基坑工程钢板桩支护设计与探讨

深基坑工程钢板桩支护设计与探讨

1. 前言

随着社会经济和城市化规模的日益发展，110kV及以上输电线路工程选择电缆布线的方式将成为电网未来发展的一种趋势。但受用地条件的制约，同一地下断面处出现多种规格、多种功能的管线密集交叉布置的情况也相当普遍，为此，进行基坑开挖、基坑支护设计将成为我们输电线路土建专业工程师所要面对的常态事件。在基坑支护设计中要充分考虑场地地质和水文条件、地下已有或规划管线的布设走向、施工实施的可行性等因素，使设计方案满足结构合理、施工方便、经济安全的原则，这是我们每一位土建设计人员都应具备的基本要求。

2. 工程实例

2.1工程概况

图1 B2-B3穿越段路径平面示意图

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东莞市某110kV四回路电缆线路工程B2-B3段需穿越规划道路敷设，敷设通道方式为现浇四回路钢筋混凝土电缆沟结构，穿越段总长度55米。为避让规划埋设在道路两侧人行道底下和道路中央绿化带底下的6条φ1000mm自来水管道（规划自来水管道顶面至地面的垂直距离为2.5米），本工程穿越段电缆沟需从自来水管道下方穿行，具体布设方式见图1。为此，该段线路施工需进行大开挖基坑工程，基坑开挖规模为：长度60米，宽度6米，深度6米。

2.2场地工程地质及水文资料

本工程场地地势平坦，属冲积地貌单元。根据地质勘察报告显示，拟建工程场地地面以下15米深度范围内土层自上而下分布为：

①杂填土，松散，层厚3m；重度14kN/m3，内摩擦角8º

②粉质粘土，湿~饱和，软塑，层厚2m；重度16.5kN/m3，内摩擦角10º

③粉砂，湿，密实，层厚2.8m；重度17.2kN/m3，内摩擦角25º

④粉质粘土，饱和，可塑~硬塑，中压缩性，层厚5m；重度18kN/m3，内摩擦角29.8º

⑤粉土，饱和，硬塑，密实，层厚2.5m；重度19.4kN/m3，内摩擦角25º

本工程处于雨季施工期，场地稳定水位位于天然地面以下3.0m左右，属孔隙潜水类型，地下水位连续，以大气降水及地下侧向径流渗透补给为主。

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2.3基坑支护设计

基坑开挖深度较大，地基土层稳定性较差，不宜作自然放坡开挖处理；且基坑安全等级为一级，加上地下水位较高，亦不宜采用土钉墙处理。综合各种因素考虑，拟采用拉森Ⅳ型钢板桩支护结构，桩长12米，桩距离设计基坑边缘0.5米，露出设计地面长度0.5米，钢板桩技术参数为W=1346cm3，[f]=350MPa。基坑施工顺序为：先支护，后开挖。

2.3.1土的相关参数及土压力计算（按朗肯土压力理论）

为方便计算，坑底深度范围内土的重度取各层土加权平均值：

γ=∑γizi/∑zi=（14×3+16.5×2+17.2×2.8+18×5+19.4×2.5）/（3+2+2.8+5+2.5）=17.44kN/m3

坑底深度范围内土的内摩擦角取值：

φ=（8+10+25+29.8+25）/5=19.56º

地面等效均布荷载按q=10kN/m2，则

主动土压力系数：

Ka=tan2（45 º-φ/2）=0.5

被动土压力系数：

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Kp=tan2（45 º+φ/2）=2.0

将地面等效荷载换算成填土的当量土层厚度为：

h=q/γ=10/17.44＝0.57m

在地面处的土压力强度为：

σa1=γhKa=qKa=5.0kPa

在坑底处的土压力强度为：

σa2=γ（h+H）Ka=（ q+γH ）Ka =（10+17.44×6）×0.5=57.32 kPa

土压力作用点位置离墙底距离为：

z0=（H/3）﹛（σa1+2σa2）/（σa1+σa2）﹜=（6/3）×﹛（5.0+2×57.32）/（5.0+57.32）=3.84m

2.3.2水平横撑层数及垂直间距

根据拉森Ⅳ型钢板桩能承受的最大弯距，采用等弯距布置的方式来确定各层水平横撑的垂直间距如下：

①钢板桩顶端悬臂端的高度极限值h＇

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563501346106fW3317.441030.5ah＇= =

=319cm

=3.19m

h1=1.11h＇=1.11×3.19=3.54m

h2=0.88 h＇=0.88×3.19=2.81m

②水平横撑垂直间距

查《桥涵》得横撑垂直间距为：

S1=0.475×6+0.16×（0.34×6+0.12）=3.2m

S2=0.525×6-0.16×（0.34×6+0.12）=2.8m

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图2 基坑支护剖面图

③同时，为提高深基坑支护的安全度和可靠性，笔者在钢板桩与地面交接处增设了一层水平横撑，布置方式如图2。

2.3.3围囹的选择

围囹采用2I40a工字钢，钢材屈服强度值fy=235N/mm2，钢材抗压强度设计值f=215N/mm2；翼板间每隔0.5m采用钢板（-600mm×600mm×12mm）四面满焊连接，形成半封闭箱型结构。

2.3.4水平横撑杆的选材

选用φ300×10的无缝钢管，按水平间距6.0米均匀支撑在围囹上，钢管与型钢之间采用满焊连接。钢管单根长度按6.2米考虑，外径D=300mm，壁厚t=10mm，钢材抗压强度设计值f=215N/mm2。

