鐘 錚 林 巧 顏 超

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

鋼板樁支護(hù)屬于傳統(tǒng)的板式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，由打入土層中的鋼板樁和必要的支撐或拉錨體系組成，以抵抗水、土壓力并保持周圍地層的穩(wěn)定，確保地下工程施工的安全。鋼板樁支護(hù)具有高強(qiáng)、輕型、施工快捷、環(huán)保、美觀、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外的建筑、市政、港口、鐵路等領(lǐng)域都有悠久的使用歷史[1]。

在軟土地區(qū)基坑工程中，鋼板樁支護(hù)已得到普遍使用，但是其中的懸臂式鋼板樁抗彎能力較差，樁撐式鋼板樁出土效率較低，而錨拉式鋼板樁的出現(xiàn)則有效地克服了這些缺點(diǎn)。

錨拉鋼板樁支護(hù)是在鋼板樁的頂部設(shè)置錨拉鋼筋，通過外側(cè)的錨碇結(jié)構(gòu)固定錨拉鋼筋，使其可以提供足夠的拉力維持圍護(hù)鋼板樁的受力平衡，還可通過預(yù)加軸力等方式控制圍護(hù)鋼板樁的變形。這種支護(hù)結(jié)構(gòu)將錨拉鋼筋和錨碇結(jié)構(gòu)均設(shè)置在基坑外側(cè)，故坑內(nèi)無支撐支擋，可以進(jìn)行敞開式挖土施工，大大方便了土方開挖和地下結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)，提高了施工效率[2]。

雖然場地條件的要求對錨拉鋼板樁支護(hù)的推廣應(yīng)用造成了一定的限制，但施工便利、剛度可靠、靈活多變等優(yōu)點(diǎn)也讓其在港口、橋梁、船塢等工程中占有一席之地[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，錨拉鋼板樁支護(hù)中設(shè)置的剛性錨碇結(jié)構(gòu)（多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件）不僅施工速度慢、施工周期長，而且不能回收利用，對工程工期和造價成本都有一定的影響。

為了滿足施工現(xiàn)場的需要，常常采用相同型號的鋼板樁作為錨碇結(jié)構(gòu)，在基坑工程施工完成后拔出回收。但是，作為錨碇結(jié)構(gòu)的鋼板樁與常規(guī)的鋼筋混凝土錨碇結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件剛度大大減少，應(yīng)作為柔性結(jié)構(gòu)考慮，其自身的受力和變形較大，對整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響相較剛性結(jié)構(gòu)有較大的不同；然而，現(xiàn)行規(guī)范中并沒有給出柔性結(jié)構(gòu)作為錨碇結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法，如果仍舊套用規(guī)范中的設(shè)計計算方法，可能與實(shí)際受力狀態(tài)有一定的區(qū)別，柔性錨碇結(jié)構(gòu)甚至可能無法提供足夠的錨拉力而導(dǎo)致整個支護(hù)體系失效[4-7]。

本文結(jié)合錨拉鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在上海軟土地區(qū)某基坑工程險情處理中的應(yīng)用，就采用柔性錨碇結(jié)構(gòu)錨拉鋼板樁的變形特性和設(shè)計方法開展了一些探討性的分析研究，力求為其在工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 工程概況

上海市某大型居住社區(qū)項(xiàng)目擬在地下建設(shè)整體1層、局部2層的框架結(jié)構(gòu)地下車庫，采用樁筏基礎(chǔ)和預(yù)制樁基?；诱w呈方形，平面尺寸約為140 m×120 m，總面積16 500 m2，基坑普遍開挖深度地下1層區(qū)為5.45 m，地下2層區(qū)為9.70 m。

1.1 周邊環(huán)境

基地周邊環(huán)境條件較好：東側(cè)為待建園田路，現(xiàn)為空地；北側(cè)為現(xiàn)狀楓沛路，路面下有少量市政管線分布；西鄰陳家灣港；南側(cè)為楊家婁河，河道均已整治，河道藍(lán)線外2 m處設(shè)有護(hù)岸結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目基坑具體環(huán)境平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑環(huán)境總平面示意

1.2 工程地質(zhì)

本工程場地屬于湖沼平原I1區(qū)地貌，地基土主要由黏性土、粉性土和砂性土組成，土層有一定起伏，屬第四紀(jì)全新世（Q4）及上更新世（Q3）沉積物。

場地淺層有③t層灰色砂質(zhì)粉土分布，透水性好，對基坑穩(wěn)定性影響較大；第③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土力學(xué)強(qiáng)度低、層厚大，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制十分不利。與基坑工程相關(guān)的主要土層地質(zhì)情況見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 支護(hù)方案

2.1 整體施工方案

根據(jù)本工程基坑規(guī)模較大且深坑嵌套深坑的特點(diǎn)，選定“分區(qū)順作、先深后淺”的整體施工方案：地下1層區(qū)和地下2層區(qū)分別獨(dú)立圍護(hù)、先后開挖施工，在地下2層區(qū)完成地下結(jié)構(gòu)施工后再進(jìn)行地下1層區(qū)的開挖施工，通過時空效應(yīng)原理減少基坑暴露的時間和空間，控制基坑變形，保護(hù)周邊環(huán)境。

