曹 捷，冯石松，张 艺

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

钢板桩支护是引调水管线工程中常用的一种基坑临时支护措施，根据基坑深度、地层岩性等因素，钢板桩可依靠内外土压力保持自身稳定或增加内支撑形成支护体系，适用于柔软地基及地下水较高的深基坑支护，基坑回填后可将其拔出回收，反复利用。由于基坑支护通常是以施工场区工作面受限、无法大开挖施工为前提，设计人员易忽视基坑周围复杂的环境和施工机械、设备等活动荷载的影响，使支护基坑的安全性降低，对工程的质量及人员生命财产造成威胁。因此，对基坑进行合理、科学的支护，是保证工程质量、安全的必要措施。

1 工程概况

某共槽段输水线路管线长度3.57km，双管道布置。管道设计采用PCCP管道，接头采用双胶圈接头，PCCP接头内外缝采用密封胶填充。左侧采用1根DN2200 PCCP管，管道单节长度6m，根据覆土厚度不同壁厚为15.5cm和20cm，单节管重分别为23t和32t，设计流量6.6m3/s，设计内压0.8MPa。右侧采用1根DN3200 PCCP管，管道单节长度5m，壁厚30cm和37cm，单节管重48t、60t，设计流量13.8m3/s，设计内压0.6MPa。由于单节管道重量大，施工时采用320t履带式起重机进行吊装。

共槽段桩号QS0+600—QS1+100/QX(G)0+730—QX(G)1+100段管沟开挖深度约6.2m，左侧DN2200管道中心线距离左侧某快速路绿化带约11m；右侧DN3200管道中心线距离右侧现状居民房屋约13m。该段受左侧快速路和右侧居民房屋影响，现状施工作业面整体较窄，无法满足开挖放坡施工要求。设计采用热轧拉森SPU-IV400×170型钢板桩支护措施来加大基坑开口线与快速路、房屋的距离，并减少开挖回填对房屋的扰动破坏，同时在管线左侧给管道吊装设备预留足够的作业平台，保证施工顺利实施。

2 钢板桩支护方案拟定

工程场区地势平坦，选择施工作业面相对较窄的QX0+770断面作为支护设计典型断面，该断面基坑深度6.23m，土层土力学参数见表1。

表1 设计断面土层参数表

对于基坑支护而言，钢板桩桩长越长，支护稳定性好，但工程造价高且施工难度大；钢板桩桩长越短，则支护稳定性越差。本工程设计基坑深度为6.23m，适用于该支护深度钢板桩长度为9m和12m两种，最终经稳定性计算确定。根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》4.2.7条的构造要求，对悬臂式支护结构，嵌固深度≥0.8倍的开挖深度，对采用悬臂支护的方案，嵌固深度应≥0.8×6.23=4.99m，即悬臂钢板桩总长≥4.99+6.23=11.22m。

根据上述钢板桩桩长和构造要求、结合履带机吊装作业条件和地层情况，对基坑两侧支护初拟以下6种方案进行稳定性计算分析。由于埋管管径较大，支撑式钢板桩支撑点过深会影响管道安装，为使支撑结构不影响管道安装，将支撑点位置设置于钢板桩顶部以下1.5m处。支撑结构：围檩采用H400mm型钢，横向支撑采用壁φ400mm钢管。

方案1：履带机工作面侧12m长悬臂式钢板桩支护；

方案2：履带机工作面侧12m长加支撑式钢板桩支护；

方案3：履带机工作面侧9m长加支撑式钢板桩支护；

方案4：房屋侧12m长悬臂式钢板桩支护；

方案5：房屋侧12m长加支撑式钢板桩支护；

方案6：房屋侧9m长加支撑式钢板桩支护。

3 荷载计算

工程施工安排在非汛期，勘探查明场区地下水水埋深约2.8m，高于建基面3.43m，设计采用管井降低基坑内外地下水位：基坑内地下水位降低至39.17m，保证基坑内干地作业；基坑外地下水位降低至42.00m，减少作用于钢板桩外侧水压力荷载。各方案荷载均按照降水措施实施后，基坑内外侧降低的地下水位计算。方案1—3钢板桩均受起重机工作附加荷载影响，各方案土压力计算原理基本一致，现以方案2为例，叙述各荷载计算过程。

3.1 起重机工作附加应力

起重机荷载按照JGJ120—2012局部附加荷载作用下土中附加竖向应力方法计算，为防止附加应力过大造成基坑失事，控制内履带与坑顶净距≥1.0m。荷载计算简图如图1所示。

图1 起重机工作附加荷载计算简图

320t履带式起重机自重较大，履带净距6.1m，单幅履带宽度1.2m，履带与地面接触长度9.2m。为了使钢板桩均匀受力，在两侧履带下满铺宽2.4m钢垫板，实际吊装时起重机为偏心作业，考虑1.3的偏心系数后，每幅履带对地基土产生附加应力为207kPa。附加荷载计算成果见表2。

