单撑式钢板桩支护结构讨论及应用

 单撑式钢板桩支护结构讨论及应用

姚帅

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摘要：为了提高建筑工程项目施工的整体水平，必须明确基坑工程支护施工的作用，积极制定科学的基坑支护方案，保障基坑支护结构设置合理，为建筑工程顺利施工提供可靠支持。本文基于建筑行业的基坑工程支护现状入手，结合具体工程项目特点，分析上海地区的地质环境特征对基坑工程支护带来的影响，明确基坑工程支护原则，着重探讨单撑式钢板桩支护结构，明确单撑式钢板桩支护在实际工程项目施工重点要点，并积极发挥单撑式钢板桩支护方式的优势和作用，分析钢板桩的几种支护形式，拓展传统基坑工程支护理念，引入科学的支护方法，保障整个土木工程建设的安全性，实现地基加固效果，为推动我国建筑事业的长远发展提供可靠支持。

关键词：单撑式；钢板桩；支护施工；结构特点

随着行业的发展，基坑工程随处可见，施工中采用的支护结构也多样化。基坑工程一般分为两类：①无支护的基坑工程（降水工程、土方开挖、地基加固及土坡护面。）②有支护的基坑工程（围护结构、支撑/锚杆体系、土方开挖、降水工程、地基加固、监测、环境保护、安全风险管理。）基坑工程施工过程中，如果处理不当可能会出现一些意外情况，需要设计与施工人员密切配合，加强监测分析，及时发现和解决问题。根据施工现场的地质情况和监测数据，对施工安全性进行判断并及时修正施工方案。大多数情况基坑周边地面建（构）筑物众多，地下市政设施、管线密布，除了保证基坑本身的安全与质量，减少基坑围护墙体的变形外，还应适当控制造价。基坑工程的倒塌或破坏会对开挖地基及其周边环境造成很大的破坏，因此基坑工程设计的首要任务是要避免开挖的倒塌或破坏，因而必须进行稳定性分析。本次针对上海地区单撑式钢板桩支护结构及其安全风险管理做一个讨论。

二、上海地区地质及环境特征

上海地区属软土地区，地基土土层多为水平分布，相对比较稳定，地下水位高，基坑工程影响范围内的浅部土层为滨海河口沉积层，层理明显，往往黏性土与粉性土或粉砂层呈交互薄层，水平向渗透系数最小约为10-6cm/s，具有一定的透水性，故规定作用于围护墻上的侧压力宜按水土分算原则计算。

三、基坑支护体系的设计原则

一般支护结构除了勘探，还涉及设计和施工两个阶段[设计+施工（监测）]：

设计原则：①安全可靠②经济合理③施工便利并保证工期。

施工标准：①保证施工质量（严禁超挖等）。②施工过程中的统筹管理（班组间的相互协调）。

监测目的：结合现场实际反馈的数据检验设计理论的正确性。

四、基坑支护体系

基坑支护体系一般包括两部分：挡土体系和地下水控制体系。挡土体系中的支护结构一般要承受土压力和水压力，起到挡土和挡水作用。

支护结构主要分为：①放坡开挖及简易支护（短桩支护、喷锚等）。②加固边坡土体形成自立式支护结构（复合土钉支护、水泥土重力式支护墙等）③挡墙式支护结构（悬臂式、拉锚式等）④其它（门架式、沉井支护结构等）

五、支护结构受力分析

5.1土压力分布模式：

5.2水压力分布模式：

5.3板式支护基坑稳定性验算

基坑失稳一般可分为两种主要形态：

第一类，因基坑土体强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体整体滑动失稳、基坑底土体隆起、地层因承压水作用、管涌渗漏等导致基坑破坏；

第二类，因支护结构体系的强度、刚度或稳定性不足引起支护系统破坏而造成基坑倒塌、破坏。

第一类破坏形态：

因此需对设计出的板式支护体系，进行稳定性验算（整体稳定性、抗倾覆稳定性、坑底抗隆起稳定性、抗渗流稳定性和抗承压水稳定性。）

六、钢板桩支护体系

支护体系：以挡土构件和支撑或锚杆为主的，或仅以挡土构件为主的支护结构。

6.1钢板桩支护

钢板桩支护结构属板式支护结构之一，适用于地下工程施工因受场地等条件的限制，基坑或基槽不能采用放坡开挖、而必需进行垂直土方开挖及地下工程施工时采用。具有施工速率快、可重复利用等明显的优点。

