錨拉式雙排鋼板樁在軟土基坑中的應用研究

鄭建建 宣鋒 許大鵬 張國榮

1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092

2.上海水業設計工程有限公司 200092

3.西安水務（集團）有限責任公司 710000

引言

鋼板樁具有強度高、隔水性好、施工便利、可完全回收、綠色環保、節約成本等優點［1］，近年來大量應用于基坑支護工程中。然而鋼板樁屬于柔性支護結構，剛度較小，工程應用中為了控制鋼板樁支護的位移，保證基坑支護的安全穩定，常常需要設置內支撐或錨桿。對于給排水場站工程，由于主體結構防水要求高，工期往往比較緊張等原因，一般不適合設置內支撐；而主體結構周邊生產管線、雨污水管線、閥門井較多，也不適合采用錨桿。

錨拉式雙排鋼板樁由前排鋼板樁、后排鋼板樁、錨索和槽鋼圍檁組成，土壓力主要由前排鋼板樁承擔，后排鋼板樁主要為前排鋼板樁提供錨拉力，也承擔一定的土壓力。它具有鋼板樁的各種優點，同時不需要設置內支撐和錨桿，是一種綠色的基坑圍護方式。

1 錨拉式雙排鋼板樁應用及研究現狀

1.1 工程應用現狀

徐輝等［2］將雙排鋼板樁應用于凈水廠閥門井，基坑深度4m～6m，前后排鋼板樁采用卡槽式拉桿連接。根據監測數據，鋼板樁整體變形處于允許范圍內，側壁未出現滲水現象，圍護結構安全可靠。

周云榮等［3］在南昌市某砂土地區“坑中坑”中應用了雙排錨拉鋼板樁?？又锌庸こ?，屬于臨時工程中的臨時工程，在保證安全的前提下，選擇雙排鋼板樁這種快速、環保、可回收的支護方式非常合適。

晏明等［4］采用Plaxis有限元軟件對雙排鋼板樁結構進行了分析，提出了雙排鋼板樁排距的優化取值范圍。同時也提出拉錨式雙排鋼板樁圍護與剛架式雙排混凝土樁具有顯著的不同，直接套用雙排混凝土樁的計算方法會導致結果出現偏差。

上海浦東機場二期基坑［5］中登機長廊區域開挖深度6m～8m，采用鋼板樁作為錨碇結構，形成雙排鋼板樁圍護體系?；娱_挖過程中發現錨碇鋼板樁的變形對圍護鋼板樁和錨拉鋼筋的受力有一定影響；圍護樁和錨碇樁之間的土體產生的變形會影響土壓力的傳遞和分布。

1.2 標準規范情況

目前國內已有較多關于雙排鉆孔灌注樁的規范，如行業標準《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）［6］、浙江省標準《建筑基坑工程技術規程》（DB 33／T 1096—2014）［7］、甘肅省標準《建筑基坑工程技術規程》（DB 62／T 25—3111—2016）［8］、廣東省標準《建筑基坑工程技術規程》（DBJ／T 15-20—2016）［9］等。其中除浙江省規范按照前后排樁中心距的不同分為錨拉型雙排樁、等效單排樁和門式剛架式雙排樁外，其余各規范雙排樁均是針對門式剛架式雙排鉆孔灌注樁的規定。目前尚無專門針對錨拉式雙排鋼板樁的規范，涉及到該種圍護方式的規范也較少。

《干船塢設計規范》（CB／T 8524—2011）［10］和《鋼板樁支護技術規程》（T／CECS 720—2020）［11］對雙排鋼板樁圍堰進行了一些規定，前后排鋼板樁施工完成后在中間填入中砂、粗砂，需要能滿足沿坑底的抗滑移穩定性，是一種重力式擋水圍堰結構。它主要承受水壓力和波浪力，與用于陸地基坑的錨拉式雙排鋼板樁不屬于同一種圍護體系。

廣東省標準《深基坑鋼板樁支護技術規程》（DBJ／T 15-214—2021）［12］對雙排鋼板樁頂部連接以“宜”字條款進行了一些規定，但并未給出具體做法；同時規定雙排鋼板樁宜采用有限元進行結構分析，但未提供理論計算公式。

總體來看，目前尚無專門針對陸地基坑的錨拉式雙排鋼板樁圍護的設計規范，實際工程設計計算主要采用半理論、半經驗設計方法。

2 嘉興水廠工程應用

2.1 工程背景及地質概況

嘉興市區分質供水工程，新增納濾系統土建規模50 萬m3／d，設備安裝規模30 萬m3／d，建成后將成為全球最大規模的市政供水納濾膜系統，分貫涇港水廠和石臼漾水廠兩個廠區。石臼漾水廠納濾車間基坑平面尺寸89m ×58m，開挖深度5.90m?；悠矫娉叽巛^大，且防水要求高，不宜采用內支撐式圍護結構；車間施工完成后周邊需埋設較多生產管線、雨污水管線，基坑圍護也不宜設置錨桿，故考慮采用懸臂式圍護。原設計基坑圍護采用頂部放坡1.6m ＋4.45m 寬水泥土攪拌樁重力式擋墻圍護，擋墻施工需要1.5 個月，養護還需要28d，圍護總工期約2.5個月，無法滿足項目工期要求。為節約工期，并結合當地工程經驗，考慮調整為錨拉式雙排鋼板樁圍護。

