂料应尽快用完,25℃时适用期约为30min，因此每次配料不宜过多，以每次3kg为宜。各组分比例与气温有关，参照下表调配：

 

为保证涂层附着力，经表面处理合格后先用稀释的配方涂一道，再按上表要求配料进行涂装。稀释的配方具体配比如下：甲：乙：丙：H02稀释剂=100：(15-25):100：(5 -10)。

应严格控制涂膜厚度，做到90%的被测点达到规定的厚度，未达到膜厚的被测点，其膜厚应达到规定值的90%。允许对涂层破坏处或缺陷处进行修补，将待修补处及其周围20mm范围内的涂层用砂纸或钢丝刷打毛，刮涂本涂料与周围涂层相平即可。

由于环境条件的差异，会影响到漆膜表面的质量，必要时，在甲、乙组份混合时加入甲组份量1%的Z01助剂。

4.2.1.3注意事项

(1)涂膜干透前，应避免受到雨水或其它液体的沾染，更不得有人员践踏。

(2)型钢表面在夏季受烈日直接照射及雨、雪、雾等天气时不得施工。

(3)涂料配料间及施工现场严禁明火作业，禁止吸烟，也应避免因摩擦或电器等引发的火花。如发生起火，应使用泡沫、二氧化碳或干粉灭火器扑灭火焰。

(4)施工现场，尤其是在狭小空间作业时，应确保通风良好，操作人员应配戴必要的防护用具，如感不适，应立即将其调离现场至有新鲜空气的地方。

(5)涂料丙组分应妥善存放，防止受潮。

4.2.2 拉森钢板桩插打

4.2.2.1拉森钢板桩的采购、检验、吊装及堆放

1) 采购：根据建设单位要求，本工程采用的拉森钢桩的插打。根据特点钢板桩施工要正确选择打桩方法配板桩为全新桩，经过市场走访调查最终选定新日本制铁株式会社生产的SP-IV和SP-Ⅳw型拉森钢板桩。

2)检验：钢板桩运到工地后，进行整理。清除锁口内杂物(如电焊瘤渣、废填充物等)，对缺陷部位加以整修或退还处理。

①锁口检查的方法：用一块长约2米的同类型、同规格的钢板桩作标准，将所有同型号的钢板桩做锁扣通过检查。检查采用卷扬机拉动标准钢板桩平车，从桩头至桩尾作锁口通过检查。对于检查出的锁口扭曲及“死弯”进行校正。

②为确保每片钢板桩的两侧锁口平行。同时，尽可能使钢板桩的宽度都在同一宽度规格内。需要进行宽度检查，方法是：对于每片钢板桩分为上中下三部分用钢尺测量其宽度，使每片桩的宽度在同一尺寸内，每片相邻数差值以小于lmm为宜。对于肉眼看到的局部变形可进行加密测量。对于超出偏差的钢板桩进行更换。

③钢板桩的其它检查，对于桩身残缺、残迹、不整、锈皮、卷曲等都要做全面检查，并采取相应措施，以确保正常使。

④锁口润滑及防渗措施，对于检查合格的钢板桩，为保证钢板桩在施工过程中能顺利插打，并增加钢板桩在使用时防渗性能。每片钢板桩锁口宜均匀涂抹混合油，其体积配合比建议值为黄油：干膨润土：干锯沫=5:5:3。

⑤对于新采购的拉森钢板桩宜根据《热轧U型钢板桩》GB/T20933-2007进行抽样复试。

3）吊运：装卸钢板桩宜采用两点吊。吊运时，每次起吊的钢板桩根数不宜过多，根据桩长及规格型号综合吊车理论吊重,4-8根为宜，并应注意保护锁口免受损伤。吊运方式有成捆起吊和单根起吊。成捆起吊通常采用钢索捆扎，而单根吊运常用专用的吊具。

