从设计、施工浅谈钢板桩在支护工程中的应用
刘亮亮 2013年
(江苏顺达工程科技有限公司)
摘要：随着钢板桩在建筑、市政、铁路、港口、码头等基础工程中的应用越来越广,本文作者结合工程实例从设计、施工角度阐述了其对钢板桩在支护工程中应用的一些体会、心得。
钢板桩是一种带锁口的型钢板桩，可以利用振动锤或植桩机将其压入地下构成连续的板墙，作为基坑施工的支护结构。钢板桩支护结构通常由钢板桩和必要的支撑或拉锚体系组成,以抵抗外侧荷载。因钢板桩结构质量轻、强度高、锁口紧密、水密性好、施工方便、施工速度快等优点，近年来在国家基础建设、城市建设的快速发展下，钢板桩在基础工程支护施工中也得到了广泛应用。
本文结合我公司近年来钢板桩支护工程实例，从设计、施工角度对钢板桩在支护工程中的应用谈一些体会、心得。
1 钢板桩作为支护结构的应用范围
钢板桩按生产工艺分为冷弯薄壁钢板桩和热轧钢板桩两种类型。在工程建设中，冷弯钢板桩应用范围较狭窄,大多作为应用的材料补充，热轧钢板桩一直是工程应用的主导产品。目前我国工程中应用的热轧钢板桩主要还是从日本、卢森堡等国外厂家进口钢板桩截面形式主要有U型、Z型、直线型及组合型，而目前在国内工程应用中主要以U型钢板桩为主。
钢板桩因其质量轻、强度高、锁口紧密、水密性好、施工方便、施工速度快等优点正在各领域基础工程支护施工中迅速得到推广，并逐渐取代部分传统基坑支护方法。但钢板桩作为支护结构也并非适用于所有基坑支护施工，还得根据实际工程内外部环境并综合考虑施工环境、工期、造价等因素进行比选，笔者认为钢板桩作为支护结构在以下几种条件的工程项目中应用更有优势。
(1)基坑周边环境复杂、施工环保要求高、施工作业面小。例如某些位于城市市中心或拟施工基坑周边相邻建筑间距较小的项目，采用传统支护工法(如地下连续墙法、钻孔灌注桩法、SMW工法等)需要较大的机械作业及材料堆放场地，且施工过程中会产生泥浆、污水等污染物及噪音。而采用钢板桩支护只需少量机械，且若采用液压植桩机进行钢板桩插打可很好的解决施工过程中的噪音污染问题。
(2)建筑基坑由于周边条件限制无法采用拉锚加固,基坑开挖深度约13m以内且基坑面积1万m以内。笔者所提这一条件并非采用钢板桩作为支护结构施工的必要条件，而是根据以往施工经验认为在此类条件下采用钢板桩支护结构更有优势。基坑施工采用何种类型支护形式，业主方通常需综合考虑工期进度、造价因素从而选择最适合自己工程的支护方法。传统支护设计的原则是“强支护、弱支撑”即尽量采用较强的围护结构，而尽量减少基坑内部的支撑结构。这样做的目的一是尽量减少内支撑对后序主体结构的干扰,二是为土方开挖时挖机、运土车等留出更大的作业空间。而钢板桩由于自身刚度的限制，在建筑基坑特别是一些侧壁安全等级及重要性系数较高的基坑，采用钢板桩支护结构往往需要设计较强的内支撑体系,支撑层数较多,每层内支撑结构复杂，若采用钢结构支撑需要较多的钢材料并且施工存在大量的安装、焊接工作;若采用混凝土支撑又需要较长的支撑施工、拆除时间。所以在遇到开挖深度或基坑面积大于上述数值的基坑时，业主方需要权衡考虑以确定支护方案。
(3) 基坑内抽水后,基坑内外水位高差25m以内的桥梁、港口、码头基础基坑工程。在钢板桩没有被大量采用之前，水中基础的施工往往采用钢围堰法,钢围堰施工需要分块预制、就地组装或在别处组装后浮运到位、下沉等工序,施工工序较多、施工工期较长。采用钢板桩可以大大缩短施工工期，且在一些没有覆盖层的卵石层、岩层地层的情况下,采用特殊的钢板桩插打工艺可以解决钢板桩下沉困难的问题。
2 钢板桩支护结构的设计