2.2 基坑支護(hù)方案

地下1層區(qū)選用自立式圍護(hù)結(jié)構(gòu)——水泥土重力式圍護(hù)墻，墻體采用“椅子式”布置形式，坑內(nèi)能敞開挖土，施工便捷，有利于縮短工期。

地下2層區(qū)采用板撐式支護(hù)體系——鉆孔灌注樁圍護(hù)＋三軸攪拌樁止水＋2道鋼筋混凝土水平支撐，施工工藝成熟，環(huán)境影響小，變形控制能力強(qiáng)。

3 施工過程

本基坑自2018年5月開始施工，至9月地下2層區(qū)施工完成，地下1層區(qū)開始由西向東進(jìn)行土方開挖。10月初，為加快進(jìn)度，施工單位在未作任何道路強(qiáng)化處理的情況下，允許混凝土攪拌車、土方運(yùn)輸車等重型車輛駛上西側(cè)圍護(hù)墻頂并來往行走，實(shí)際施工超載遠(yuǎn)大于設(shè)計限值。10月8日下午基坑西側(cè)重力式擋墻墻體開始出現(xiàn)裂縫，之后墻體變形迅速增加，至次日早晨一夜間變形增量達(dá)21 mm；現(xiàn)場圍護(hù)墻墻頂多處出現(xiàn)縱向開展裂縫，壩體中部向坑內(nèi)傾斜，存在垮塌失穩(wěn)的風(fēng)險；坑外地表明顯沉降，外側(cè)土體向河道方向滑移，河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下沉引起頂部欄桿斷裂損壞，如圖2所示。施工單位已停止挖土作業(yè)，為減緩變形發(fā)展速度，采取了被動區(qū)堆土反壓的臨時措施。

圖2 施工現(xiàn)場險情照片

10月9日，相關(guān)參建單位就西側(cè)壩體險情處理集中商議，認(rèn)為基坑存在重大安全隱患，需要立即進(jìn)行加固處理。由于重力式擋墻水平位移大、表面開裂嚴(yán)重，墻體內(nèi)部大概率存在可能導(dǎo)致?lián)跬粮羲阅苁У慕Y(jié)構(gòu)性破壞，因此考慮在變形最大的圍護(hù)墻體中部區(qū)段外側(cè)加設(shè)一套錨拉鋼板樁作為加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼板樁圍護(hù)兩端與完整性較好的重力式擋墻搭接形成止水封閉，基坑內(nèi)部仍可開敞施工，有利于加快搶險施工速度。

此外，為降低中部壩體垮塌風(fēng)險，將其內(nèi)插型鋼與圍護(hù)鋼板樁頂部進(jìn)行了部分連接，以限制變形發(fā)展。施工過程中，加強(qiáng)現(xiàn)場管理，基坑頂部禁止車輛通行；加密監(jiān)測頻率，遇到異常情況及時通知相關(guān)各方啟動應(yīng)急預(yù)案。通過上述手段，達(dá)到保障基坑本體穩(wěn)定與周邊建（構(gòu)）筑物安全的目的。

4 錨拉鋼板樁設(shè)計計算方法研究

根據(jù)本工程基坑的特點(diǎn)，主要考慮搶險時間的緊迫性，作為加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的錨拉鋼板樁選用相同規(guī)格的鋼板樁作為錨碇結(jié)構(gòu)，錨拉鋼筋從陳家灣港上方越過并錨固于對岸的公共綠地中，設(shè)計計算中偏于安全地忽略河道范圍內(nèi)土體的抗力貢獻(xiàn)，采用有限元仿真分析對規(guī)范方法進(jìn)行復(fù)核修正，具體過程如下。

4.1 規(guī)范設(shè)計方法

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2-4]，采用豎向彈性地基梁法，按帶1道支撐的鋼板樁支護(hù)模型用“m”法算得滿足穩(wěn)定性變形要求的圍護(hù)鋼板樁長度不少于12 m，單位長度鋼板樁上錨拉鋼筋的拉力為151.2 kN。

錨碇結(jié)構(gòu)的埋入深度和平面尺寸應(yīng)符合穩(wěn)定性要求，即錨拉鋼筋的拉力與主動土壓力之和不大于被動土壓力，且錨碇結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的控制距離根據(jù)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的滑動破壞面確定。通過對錨碇結(jié)構(gòu)臨界插入深度的迭代計算，最終確定采用6 m長的錨碇結(jié)構(gòu)時，錨碇結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間保持10 m的最小距離可以滿足平衡計算要求。

然而，規(guī)范計算方法是以剛性錨碇結(jié)構(gòu)為設(shè)計對象的，其受力性狀和破壞模式都與柔性錨碇結(jié)構(gòu)有較大的不同。為了確保錨拉鋼板樁支護(hù)體系的整體有效性，有必要建立有限元模型對開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以便對規(guī)范設(shè)計結(jié)果進(jìn)行完善和修正。

