拉森钢板桩在渡槽基础深基坑中的应用昆明柴石滩水库灌区工程

昆明柴石滩水库灌区工程

一、研究背景

拉森钢板桩是一种特制的型钢板桩，用打桩机及振动锤将钢板桩压入地下构成一道连续的板墙，作为深基坑开挖的临时挡土、挡水围护结构。拉森钢板桩具有强度高、结合紧密、不易漏水、施工简便、速度快、可重复使用的优点。随着我国经济的飞速发展以及城镇化进程的加剧，地下空间的利用率大幅度提高，人们越来越重视地下空间的使用。由于地面空间小、施工场地限制等因素，导致了无支撑围护，放坡开挖的方式逐渐被淘汰。随着城市经济建设的发展，钢板桩作为一种围护结构，在市政、房建、桥梁、水利工程等多方面得到了广泛应用。而本工程中渡槽基本分布在冲沟处，基坑两侧陡峭，基底软弱且有少量砂砾石堆积，沟底地下水位埋深浅，墩基开挖时受地下水及河水影响较大，施工过程中，采用常规的开挖、支护方式进行施工，施工质量、安全、进度都难以得到保证。研究拉森钢板桩在渡槽基础深基坑中的应用，以降低工程施工成本，保证施工质量和进度，为项目的建设创造更多效益。

二、工程概况

昆明柴石滩水库灌区工程位于昆明市宜良县、石林县境内，灌区共布置干渠、骨干支渠及主要干支管总长201.24公里，骨干支渠共计15条，各类渠系建筑物704座。其中渡槽工程30座，总长3187m。按照设计要求，渡槽槽身长度为10m/20m一跨，每个渡槽由多个扩大基础、排架和槽身组成，以达到设计功能。而渡槽基本分布在冲沟处，基坑两侧陡峭，基底软弱且有少量砂砾石堆积，沟底地下水位埋深浅，墩基开挖时受地下水及河水影响。而排架扩大基础，墩基深入强~全风化基岩以下2~3m，基础基坑周边环境较为复杂，采用正常放坡进行开挖，开挖方量大、占地面积较多，基坑边坡无法自稳、抽排水量增加等问题。所以，

利用拉森钢板桩提高渡槽排架基础施工效率、保证施工质量和安全、控制施工成本、加快施工进度势在必行。

三、施工工艺

根据现场探坑和地质资料，渡槽扩大基础基坑深度大于5米的支护采用拉森钢板桩、方钢围檩加内支撑支护的方案；采用钢板桩与内支撑结合可保证不会倾覆破坏。在打完钢板桩之后，桩顶要高于原地面0.2m，在钢板桩顶以下1.5米处设置一道两根300×130×13的工字钢形成300×260×13方钢围檩，水平直撑采取沿轴线方向每间距5米设一道，位置距钢板桩顶以下0.5米。本工程基础开挖深度在5m～9m范围之间，钢板桩长度选择为9m，基坑开挖期间需通过变形观测对钢板桩的位移进行有效控制，充分保证基坑安全。

排水采取基坑外排水和基坑内集排水。基坑外在离坡顶1米外自然地坪处设置500mm×500mm的排水沟，每隔30m设一集水井，直径为1000mm，井底比沟底深500mm，并配置水泵，不让地面水流入基坑内。在基坑底距坡角500mm处设300mm×300mm排水沟。每隔30米设一集水井。这样，自然降水及地面土内存水通过上层排水沟排至于集水井，由潜水泵排至农耕排水沟，地面土内含水和自然雨水及极弱透水层渗水可通过基坑内排水沟和集水坑泵至基坑外排水沟内，由潜水泵排至农耕排水沟。

深基坑开挖施工示意图

1、主要施工流程

测量定位放线→开挖沟槽→桩机导架安装就位→施打钢板桩→拆除导梁→清理锚杆处标高的土方→挖土→箱涵（管涵）施工→回填砂碎石→拔除钢板桩并回填桩孔。

2、钢板桩的选用

根据工程所在场地特点，结合钢板桩的特性、施工方法等方面考虑，选用拉森钢板桩Ⅳ型，其宽度适中，抗弯能力好，主要技术参数为：每延米惯性矩I=25559cm4；每沿米抗弯界面模量W=1420cm3。