钢板桩支护结构的设计主要包括结构设计计算、钢板桩型号及内支撑材料的选择、施工工艺的确定等。
2.1钢板桩支护结构的计算
2.1.1计算荷载的选取
岸上钢板桩支护结构所受荷载主要为土压力，水压力、基坑外侧施工车辆作用及材料、机具堆放引起的附加力;水中钢板桩支护结构所受荷载主要为土压力、水压力、水流力、波浪力。对于任何结构计算而言,荷载的选取极其重要，过于保守的取值会造成结构设计复杂、材料浪费以致增加施工成本;然而荷载取值考虑不周全又会造成结构不安全，因此合理的荷载取值是支护结构安全、合理进行设计计算的前提。
(1)土压力、水压力
基坑工程中,要准确模拟、计算支护结构实际所受土压力、水压力极其复杂,目前针对这方面的研究成果也比较多，但是绝大多数并没有得到广泛的应用。支护结构在施工过程中所受的实际土压力、水压力受诸多因素的影响，计算时通常参考现有研究理论及根据实际施工情况进行调整。土体力学特征值的取值可以参考施工场地地质报告(建筑工程在施工前均会进行详细的、针对性的地质勘探并提供设计方、施工方详细的分析报告，而在一些铁路、公路工程中,由于工程线路较长,待施工的基坑位置并不一定有地质勘查点，对于较大型基坑建议施工前对这些位置进行补勘)。目前土压力的计算主要采用库仑土压力法和朗肯土压力法，水压力的计算直接采用静水压力公式。在分析采用水土分算还是合算时，目前一般笼统概括为粘土和粉土采用水土合算,砂土、卵石层采用水土分算。这种计算方法在许多工程实例中也被证实是合适的，笔者认为在不存在渗流的情况下粘土和粉土采用水土合算是合适的，但是在存在渗流的情况下，这种计算方法并不能真实的反应实际情况。渗流会对土体强度、土体自重应力产生较大的影响，所以在分析采用水土分算还是合算时,应根据地质报告及现场实际施工工序情况，对施工中可能存在渗流现象的不管是何种土层，均应采用水土分算法。
(2)水流力、波浪力
水中钢板桩支护结构除了受到静水压力外，一些环境下的结构还会受到水流力、波浪力的作用。
在没有潮汛作用的情况下，对于最大流速小于2m/s的支护结构，笔者认为水流力对整个支护结构的影响不大，甚至可以在计算时不予考虑。但是对于受到潮汛作用的支护结构，应对整个结构取一般施工水位、最高水位及最低水位(最高、最低峰值水位根据基坑施工、使用周期、安全性要求考虑取 25 年一遇、50年一遇进行取值)分别进行计算,并根据结构实际受水流力作用的位置进行整个基坑的稳定性验算。
对于需要计算波浪力的支护结构，设计波浪的重现期可取25年一遇。由于波峰作用时，钢板桩支护结构受到波压力作用;而波谷作用时,钢板桩支护结构受到波吸力的作用。计算时应根据可能出现的不同工况按最不利组合进行计算。
水流力、波浪力的计算方法可以根据各行业相关设计规范中的计算公式进行。
(3)基坑外侧的附加力
基坑外侧的附加力主要指岸上基坑施工中外侧施工车辆及材料、机具堆放引起的,有些作用荷载对支护结构的计算影响较大，所以在设计计算时应根据拟施工情况进行考虑并且在施工过程中对基坑外施工车辆的站位、行车位置及机具材料的堆放位置进行限制,不允许出现超出设计考虑荷载的情况。
2.1.2钢板桩支护结构的计算
钢板桩支护结构的计算方法很多，主要包括经典计算法(如静力平衡法、等值梁法),弹性地基梁法。静力平衡法、等值梁法均不考虑墙体及支撑变形，将用经典的土压力理论计算的土压力作为外力施加在钢板桩支护结构上，然后通过求解水平方向合力及支撑点弯矩为零的方程求得结构内力和支撑反力,再将支撑反力加载到内支撑结构上。弹性地基梁法则是基于支护结构与周围土体的变形协调一致的实际情况，将支护结构作为支撑在一系列弹性支座上的梁来求解支护桩的变形与支撑反力，然后求解最大弯矩及其位置，再将支撑反力加载到内支撑结构上。以上不管何种计算方法均是假设取单元宽度钢板桩结构作为梁单元，在求得梁单元自身的内力和反力后，再将反力加载到内支撑系统上去。