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横撑杆的截面积为：

A=π(D2-t2) /4=π×(302-282) /4=91.11cm2

横撑杆的的回转半径为：

截面惯性矩I=π(D4-t4)/64=π×( 304-284)/64=9588.9cm4

截面回转半径i=(I/A)1/2=(9588.9/91.11)1/2=10.26cm

因此横撑杆的强度验算如下：

①长细比即λ=l/i=620/10.26=60.43<[λ]=150，符合要求。

②横撑杆的稳定性

Ea=σa2（h+H）/2=57.32×( 0.57+6.0)/2=188.3kN/m

P=188.3×6=1129.8kN（取单根受荷长度6.0米计）

σ=P/A=1129800/9111=124.0N/mm2＜fy=215N/mm2，符合要求。

2.3.5钢板桩埋深X的验算

采用盾恩近似法计算钢板桩的埋深，计算简图如图3：

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从图中受力模型可以知，AB钢板桩上的等效荷载即∑ABCD=γKa(H+h)（S2+x）由横撑A点和土压力∑JRB共同平均分担，故有

γKa（h+H）（S2+X）/2=γ(Kp-Ka)X2/2

由上面计算可知，γ=17.44 kN/m3，Ka=0.5，Kp =2.0，S2=2.8m，h＝0.57，而基坑开挖深度H=6.0m，代入上式，算得X=3.8m

本工程钢板桩实际埋深为12-6.5=5.5m>3.8m，符合要求。

图3 钢板桩受力计算简图

2.3.6围囹及横撑的布置

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图4 围囹及横撑布置效果图

钢板桩打入土体后，先进行第一道围囹和支撑施工。围囹采用2I40a工字钢，工字钢之间采用-600mm×600mm×12mm钢板每隔0.5米进行四面满焊连接。水平横向支撑杆选用十一道（每层）等间距横桥向直撑，材质为φ300mm×10mm无缝钢管。各道横桥向支撑与围囹之间进行满焊连接，并保证支撑杆紧紧贴靠在围囹上（必要时须添加垫片）。围囹及支撑的材质、加工、焊接必须严格执行相关规程规范的标准和工艺要求。待第一道围囹和支撑施工完毕后，方可进行围堰内的基坑开挖施工，当开挖至距钢板桩顶端3.7m处，进行第二道围囹和支撑施工，围囹和支撑制作方法同第一道。

2.4降水设计

2.4.1降水方式选择

因本工程要求降水深度小于6.0米（按水位降至基坑底面以下1.0米考虑），故此选择轻型井点降水结构，如图5。

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图5 轻型井点布置系统图

2.4.2井点布置系统

本工程拟开挖的基坑长60米，宽6米，因长、宽比大于5，所以将其划分成4小块，取其中一小块进行计算（即15m×6m），考虑井管距基坑边缘1.0m，则计算井管所围成的平面面积为17×8=136m2；地下水位降至基坑底面以下距离h＇=1.0米，水力坡度i按单排井点为1/4，井点管至基坑中心的水平距离L=4.0米；基坑中心降水深度S＇=7.0-3.0=4.0m＜6.0m，采用一级井点。

为使总管接近地下水位，挖去1.0m地表填土，在-1.0m处布置井点系统，则井点管埋设面至基坑地面的距离H1=5.0m；取管外露0.2m，则9m长的标准管埋人土中长度为8.8m；而要求埋深H＇=H1+h＇+iL=5+1+(1/4)×4=7m＜8.8m，故高程布置满足要求。

2.4.3有效抽水影响深度H0

取虑管长l=1.2m，井点中水位降落值S＇=4m，则H0=1.85(S＇+l)=1.85×（4+1.2）=9.62m，按无压完整井计算涌水量。

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2.4.4总涌水量计算

通过扬水试验求得K=30m/d，已知计算井点所围成的面积A1/4=136 m2，则：

基坑的假想半径：x0=（136/π）1/2=6.58m

抽水影响半径：R=1.95 S＇（H0K）1/2=1.95×4×（9.62×30）1/2=132.5m

涌水量：Q1/4=1.366K﹛（2H0-S＇）S＇/（lgR-lgx0）﹜=1.366×30×（2×9.62-4）×4/（lg132.5-lg6.58）=1915.8m3/d

总涌水量：Q=1915.8×4=7663.2 m3/d

2.4.5计算井管数量

一根井管φ55的出水量为：

q=65πdl（K）1/3=65×3.14×0.055×1.2×（30）1/3=41.9 m3/d

井点管数量：

n=1.1×（7663.2/41.9）=201.2根，取n=202根

井管的平均间距：

D=2×（62+8）/202=0.69m，取0.7m

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本工程实际布设井管总数：N=140/0.7+1=201根。

2.5地表水（雨水）防治措施

由于工程处于雨季施工期，有效的地表防水措施是保证基坑安全的重要举措，在距基坑边4.0m处设置环形排水沟，并从基坑边至排水沟之间修成5%的坡面，做到既阻隔沟外地表水流到基坑范围内又引流基坑附近地表水的双重效果，以保证基坑的稳定性。

3. 结语

本段电缆沟土建工程已完工，并顺利通过了验收，各项指标都取得良好的评价。通过内力计算和稳定性验算，钢板桩能够很好地应用在深基坑支护工程中，同时，配合有效的降水措施和地表水引流措施能够使基坑安全度得到进一步提升。事实证明，钢板桩支护结构在深基坑中的运用，具有良好的工程效果和结构安全性。

参考文献：

[1] 龚晓南.地基处理手册（第三版）. 中国建筑工业出版社，2008

[2]中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.深基坑支护技术指南，中国建筑工业出版社，2012

[3]顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，汪时敏.地基与基础（第三版）. 中国建筑工业出版社，2003

[4]张克恭，刘松玉.土力学（第三版）. 中国建筑工业出版社，2010

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[5]交通部第一公路工程总公司.桥涵，人民交通出版社，2000

[6]毛鹤琴.土木工程施工 . 武汉工业大学出版社，2000

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