钢板桩支护结构由打入土层中的钢板桩和必要的支撑或拉锚体系组成，以抵抗水、土压力并保持周围地层的稳定，确保地下工程施工的安全。

根据基坑开挖深度、水文地质条件、施工方法以及邻近建筑和管线分布等情况，钢板桩支护结构型式主要可分为悬臂板桩、单撑（单锚）板桩和多撑（多锚）板桩等。

单撑式钢板桩支护结构由钢板桩围护体系和单道内支撑组成。内支撑可以采用钢筋砼支撑或钢支撑构成。

由于钢板桩间锁口相互咬合，锁口处止水技术的发展使得单撑或多撑式的钢板桩支护结构也可应用于临水的基坑工程中，临水基坑钢板桩支护结构是在水上施打钢板桩，钢板桩自身（或与陆域结构）形成封闭的的围护体系，并通过设置单道（或多道）钢（或钢筋砼）内支撑（或圆形环梁）形成的支护结构。

6.2单撑钢板桩土压力分布、弯矩及变形图

单撑板桩根据入土深度的深浅，计算方法分为两种，当入土深度较浅时，板桩上端为简支，下端为自由支承（单跨简支梁）；当入土深度较深时，下端则为固定支承（等值梁）。

6.3钢板桩支护结构

6.3.1钢板桩支护要求

钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧（或冷弯）型钢，靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩墙，用来挡土和挡水；具有高强、轻型、施工快捷、环保、美观、可循环利用等优点。

①钢板桩宜设置钢围檩，钢围檩与钢板桩宜采用焊接的连接方式。钢围檩应贴合钢板桩，其间如果存在间隙应灌以细石混凝土填实。

②当钢板桩采用锁口式防水构造时，沉桩前应在锁口内嵌填黄油、沥青或其他密封止水材料，防渗要求高时，应在坑外另行设置隔水帷幕。

③相邻两钢板桩的竖向接头位置应上下错开。

6.3.2钢支撑结构体系

板式支护体系宜设置水平支撑体系或竖向斜撑体系作为内支撑。

内支撑是指为外围护结构的强度、变形及稳定性提供支撑和约束的结构体系。内支撑系统一般由水平支撑体系（或内斜撑）、立柱（桩）等支撑结构构成。支撑结构从杆件材料上可分为钢支撑结构、钢筋混凝土支撑结构以及钢筋混凝土组合支撑结构等形式；水平支撑体系从布置方式上可分为角撑支撑体系、对撑式支撑体系、桁架式支撑体系、圆环形支撑体系以及前述各体系的组合布置体系。

由于基坑规模、环境条件、主体结构的布置以及施工方法等不同，难以为支撑结构的选型确定出一套标准的方法，应以在确保基坑安全可靠的前提下以经济合理、施工方便为原则，根据实际工程具体情况综合考虑确定。

支撑体系应采用稳定的结构体系和可靠的连接构造，并应具有足够的刚度。

其中钢支撑施工应符合下列要求：

①钢支撑安装前宜在地面进行预拼装。

②钢围檩与围护墙体之间的空隙应采用混凝土或砂浆填充密实。

③采用无围檩的钢支撑系统时钢支撑与围护墻体的连接应满足受力要求。

④支撑结构的施工与拆除顺序，应与支护结构的设计工况相一致。

⑤围檩施工前应凿除围檩处围护墙体表面泥浆、混凝土松软层、凸出墻面的混凝土。

施工质量控制：①支撑截面尺寸。②支撑标高。③支撑轴线平面位置。

缺点和局限性：

①形成内支撑，内支撑强度的形成需要一定的工期。

②内支撑的存在，一定程度上可能会影响土方的大规模机械化开挖。

③在换撑和拆撑阶段，换撑构件强度的形成和原支撑的拆除需要一定的工期。

④大型平面的基坑中，传统内支撑的工程量较大，经济合理性上不占优势，同时应妥善考虑换撑后其对主体结构的潜在影响并采取必要措施。

七、安全风险管理

由于对周围建（构）筑物及设施情况不了解，就盲目开挖造成损失的实例很多，且有些后果十分严重。因此，基坑工程在围护设计前应进行必要的环境调查工作，从而为设计和施工采用针对性的保护措施提供相关的资料。