目前这两种计算方法运用均较普遍，但是通过计算我们也可知两种方法计算结果差距较大，因此在面对设计工程时采用何种计算方法是设计人员的疑虑。笔者认为针对悬臂式钢板桩支护结构、单支撑钢板桩结构可以采用经典法计算;采用“边开挖边支撑”法施工的多支撑式钢板桩支护结构可以采用弹性地基梁法计算。
当然目前市面上，还有不少关于基坑支撑设计的应用软件，针对上述三种钢板桩支护结构均可以进行模拟计算。但是遇到一些特殊施工工艺的支护结构,上述两种计算方法在计算中均存在较大缺陷。例如我公司多次在水中钢板桩支护结构施工采用的“先形成支撑后挖土”“水下吸泥后浇筑封底混凝土”、“施工中多次抽水、注水”的工艺，在采用上述两种计算方法时均不能较好的模拟实际施工工况，根据我公司对采用上述工艺施工的钢板桩支护结构的应力、变形监控反应实测结果跟计算结构相差较大经过不断分析、总结及实际工程的检验，我们认为采用有限元软件对整个钢板桩支护结构进行三维建模，根据施工工序进行施工阶段的模拟更能反映实际的施工工况。
钢板桩支护工程的施工是一个多工况的施工过程,设计、计算也是根据施工工况分阶段进行。对于一些使用钢板桩作为支护结构更有优势的工程，我们往往在设计计算时发现钢板桩内力较大、桩体变形较大导致结构安全系数偏低甚至不能满足基坑设计要求，或者经过计算采用支撑或拉锚工程量较大导致施工成本较高。面对类似情况时，通过改变施工工序往往可以达到更安全、更经济的效果。例如当按常规采用“边开挖边支撑”法施工多层支撑(拉锚)基坑时，通过计算我们知道钢板桩内力及变形的较大值均出现在土方开挖而下道支撑(拉锚)未形成时，为此我们会增加支撑层数以减少单层开挖深度，但最终的结果是施工工期变长、施工成本增加。
从设计计算的角度分析，我们可以设想要减小钢板桩内力，变形那就要增大钢板桩截面特征值、减少外部荷载、减小基坑内外压力差甚至在水中支护结构抽水前提前对钢板桩内部进行支撑。但是绝大多数情况下钢板桩材料、外部荷载往往无法改变，例如支护结构钢板桩插打后在土方开挖及支撑加设施工时，基坑内水中取土水下加设支撑、最后水下浇筑封底混凝土，在整个施工过程中始终保持基坑内外水压平衡,基坑内外压力差主要为土压力,通过这种施工工序可以使钢板桩支护结构在施工中更安全结构材料用量明显减少。
所以根据具体的基坑施工条件、周边环境及支护结构自身的特点进行多工序的比选最终确定施工更合理、更安全、更经济的施工工艺是支护结构设计、施工的重要前提。
钢板桩支护结构的施工主要包括钢板桩的插打、支撑(拉锚)的加设、基坑内取土等。支撑(拉锚)的加设、基坑内取土等工序施工主要根据实际工程情况制定详细的施工方案、合理的组织人员、机械、材料。相对整个钢板桩支护结构的施工来讲略为简单，下面主要介绍下笔者认为比较关键的钢板桩插打的施工。
钢板桩的插打主要包括插打设备及插打工艺的选择。目前，国内比较常见的插打设备主要为振动锤,其具有灌入力强、坚固耐用、故障少、使用方便、电源适应强等特点，但是针对土层较硬或噪音控制要求高的情况下,往往无法使用,为此我公司从日本技研公司购入液压植桩机，静压植桩机施工时自骑在已施工钢板桩上，利用已施工钢板桩的抗拔阻力作为下根钢板桩的压力动力，通过液压机构将钢板桩压入到位。由于静压植桩机施工时压入力的作用点距地面非常近，相比振动锤施工可以更加准确有效的将作用力传至桩的前端，且整个施工过程只需要一台吊机辅助配合，满足施工地噪音控制严格及场地有限的施工环境。
