钢板桩在软土窄基坑支护中的应用

◎林克昌

（作者单位：中化地质江苏岩土工程有限公司）

由于钢板桩具有施工便捷、可回收的特性，因而在管道沟槽基坑中得到了大量的应用。本文结合管道沟槽狭长的特点，分析了钢板桩在管道沟槽基坑中应用的几个关键问题，具体包括：钢板桩的选型、基坑开挖宽度的确定、钢板桩嵌固深度的确定和钢板桩打拔方式的选择等。

一、引言

钢板桩支护是一种用机械将特定型号的钢板桩打入地下，形成一道连续的地下板墙，作为基坑围护结构的支护方式。钢板桩是预制好的成品，可直接运送至现场即时施工，具有施工速度快的特点。钢板桩可拔出再利用，具有绿色可回收的特点。钢板桩在桥梁基础围堰中得到了大量的应用。

管道沟槽是为了明挖埋管需要而开挖的沟槽，在沟槽开挖完成后，在基底施工垫层、管道基础、埋深管道、回填沟槽等一系列工作。随着城市建设的不断发展，尤其是海绵城市的大量建设，新建了大量的市政管道。这些管道往往位于已建道路或小区内，周边需保护的管线、建筑物众多，且往往施工空间小，因此，钢板桩在市政管道沟槽基坑中也得到了大量的应用。

管道沟槽基坑具有狭长的特点，其沿管道纵向很长，从几米到几公里甚至上百公里不等，但其开挖宽度窄，往往只有2～4m，属于窄基坑。工程实践表明，狭窄基坑具有更好的稳定性。因此，其他条件相同时，狭窄基坑围护结构插入深度可以适当减小。

本文结合管道沟槽基坑狭长的特点，从钢板桩的选型、基坑开挖宽度的确定、钢板桩嵌固深度的确定和钢板桩打拔方式的选择四个方面进行了分析。

二、钢板桩的选型

钢板桩的型式很多，常用的有槽钢和拉伸钢板桩等。槽钢支护为一种简易的钢板桩，由槽钢正反扣或并排搭接而成，槽钢型号常用的为25a～30a，长度一般为6m，一般适用于开挖深度＜3m的基坑。

热轧U型钢板桩是钢板桩最为常见的型式，型号多样，标准表示形式为SP-U+有效宽度W1×有效高度H1×腹板厚度t，常用的为SP-U400×170×15.5（俗称拉伸Ⅳ钢板桩，其中SP为钢板桩英文名称sheetpile的缩写）。钢板桩长度有6m、9m、12m、15m和18m等，其中9m、12m和15m较为常见。钢板桩的钢材牌号为Q295bz、Q390bz和 Q420bz，市面上常见的是 Q295bz，表示其屈服强度为295MPa。

钢板桩的选型应根据受力和变形分析确定，理论上钢板桩刚度越大，抗变形和抗弯能力越强，但为了钢板桩采购便捷、租赁方便，设计及施工时多采用SP-U400×170×15.5钢板桩，当设计计算该型号钢板桩不满足强度及变形要求时，可通过增设钢支撑来减少钢板桩的受力和变形，在软土地区，当基坑开挖深度＞5m时，往往需要增设二道甚至三道钢支撑。钢支撑道数的增加，会给土方开挖和管道埋设带来不便，降低施工效率。如能采用大截面钢板桩增加钢板桩自身抗弯刚度，减小钢支撑道数，将会为土方开挖和管道埋设带来便捷。因此，随着管道沟槽基坑越来越深，大截面的钢板桩需求会越来越多，增加大截面钢板桩的市场保有量迫在眉睫。

三、基坑开挖宽度的确定

基坑开挖宽度的确定需综合考虑管道直径、接头型式、挖土机抓斗宽度、围檩尺寸、施工肥槽等因素，以管道两侧均采用钢板桩+钢围檩及钢支撑支护为例，沟槽基坑的开挖宽度可用下式表示：

式中：B为钢板桩内侧宽度；D为管道内径；t为管道壁厚；n为管道壁厚的个数，对于平口接头，n取2，对于承插口接头，n取4；W为围檩宽度；C为预留肥槽宽度。

某管道沟槽工程，管道采用钢筋混凝土管，其内径为1200 mm，壁厚120mm，承插口接头，采用SP-U400×400×15.5钢板桩支护，顶部设一道HW400×400×13×21围檩，中部每隔5m设一道HW400×400×13×21横撑，考虑300mm肥槽以便于工人操作，支护剖面如图1所示。据式（1），可计算出其基坑开挖宽度为：

图1某管道沟槽基坑支护典型剖面

四、钢板桩嵌固深度的确定

钢板桩嵌固深度是指钢板桩插入基坑开挖面以下的长度，嵌固深度的确定与基坑抗倾覆和抗隆起稳定性有关。以图所示单支点钢板桩支护为例，钢板桩的抗倾覆稳定性安全系数为主动区主动土压力对支点的倾覆力矩和被动区被动土压力对支点的抗倾覆力矩之比，如图2所示，用公式表示为：