4）钢板桩堆放的地点，要选择在不会因压重而发生较大沉陷变形的平坦而坚固的场地上，并便于运往打桩施工现场。堆放时应注意：

①堆放的顺序、位置、方向和平面布置等应以后的施工方便；

②钢板桩要按型号、规格、长度分别堆放，并在堆放设置标牌说明；

③钢板桩应分层堆放，每层堆放数量一般不超过5根，各层间要垫枕木，垫木间距一般为3-4米，且上、下层垫木应在同一垂直线上，堆放的总高度不宜超过2米。

4.2.2.2 拉森钢板桩插打

理解设计意图及完成技术交底后，开始进行拉森板桩的插打。根据特点钢板桩施工要正确选择打桩方法、配备合理打桩机械和合理流水段划分，以便使插打后的板桩墙有足够的刚度和良好的止水效果。

1)测量定位：插打前先由测量人员定出钢板桩的轴线，根据测量的轴线每隔一定距离(本工程距离3.0m)设置导向木桩，然后挂绳线作为导线，打桩时利用导线控制钢板桩的轴线。

2)插打顺序：根据工程特点，本工程采用从中间开始，向两边推进的顺序进行插打，该顺序桩机行走路线短，施工简便，打设速度快。有效保证了板桩墙的连续性。

3)打桩机械及工业的确定

根据设计及地质勘察资料，先选用的是打拔桩机，即由两台液压挖掘机(小松PC400和日立EX450H)加液压高频振动锤(DZM60)改装而成，激振力420kN。前期试柱比较成功地能将一根整桩插打到位。到后期大规模插打时发现因本工程地质条件复杂，回填上层中夹杂有大量回填漂石，在桩搭扣的情况下，大部分桩根本不能一次性沉桩到位。我公司积极组织相关力量，先从引孔角度从地层入手进行试验，先后采用了单管深层搅拌桩机、螺旋钻机、冲击钻机进行引孔但最终以效率低下告终。然后从打桩力上人手，采用了90KW振动锤进行辅打桩，也未成功。最后，将整根桩分成两道工序施工即先采用振动机械进行插桩至硬质土层后，采用重锤式柴油打桩机进行夯打到设计标高。主要机械设备数量见下表：

5) 插桩及后期夯打

①液压打桩机吊起钢板桩，人工扶正就位在吊打前锁口均匀涂抹混合油。

②插桩施工中保证钢板桩的锁口两两相搭结。

③在插打过程中随时测量监控每根桩的斜度不超过2%，当偏斜过大不能用拉齐方法调正时，拔起重打。

④当液压打桩机插桩至硬质土层不能继续下插时，换用重锤式柴油打桩机进行夯打。

⑤单桩逐根连续施打，同时通过送桩器将桩沉到设计高程。注意桩顶高程不宜相差太大。

4.2.3 H型钢插打

钢板桩施工结束后，安装H型钢围檩后进行钢板桩前侧H型钢支撑桩和背侧的H型钢错拉桩插打，其插打方法同钢板桩。

4.2.4 桩间预应力锚索施工

4.2.4.1 施工准备

1)钻孔

根据设计图纸，按设计要求，将描孔位置准确测放据设计及在400*400HEB型钢面上，孔位误差不得超过土3mm。

2) 开槽

根据锚拉桩的位置，在两者连线之间，以桩顶面为准，开凿深0.4m，宽0.2m的沟槽。

3) 锚索制作

①锚索制作前应对400*400HEB型钢拉桩与锚桩的实际间距进行测量，并按实际长度截取索体长度；钢铰线宜使用机械切割，不得用电弧切割，制作好的锚索应按对应桩号进行编号；编束前，要确保每根钢纹线顺直，不扭不叉，排列均匀，对有死弯，机械损伤处应剔出。无粘结绞线外套PE管不得有破损。

②锚索制作应进行防腐处理，钢铰线全长涂刷防锈剂，采用全长套管防护；

4.2.4.2张拉、锁定

1) 只有当锚固头固定后才能进行锚索张拉，通过给锚索施加预应力，使锚索主动受力，达到设计加固效果。采用小型千斤顶进行单根对称和分级循环张拉，可减少锚索的受力不均匀。张拉作业前必须对张拉机具设备进行标定，张拉机具应与锚具配套。