针对不同区域可能出现的地质情况，静压植桩机可以配备不同的辅助装置来保证钢板桩的顺利压入。
(1)一般的粘土、粉土、粉砂层,静压植桩机可以利用已施工桩的抗拔反力通过液压动力自行将桩压入到位。
(2)硬塑粘土、中粗砂层.静压植桩机配备水刀装置,将高压水喷入桩尾部的地基,使土粒子间的间隙水压一瞬间变高而使土体液化、更容易移动，同时高压往上的射流水可以润滑钢板桩的表面，防止进入接口槽的土石变紧,在不损伤桩材的情况下，用较小的压人力高效率的进行压入作用。
(3)卵石层、岩层等坚硬地质。静压植桩机配备与其一体化控制的螺旋钻系统装置，利用独有的除芯理论,首先将桩尾正下方的土层钻掘使其破坏、松散。在抑制压力球根的同时,将螺旋钻拔出,以填埋其拔出间隙的方式将桩压入土层。此法可以将钻掘范围降低到最低限度，并减小排土层,在降低土体抵抗力的同时又达到保护环境的效果。
4 钢板桩支护结构工程实例
横潦泾特大桥位于上海市松江区，属沪杭客运专线控制工期工程。主桥主墩位于横潦泾河道中央，墩位处水深15.5m，水面至封底混凝土底高差达23m。基础施工采用钢板桩围堰支护结构,钢板桩型号为 SP-U(600x210),其单根长度为 31m。钢板桩插打采用液压植桩机在桥梁桩基施工时同步进行，内支撑采用分层整体预制后逐层水下下放到位，然后水下吸泥至设计封底混凝土底标高、水下浇筑封底混凝土，待封底混凝土达到强度后抽水形成钢板桩支护结构。
采用此种钢板桩支护结构施工方法在降低施工成本的同时，施工工期比原计划采用钢围堰施工节约工期约3个月。
杭州钱江铁路新桥是沪杭甬客运专线杭甬段和杭长客运专线的重要组成部分。桥位处于钱塘江强涌潮区域,涌潮压力大,基础施工难度极大，且临近既有线施工，大型吊装设备无法操作以及墩位处障碍物较多。
水中墩采用钢板桩支护结构，钢板桩型号为 SP-U(600x210),其单根长度为 20m。施工期水深变化幅度5-9m，支护结构设计计算时不仅要考虑各水位对结构的影响，涨落潮时支护结构受波压力及波吸力的作用对整个钢板桩支护结构受力及稳定性影响极大,设计时对迎水面钢板桩进行加长、内支撑结构进行加强，施工时在迎水面钢板桩外侧抛填石笼进行防冲刷。
(3)江苏省南通市崇川区地下立体车库地下结构支护工程
该地下立体车库项目位于南通市崇川区政务中心大楼门口，由于场地的限制车库外边距大楼底板边缘仅1.2m,距附近民房最近处仅5.4m,距旁边高压线杆、人行道也不足 5m。地下结构为直径 22m、深度18.5m圆筒结构。经过多次方案必选,最终确定采用钢板桩支护结构,整个基坑采用“逆作法”进行施工,钢板桩在基坑开挖期作为临时支护结构，在基坑形成后作为地下车库结构的永久支护结构，钢板桩型号为SP-U(600x210),其单根长度为 27m。由于施工周边环境复杂、施工场地狭小,钢板桩插打采用液压植桩机配备水刀装置进行施工。
5结语
钢板桩支护结构设计、施工是一个系统性、时效性、各环节密切相关的工作，且因周边环境、地质水位资料、施工设备等影响明显。任何工程从设计阶段还是施工阶段都要进行充分、细致的分析、论证以获得更高效、更经济的施工方案,真正体现钢板桩作为支护结构的优越性。
作者简介:刘亮亮,江苏顺达工程科技有限公司,总工程师
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