该式是基于经典土力学推导而来，相当于主动区形成与水平面成45o+φ/2的完整滑裂面，被动区形成与水平面成45o-φ/2的完整滑裂面，被动区需要一定的宽度以满足45o-φ/2滑裂面的形成。以图1中钢板桩A为例分析，式3适用的条件为钢板桩A墙背形成滑裂面AF，墙前形成滑裂面AB。但由于管道沟槽基坑往往开挖宽度较小，对侧钢板桩的存在阻断了被动区滑裂面AB的形成，因此，被动区的实际滑裂面不是AB，而是AC。由于沿AB滑裂面形成的土楔ABD提供的土反力是最小的被动土反力，因此沿AC滑裂面形成的土楔ACD提供的土反力要较土楔ABD提供的大。在相同抗倾覆安全系数的要求下，由土楔ACD算出的桩的嵌固深度要较土楔ABD算出的小。

由于目前深基坑支护设计计算多依赖理正深基坑、同济启明星等电算软件，这些电算软件在编制时均是完全依照规范上的公式，不考虑基坑开挖宽度对被动区土反力的影响，因此，设计人员在设计管道沟槽基坑时，不可盲目按电算结果计算出的嵌固深度进行设计。而应考虑管道沟槽基坑的宽度效应，结合手算，合理确定管道沟槽基坑支护桩的嵌固深度，避免嵌固深度过大造成浪费。

图2 基坑抗倾覆稳定计算

五、钢板桩打拔方式的选择

钢板桩打拔的方式主要有静力打拔和动力打拔两种方式。目前常见的主要为振动打拔，即在钢板桩桩头施加激振力，通过激振力和机械手的竖向力共同作用将钢板桩打入土体内部或从土体内部拔出。由于静力打桩设备昂贵，机械进出场费和租赁费用远高于振动打桩设备，因此，尽管静力打拔桩具有无振动、无噪音、高精度等优点，但实际工程中并没有广泛应用。

目前，基坑坑边地面开裂是振动打拔钢板桩在淤泥质粉质黏土或松散砂层中应用所存在的主要问题，振动打拔钢板桩引起的地面开裂如图3所示。钢板桩振动会对软塑～流塑状的淤泥质粉质黏土造成振陷、对松散的砂层造成振密，从而引起地面沉降，造成地面开裂。钢板桩拔出过程的振动往往大于打入过程的振动，这是由于钢板桩打入后锁扣相互咬合形成一个整体，钢板桩在拔出的过程中，虽然只拔一根钢板桩，但也会带动其相邻两侧一定范围内钢板桩呈被拔趋势，从而增大钢板桩拔桩的难度，需要增大激振力。因此，在钢板桩打入前，在钢板桩桩身涂抹黄油等减摩剂可减轻钢板桩拔出过程中的阻力，减小振动。

图3钢板桩振动打拔造成地面开裂

另钢板桩在软土地层中，拔出过程中会带出一部分土体，造成土体损失，如拔出后的空隙不及时注浆充填，那空隙两侧的土体会向缝隙内滑动，从而造成地面沉降甚至引起地面开裂。因此，钢板桩拔出后的空隙应及时注浆充填。目前，大量的工程实践表明，在钢板桩拔出过程中同步注浆可有效减少钢板桩拔桩产生的缝隙对周边地层的扰动。即在拔桩前，在每块钢板桩墙背0.1m处预埋注浆管，在钢板桩拔出前即开始启动注浆，待浆液使钢板桩桩底土体受注浆压力影响并向钢板桩位置流动时开始缓慢拔出钢板桩。在缓慢拔桩的过程中，浆液在压力作用下向钢板桩拔出后的空隙流动，能够及时填实钢板桩拔桩产生的缝隙，有效减小缝隙两侧土体的扰动和变形，从而能够减小拔桩对周边地面的扰动。

振动打拔钢板桩适用于基坑周边环境宽松，没有重要的自来水管、燃气管、地铁隧道、浅基础房屋等地段，对于周边环境要求严格的区段，应采用静力打拔钢板桩的方式。静力打拔钢板桩没有振动，不会产生振陷或振密的现象，因此对周边地层扰动小，基坑周边土体的变形主要来自于基坑开挖过程中钢板桩在墙背主动土压力的作用下向坑内的水平变形和钢板桩拔桩过程中产生缝隙引起的周边土体的变形，钢板桩拔桩过程同步注浆仍然非常重要。

六、结论

1.钢板桩的选型应综合受力和变形分析确定，市面上常用的钢板桩型号为SP-U400×170×15.5钢板桩，当设计计算该型号钢板桩不满足强度及变形要求时，可通过增设钢支撑来减少钢板桩的受力和变形。

2.钢板桩支护的宽度应综合管径、壁厚、接头型式、围檩尺寸和预留肥槽宽度等综合确定，可按公式B=D+n×t+2×W+2×C计算。

3.管道沟槽基坑狭窄，钢板桩的嵌固深度应按考虑基坑宽度的实际滑裂面进行计算，不可盲目按规范进行计算。

4.钢板桩振动打拔适用于基坑周边环境宽松的区段，对于周边环境保护需求高的区段，应采用静力方式打拔。无论振动还静力打拔钢板桩，都应采用同步注浆的方式以减少拔桩缝隙产生的不利影响。