2) 张拉时，加载速率不宜太快，宜控制在设计预应行力值的0.1/min左右，达到每一级张拉应力的预定值后，应使张拉设备稳定一定时间，在张拉系统出力值不变时，确信油压表无压力向下漂移后再进行锁定。卸荷速率宜控制在设计预应力值的0.2/min左右。

3) 锚索超张拉力为锚索设计拉力值的1.05倍，锚索张拉应分次分级进行，按对称张拉原则进行，必须待每根绞线张拉完一级后方可进行下一级的张拉。依次按此进行，直至张拉吨位。每次分级张拉时，除第一级需稳定10-15分钟外，其余每一级需要稳定2-5分钟，并分别记录每一级钢绞线的伸长量。张拉时钢绞线受力要均匀。并做好分级绞线的标记。锚具回缩等原因造成的预应力损失采用超张拉的方法加以克服，超张拉值一般为设计预应力的5%-10%，其程序如下。张拉完成48小时内，若发现预应力损失大于设计预应力的10%时，应进行补偿张拉。

4) 在张拉时，应采用张拉系统出力与锚索体伸长值来综合控制锚索应力，当实际伸长值与理论值差别较大时，应暂停张拉，待查明原因并采用相应措施后方可张拉；

5) 张拉到位后，即锁定。机械切除多余钢绞线，严禁电割、氧割，并应留≥10cm以防滑脱，最后用C15砼封锚。

5拉森钢板桩支护体系的安全技术保障及措施

1、为保证支护体系对道路加固的安全可靠，须对拉森桩的入土深度进行理论数据的计算，并对板桩墙的强度及稳定性进行验证，确保加固工程施工的可靠性。

2、、施工过程中，严格按照规范进行施工，钢板桩、围檩与支撑桩应可靠连接，从而保证了其整体受力效果。

3、拉森板桩两两通过锁口可靠连接，保障拉森桩防漏性能，保证下道挡墙工序顺利开挖。

4、拉森板桩支护体系及后期挡墙开挖施工严格按照施工规范实施每道工艺的施工，靠近钢板桩施工场地的道路禁止重型车辆通行，在10m-15m范围内禁止堆原材料，确保道路的安全。

5、后期挡墙及排水沟开挖施工时，应分段开挖。开挖过程中建立监测系统，定期进行监测。发现问题及时处理。

6、建立严格的工序交接程序，制定科学、严谨、可行的施工计划，最大程度的调动施工群体的主观能动性，拟定合理的奖罚条律，坚持以人为本，安全第一的原则，加强协作意识，高度重视施工质量，如期完成施工任务。

 

6 结 论

1、从都江堰拉法基水泥有限公司震后厂区道路加固工程拉森钢板桩应用的实际效果来看，非常理想，既起到了支挡加固的目的，也确保了设备基础稳定并为后期道路恢复以及挡墙开挖恢复、挡墙前超深(8m)排水沟的修筑提供了安全保障。从施工情况看拉森钢板桩具有施工进度快、安全、占地空间小等优点，适用于类似地震后抢险工程支护。

2、当钢板桩作为临时性支护可以重复使用，节省投资，但因本工程选择为永久性支护虽不具有该特点但从安全环保可再生的角度体现外资方的不同价值观。同时放钢板桩能起到防渗的作用，能为后续施工创造条件。而且钢板桩施工受余震及雨季的影响较小，能保证整个工厂震后加固工程的顺利推进。

3、采用钢板桩支护，对周围环境影响较小，无噪音污染。钢板桩施工简便，工序简单，质量易控制，工期短合且现场整洁。

4、钢板桩支护后期施工期间可以通过变形观测对钢板桩的位移进行有效控制，从而有效地保证了安全。

 

参考文献

《工程地质手册》第四版 中国建筑工业出版社 2007

《建筑地基与基础施工手册》汪正荣主编 建筑工业出版社 2005

《土力学与地基基础》张伯平党进谦 编著 西安地图出版社 2001

《土木工程施工》同济大学 主编高等教育出版社 2003

《钢板桩从设计到施工》钢管桩协会、新日本制铁株式会社 上海瑞马钢铁、同济大学译