根據地勘報告，建設場地的土層力學參數如表1 所示，地下水位埋深為地坪標高以下0.5m。

2.2 基坑圍護設計

基坑深度5.9m，前排鋼板樁采用12m 長熱軋U型鋼板樁，后排鋼板樁主要提供拉錨力，采用9m長熱軋U型鋼板樁。為避讓土層可能出現的滑裂面，前后排鋼板樁距離大于1.3 倍基坑深度，取8m；預應力鋼絞線水平間距2m?；訃o剖面如圖1 所示。

圖1 基坑圍護剖面Fig.1 Picture of foundation pit profile

2.3 周邊環境影響分析

為了進一步分析圍護結構自身變形及基坑開挖對周邊環境影響，采用Midas-GTS 有限元軟件建立數值模型進行計算。計算域水平范圍取到基坑以外4h（h為基坑開挖深度），豎向取4h。土體采用HSS 本構模型［13，14］模擬，鋼板樁及鋼絞線采用彈性本構模型模擬，基坑外超載20kPa，數值計算模型如圖2 所示。根據浙江省基坑標準［7］，基坑設計等級二級，坑外超載取20kN／m2。土壓力計算：填土按水土分算計算確定，黏性土按水土合算計算確定。采用北京理正公司的深基坑7.0 計算程序對基坑剖面進行計算，基坑圍護各項穩定系數如表2所示，均滿足規范要求。

圖2 基坑圍護有限元計算模型Fig.2 Calculation model of foundation pit profile

表2 基坑圍護穩定系數匯總Tab.2 Summary sheet of stability coefficients of foundation pit support

根據計算，鋼絞線拉力標準值為97kN。為了驗證后排鋼板樁是否能提供該錨拉力，在正式施工前進行了專項拉拔試驗。根據試驗結果，后排2m寬度9m 長鋼板樁所能提供的最大拉錨力為221kN，可滿足需求。

圍護結構的豎向變形如圖3 所示，坑底最大豎向位移23.9mm，坑外地表略有沉降，沉降最大值4.6mm，三倍基坑開挖范圍外地表沉降接近于0，不會對周邊環境造成影響。由于坑底隆起影響，前后排鋼板樁均有向上變形的趨勢，前排鋼板樁豎向位移12.1mm，后排鋼板樁豎向變形5.8mm，前排鋼板受坑底隆起影響更明顯。

圍護結構的水平變形如圖4 所示，整體最大水平位移11.3mm，鋼板樁最大水平位移10.5mm。根據標準［7］要求，并結合基坑深度及周邊環境條件，基坑設計等級二級時支護結構變形控制值為0.7%h，基坑深度5.9m，支護結構變形控制值為41.3mm。原設計頂部放坡1.6m ＋4.45m寬水泥土攪拌樁重力式擋墻圍護，最大側向變形計算值36.6mm。錨拉式雙排鋼板樁圍護側向變形數值模擬計算結果遠小于標準［7］變形控制值要求和水泥土攪拌樁重力式擋墻變形計算值。

圖4 基坑水平變形（單位：mm）Fig.4 Horizontal deformation of foundation pit（unit：mm）

前后排鋼板樁頂通過鋼絞線相連，水平位移較為接近，相差1.2mm，這是由于鋼絞線在拉力下的軸向變形以及前后排鋼板樁豎向變形不一致導致的。

2.4 施工及現場實測

從基坑開挖到基坑回填完成整個施工過程中，坑外地表沉降最大值3.7mm，數值模擬4.6mm；圍護結構最大側向變形14.5mm，數值模擬10.5mm；現場實測結果與數值模擬結果均較為接近。施工過程中基坑安全可靠，未對周邊環境造成影響。

本工程基坑原設計水泥攪拌樁重力式擋墻工期需要2.5 個月；錨拉式雙排鋼板樁施工加鋼絞線張拉總工期1 個月完成，節省工期1.5 個月，工期節省約60%，有效加快了工程進度。

3 結論

1.錨拉式雙排鋼板樁，圍護結構側向變形計算值小于水泥土攪拌樁重力式擋墻變形計算值，實測水平變形和坑外地表沉降小于規范要求值；相比于水泥土攪拌樁擋墻，錨拉式雙排鋼板樁可提高基坑安全性，保證周邊環境不受影響。

2.相比于水泥土攪拌樁擋墻，錨拉式雙排鋼板樁施工便利，不需要養護，可大大減少工期；費用低于水泥土攪拌樁擋墻，更遠低于雙排灌注樁。

3.錨拉式雙排鋼板樁止水可靠、綠色可回收，不需要設置內支撐和錨桿，不會影響內部結構施工和構筑物周邊管道施工，適用于防水要求高的地下結構以及周邊管線較多的給排水場站基坑圍護。