国外关于基坑围护墙后地表的沉降形状及上海地区的工程实测资料表明，墻后地表沉降的主要影响区域为2倍基坑开挖深度，而在2～4倍开挖深度范围内为次影响区域，即地表沉降由较小值衰减到可以忽略不计。

7.1钢板桩施工管理

邻近建（构）筑物及地下管线的板桩围护墙，宜采用静力压桩法施工，并根据监测情况控制压桩速率。

钢板桩施工应符合下列要求：

①钢板桩的规格、材质及排列方式应符合设计或施工工艺要求。钢板桩堆放场地应平整坚实，组合钢板桩堆高不宜超过3层。

②钢板桩桩体不应弯曲，锁口不应有缺损和变形；后续桩与先打桩间的钢板桩锁口使用前应通过套锁检查。

③桩身接头在同一标高处不应超过50%，接头焊缝质量不应低于II级焊缝要求。

④钢板桩拔出后的空隙应及时注浆充填密实。

钢板桩施工质量控制：成桩垂直度、桩身弯曲度、轴线位置、桩顶标高、桩长、齿槽咬合程度。

7.2地下水控制

坑内降水目的是方便施工，同时促进坑内土体固结，减少挖土对坑内土扰动的影响。降水效果好，可以提高被动土压力的强度，减少围护墙的位移。

降水设备的选型和井点布置，通常由施工单位根据地质条件、基坑深度、开挖流程等因素，在施工组织中加以深化。

地下水控制方法有：集水明排、井点降水、截水帷幕、地下水回灌。

当基坑开挖深度不大，基坑涌水量不大时，集水明排法是应用最广泛，亦是最简单、经济的方法。

集水明排：

基坑外侧的排水系统设置应符合下列要求：

①应在基坑外侧场地设置集水井、排水沟等地表排水系统。

②集水井、排水沟宜布置在基坑外一定距离且有隔水帷幕的基坑，排水系统宜布置在隔水帷幕外侧，且距隔水帷幕的距离不宜小于0.5m；无隔水帷幕的基坑，排水系统宜布置在基坑边外侧，且不宜小于0.5m的距离：

基坑内的排水系统设置应符合下列要求：

①开挖阶段应根据基坑特点在合适位置设置临时排水沟和集水井；临时排水沟和集水井应随土方开挖过程适时调整。

②留置时间较长的临时边坡，可在坡顶、坡脚设置临时排水沟和集水井。

③基坑采用多级放坡开挖时，可在放坡平台上设置排水沟和集水井。

④土方开挖至坑底后，宜在坑内设置排水沟、盲沟、集水井；排水沟、盲沟、集水井与坑边的距离不宜小于0.5m。

基坑外侧的排水沟、集水井应有可靠的防渗措施，排水系统应保持畅通，并应及时排除积水；施工过程中应随时对坑内外排水系统进行检查和维护。

基坑外的排水系统应能满足雨水、地下水的排放要求；基坑内的排水系统应能满足基坑明排水的排放要求；抽水设备应能满足排水流量的要求；对于深度较大的基坑也可采用分级抽水接力排放的方法。

7.3基坑开挖

基坑开挖应符合下列要求：

①基坑周边、放坡平台的施工荷载应按设计要求进行控制；基坑开挖的土方不应在邻近建筑及基坑周边影响范围内堆放，并应及时外运。

②基坑开挖应采用全面分层开挖或台阶式分层开挖的方式；分层厚度不应大于4m，开挖过程中的临时边坡坡度不宜大于1：1.5。

③机械挖土时，坑底以上200mm～300mm范围内的土方应采用人工修底的方式挖除，放坡开挖的基坑边坡应采用人工修坡方式挖除，严禁超挖；基坑开挖至坑底标高应及时进行垫层施工，垫层应浇筑到基坑围护墙边或放坡开挖的基坑坡脚。

④邻近基坑边的局部深坑宜在大面积垫层完成后开挖。

⑤机械挖土应避免对工程桩产生不利影响，挖土机械不得直接在工程桩顶部行走；挖土机械严禁碰撞工程桩、围护墙、支撑、立柱和立柱桩、降水井管、监测点等，其周边200mm～300mm范围内的土方应采用人工挖除。