表2 起重机附加荷载计算成果表

3.2 基坑内、外侧土压力

挡土结构上的土压力计算运用较为成熟的理论有朗肯土压力和库伦土压力，其中朗肯理论假定概念明确，与库伦土压力理论相比具有能直接得出土压力的分布，且积累了较多的工程经验。本工程基坑采用支护结构，距离相邻建筑物存在一定安全距离，基本不存在相邻建筑物影响，由于施工降排水措施，地下水位已降至黏性土层以下，因此运用朗肯土压力理论，采用水土合算的方法计算基坑内侧被动土压力和外侧主动土压力，计算公式如下[2]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Pak、Ppk—支护结构外侧主动土压力、内侧被动土压力，kPa；σak、σpk—支护结构外侧、内侧竖向应力值，kPa；Ka，i、Kp，i—第i层土的主动、被动土压力系数；ci、φi—第i层土的黏聚力(kPa)和内摩擦角(°)。

将上述起重机附加荷载和土压力荷载计算结果进行组合，得到各方案钢板桩受力成果。方案2钢板桩受力荷载简图如图2所示。

图2 方案二钢板桩受力简图(单位：kPa)

4 基坑稳定性计算

4.1 嵌固稳定性计算

支护结构的嵌固深度应满足式(5)的要求[2]：

(5)

式中，Ke—嵌固稳定安全系数，本工程支护结构安全等级为一级，嵌固稳定安全系数为1.25；Eak、Epk—支护结构外侧主动土压力、内侧被动土压力合力值，kN；Za1、Za2—支护结构外侧主动土压力、内侧被动土压力合力作用点至计算点的距离，m。

拟定的6种支护方案从支撑型式上分为悬臂式、支撑式，2种支撑方式均以被动土压力形成的抵抗力矩和主动土压力、起重机附加应力形成的转动力矩比值来衡量嵌固稳定安全系数大小，差异在于悬臂式要求各水平荷载对桩底取矩，而支撑式要求各水平荷载对支撑点取矩。按照上述原则计算各方案嵌固稳定成果见表3。

表3 各方案嵌固稳定性计算成果表

对计算结果进行分析如下：①采用悬臂式支护的方案1和方案4，由于基坑深度较深，外侧土压力较大，无论是否考虑履带式起重机工作附加应力，嵌固安全系数均达不到许用系数要求，因此不采用悬臂式方案；②方案3和方案6为9m长支护桩，支撑式，由于履带式起重机工作附加应力较大，方案3嵌固安全系数1.10<1.25，不满足规范要求，不考虑采用；方案6无工作附加荷载，安全系数1.29>1.25，满足要求，但安全系数裕度不大，因此要求施工时应严格控制起吊作业侧履带机履带边缘距钢板桩桩顶净距1.0m以上，以防止附加应力过大，对钢板桩嵌固稳定性造成不利影响。③方案2和方案5为12m长支护桩，支撑式，由于桩长相对较深，基坑内被动土压力荷载产生抵抗倾覆力矩值较大，安全系数均>1.25；考虑方案5安全系数为2.17，偏大且不经济，不推荐采用。

综上所述，技术经济合理的方案为方案2和方案6，两方案分别匹配基坑起重机起吊侧和居民房屋侧，因此采用上述组合方案为支撑式钢板桩支护结构推荐方案：履带机工作侧采用12m长钢板桩，房屋侧采用9m长钢板桩。

4.2 坑底隆起稳定性计算

对推荐组合支护方案采用式(6)～(8)进行坑底隆起稳定性计算[2]：

(6)

(7)

Nc=(Nq-1)/tanφ

(8)

式中，Kb—抗隆起安全系数，本工程支护结构安全等级为一级，安全系数为1.8；γm1、γm2—分别为基坑外、基坑内挡土构件底面以上土的天然容重，kN/m3；Ld—挡土构件的嵌固深度，m；h—基坑深度，m；q0—底面均布荷载，kPa；Nc、Nq—承载力系数。经计算，推荐组合方案各计算系数均大于许用安全系数Kb，满足坑底隆起要求，成果见表4。

表4 推荐组合方案坑底隆起稳定计算成果表

5 结语

(1)管线工程钢板桩支护是一项临时施工措施，通常周边会伴随各种施工附加荷载。对大型设备附加荷载，根据作用位置、大小进行量化，在设计阶段考虑其对稳定的影响，并通过荷载和稳定验算结果，提出设备距离基坑开口最小安全距离，以保证基坑作业安全。

(2)本段基坑支护工程已完工，施工过程中运行良好。由于施工过程安排在非汛期，场区地下水位较低，且坑底土层下伏砂层不具有承压性，渗流荷载对本工程支护稳定影响较小。对高地下水位、承压水顶托及深厚透水层等复杂渗流场对钢板桩稳定影响，有待进一步研究。