4.2 有限元仿真分析

在有限元分析中，土體采用適用于基坑開挖的Hardening-Soil（硬化土）模型，圍護(hù)樁和錨碇樁采用板單元、錨拉鋼筋采用錨桿單元進(jìn)行模擬，圍護(hù)樁、錨碇樁和土體之間采用接觸面模擬樁土相互作用，建模的土性參數(shù)參考勘察單位提供的地勘資料，模型邊界條件采用標(biāo)準(zhǔn)邊界，即模型底部限制水平和豎向位移，兩側(cè)限制水平位移[5]。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

隨著基坑模擬開挖施工的進(jìn)行，圍護(hù)鋼板樁變形不斷增大，樁身水平位移呈“C”形，最大變形發(fā)生在開挖面附近，開挖至坑底時達(dá)到最大值11.4 mm；錨碇鋼板樁的最大受力部位在樁頂，樁身水平位移呈上大下小的形狀，在開挖卸荷作用下樁頂變形不斷增大，開挖至坑底時頂部最大位移27.4 mm，樁后方土體發(fā)生沉陷。模型開挖至坑底時的水平變形云圖如圖4所示。分析結(jié)果表明，錨碇鋼板樁在基坑開挖過程中能夠通過錨拉鋼筋對圍護(hù)鋼板樁的頂部變形起到有效約束作用。

圖4 開挖至坑底水平變形云圖

接下來，分別選取6、9、12 m三種標(biāo)準(zhǔn)長度的錨碇鋼板樁，進(jìn)一步分析不同錨碇樁長的錨拉鋼板樁支護(hù)整體受力性狀，并提取開挖至坑底時圍護(hù)樁和錨碇樁的變形曲線進(jìn)行比較，匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 鋼板樁水平變形曲線

從圖5中可見，隨著錨碇樁樁長的增加，圍護(hù)樁、錨碇樁的水平變形都表現(xiàn)出逐漸減小的變化規(guī)律，且錨碇樁底部的嵌固效果也越來越顯著。此外，由于錨碇樁樁端嵌固土層的不同，土層力學(xué)特性的不同也會對錨碇樁及圍護(hù)樁的受力變形產(chǎn)生影響。

綜上，為了確保圍護(hù)體系的安全和穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合上述分析結(jié)果對規(guī)范設(shè)計進(jìn)行了一定加強(qiáng)：錨碇鋼板樁樁長加長至9 m，確保樁端嵌固效果，并通過對錨拉鋼筋施加100 kN/m預(yù)拉應(yīng)力的方式，控制圍護(hù)鋼板樁和錨碇鋼板樁的初始變形，保證錨拉力的有效提供。加強(qiáng)圍護(hù)剖面如圖6所示。

圖6 錨拉鋼板樁加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

4.3 方案實(shí)施效果

2018年10月16日，錨拉鋼板樁加強(qiáng)支護(hù)施工完畢，現(xiàn)場如圖7所示。此時該處累計變形約為84 mm。后續(xù)施工中加快了地下室基礎(chǔ)底板的澆筑進(jìn)度，并按要求加強(qiáng)了對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測，典型測斜曲線如圖8所示。

圖7 加固施工現(xiàn)場照片

圖8 樁側(cè)土體測斜曲線

從圖8可見，16日以后基坑變形隨著被動區(qū)覆土的挖除有所增加，但開挖至坑底，在進(jìn)行底板澆筑和地下結(jié)構(gòu)施工的過程中逐漸趨于收斂，最后穩(wěn)定在110 mm左右，直至基坑施工完成沒有再出現(xiàn)險情。從現(xiàn)場情況來看，錨拉鋼板樁加強(qiáng)支護(hù)取得了良好的加固效果。

5 結(jié)語

本文結(jié)合背景工程對錨拉鋼板樁在軟土地區(qū)基坑工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一些探討，主要得出以下結(jié)論：

1）對于采用鋼板樁等柔性錨碇結(jié)構(gòu)的錨拉鋼板樁支護(hù)體系，由于其剛度弱化較大，通過規(guī)范設(shè)計計算方法確定的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，需結(jié)合合理的模擬仿真分析進(jìn)行修正完善，方能保證其在實(shí)際應(yīng)用中的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

2）柔性錨碇結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中能夠通過錨拉鋼筋對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的頂部變形起到有效約束作用，其受力和變形與圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有關(guān)聯(lián)性，并且直接影響錨拉鋼筋的張拉和收縮，分析計算時應(yīng)考慮到二者的變形協(xié)調(diào)。

3）隨著柔性錨碇結(jié)構(gòu)樁長的增加，圍護(hù)樁、錨碇樁的水平變形都表現(xiàn)出逐漸減小的變化規(guī)律，錨碇樁底部的嵌固效果也越來越顯著，錨碇樁樁端嵌固土層的力學(xué)特性會對錨碇樁及圍護(hù)樁的受力變形產(chǎn)生一定的影響。

在錨拉鋼板樁受力機(jī)理和變形性狀、柔性錨碇樁簡化設(shè)計方法以及在不同土層中的適用性等方面，還有待于進(jìn)一步研究，希望隨著實(shí)踐積累和理論分析的不斷深入，能為錨拉鋼板樁支護(hù)在地下工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供助力。