⑥工程桩应随土方开挖分层凿除设计标高以上部分；工程桩顶处理宜在垫层浇筑完毕后进行。

软土基坑开挖要求：

软土基坑开挖除应符合上述相关规定外，尚应符合下列规定：

①应按分层、分段、对称、均衡、适时的原则开挖。

②当主体结构采用桩基础且基础桩已施工完成时，应根据开挖面下软土的性状，限制每层开挖厚度，不得造成基础桩偏位。

③对采用内支撑的支护结构，宜采用局部开槽方法浇筑混凝土内支撑或安装钢支撑；开挖到支撑作业面后，应及时进行支撑的施工。

有内支撑的基坑开挖：

①基坑开挖应按照先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖的方法确定开挖顺序，应减小基坑无支撑暴露时间和空间。钢支撑应在质量验收并施加预应力后进行下层土方开挖。

②挖土机械和运输车辆不得直接在支撑上行走或作业；支撑系统设计未考虑施工机械作业荷载时，严禁在底部已经挖空的支撑上行走或作业。

③土方开挖过程中应对临时边坡范围内的立柱与降水井管采取保护措施，应对称、均匀挖去其周围土体。

④面积较大或周边环境保护要求较高的基坑，应采用分块开挖的方法。分块大小和开挖顺序应根据基坑工程环境保护等级、支撑形式、场地条件等因素确定，应结合分块开挖方法和顺序及时形成支撑或水平结构。

狭长形基坑的开挖应符合下列要求：

①采用钢支撑的狭长形基坑可采用纵向斜面分层分段开挖的方法，斜面应设置多级边坡；分段长度宜为3m～8m，分层厚度宜为3m～4m。

②纵向斜面边坡总坡度不应大于1：3.0，各级边坡坡度不应大于1：1.5，各级边坡平台宽度不应小于3.0m；多级边坡超过二级应设置加宽平台，加宽平台宽度不应小于9.0m，加宽平台之间的上方边坡不应超过二级；纵向斜面边坡长时间暴露时宜采取护坡措施；各级边坡、各阶段形成的多级边坡和纵向总边坡的稳定性的验算应符合要求。

③每层每段开挖和支撑形成的时间应符合设计要求。

④纵向斜面分层分段开挖至坑底时，应按照设计要求和基础底板施工缝设置要求限时进行垫层和基础底板的浇筑，基础底板分段浇筑的长度不宜大于25m，基础底板施工完毕后方可进行相邻纵向边坡的开挖。

⑤狭长形基坑可采用一端向另一端开挖的方法，也可采用从中间向两端开挖的方法。

基坑开挖期间维护要求：

基坑开挖期间应按下列要求对基坑进行维护：

①雨期施工时，应在坑顶、坑底采取有效的截排水措施；对地势低洼的基坑，应考虑周边汇水区域地面径流向基坑汇水的影响；排水沟、集水井应采取防渗措施。

②基坑地面宜作硬化或防渗处理。

③基坑周边的施工用水应有排放措施，不得渗入土体内。

④当坑体渗水、积水或有渗流时，应及时进行疏导、排泄、截断水源。

⑤开挖至坑底后，应及时进行混凝土垫层和主体地下结构施工。

⑥主体地下结构施工时，结构外墙与基坑侧壁之间应及时回填。

基坑预警：

支护结构或基坑周边环境出现下列的报警情况或其他险情时，应立即停止土方开挖：

①支护结构位移达到设计规定的位移限值。

②支护结构位移速率增长且不收敛。

③支护结构构件的内力超过其设计值。

④基坑周边建（构）筑物、道路、地面的沉降达到设计规定沉降、倾斜限值；基坑周边建（构）筑物、道路、地面开裂。

⑤支护结构构件出现影响整体结构安全性的损坏。

⑥基坑出现局部坍塌。

⑦开挖面出现隆起现象。

⑧基坑底部、侧壁出现流砂、管涌或渗漏等现象。

此外，基坑开挖应采用信息化施工和动态控制方法，应根据基坑支护体系和周边环境的监测数据适时调整基坑开挖的施工顺序和施工方法。基坑出现险情停止开挖后，应根据危险产生的原因和可能进一步的破坏形式，采取控制或加固措施。危险消除后，方可继续开挖。必要时，应对危险部位采取基坑回填、地面卸土、临时支撑等应急措施。当危险由地下水管道渗漏、坑体渗水造成时，应及时采取截断渗漏水源、疏排渗水等措施。

八、工程案例

1、青浦朱家角E地块水系调整工程

2、石洞口处理厂污水区管道及道路修复工程

参考文献：

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[4]陈平,张凡.基于MIDAS的钢板桩支护结构水平位移数值模拟分析[J].华南地震,2019,34(B04):5.

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