依据地质资料及作业条件决定选用钢板桩长度为9m。拉森钢板桩用升降机就位后采用履带式液压挖土机KATO-1250或KATO-1430带VH-2000或VH-3000的液压振锤的锤机施打，施打前一定要熟悉地下管线、构筑物的情况，认真放出准确的支护桩中线，严格按照测量放线位置准确打入拉森U型Ⅳ号钢板桩作为围护结构，支撑体系采用508×13螺旋钢水平内支撑，沿轴线方向间距5米设一道支撑，位置距钢板桩顶以下1米。内支撑与钢板桩之间连接处设置两根300×130×13的工字钢形成300×260×13方钢围檩，全部采用焊接固定。

3、施工工艺

虑到钢板桩较长，在施打中，钢板桩容易向一边倾斜，由于倾斜误差积累不易纠正，难以控制钢板桩墙的平直度，所以钢板桩施工拟采用屏风式打入法。屏风式打入法不易使板桩发生屈曲、扭转、倾斜和墙面凹凸，打入精度高，易于实现封闭合拢。施工时，将10～20根钢板桩成排插入导架内，使它呈屏风状，然后再逐根施打。

（1）钢板桩施工的一般要求

1）钢板桩的设置位置要符合设计要求，便于基础施工，即在基础最突出的边缘外留有支模、拆模的余地。

2）基坑护壁钢板桩的平面布置形状应尽量平直整齐，避免不规则的转角，以便标准钢板桩的利用和支撑设置。各周边尺寸尽量符合板桩模数。

3）整个基础施工期间，在挖土、吊运、扎钢筋、浇筑混凝土等施工作业中，严禁碰撞支撑，禁止任意拆除支撑，禁止在支撑上任意切割、电焊，也不应在支撑上搁置重物。

（2）钢板桩的检验、吊装、堆放 1）钢板桩的检验

对钢板桩，一般有材质检验和外观检验，以便对不合要求的钢板桩进行矫正，以减少打桩过程中的困难。

外观检验：包括表面缺陷、长度、宽度、厚度、高度、端部矩形比、平直度和锁口形状等项内容。检查中要注意：

①对打入钢板桩有影响的焊接件应予以割除； ②割孔、断面缺损的应予以补强；

③若钢板桩有严重锈蚀，应测量其实际断面厚度。原则上要对全部钢板桩进行外观检查。

2）钢板桩吊装

装卸钢板桩宜采用两点吊。吊运时，每次起吊的钢板桩根数不宜过多，并应注意保护锁口免受损伤。吊运方式有成捆起吊和单根起吊。成捆起吊通常采用钢索捆扎，而单根吊运常用专用的吊具。

3）钢板桩堆放：钢板桩堆放的地点，要选择在不会因压重而发生较大沉陷变形的平坦而坚固的场地上，并便于运往打桩施工现场。堆放时应注意：

堆放的顺序、位置、方向和平面布置等应考虑到以后的施工方便； 钢板桩要按型号、规格、长度分别堆放，并在堆放处设置标牌说明；

钢板桩应分层堆放，每层堆放数量一般不超过5根，各层间要垫枕木，垫木间距一般为3-4米，且上、下层垫木应在同一垂直线上，堆放的总高度不宜超过2米。

（3）导架的安装

在钢板桩施工中，为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力，一般都需要设置一定刚度的、坚固的导架，亦称“施工围檩”。导架采用单层双面形式，通常由导梁和围檩桩等组成，围檩桩的间距一般为2．5～3．5米，双面围擦之间的间距不宜过大，一般略比板桩墙厚度大8～15mm。

（4）安装导架时应注意以下几点：

1）采用全站仪和水平仪控制和调整导梁的位置。

2）导梁的高度要适宜，要有利于控制钢板桩的施工高度和提高施工工效。 3）导梁不能随着钢板桩的打设而产生下沉和变形。 4）导梁的位置应尽量垂直，并不能与钢板桩碰撞。 （5）钢板桩施打

拉森钢板桩施工关系到施工止水和安全，是本工程施工最关键的工序之一，在施工中要注意以下要求：

1）线采用拉森Ⅳ型9米长密扣拉森钢板桩。拉森钢板桩采用履带式挖土机（带震动锤机）施打，施打前一定要熟悉地下管线、构筑物的情况，认真放出准确的支护桩中线。

2）打桩前，对钢板桩逐根检查，剔除连接锁口锈蚀、变形严重的钢板桩，不合格者待修整后才可使用。

3）打桩前，在钢板桩的锁口内涂油脂，以方便打入拔出。

4）在插打过程中随时测量监控每块桩的斜度不超过2%，当偏斜过大不能用拉齐方法调正时，拔起重打。

5）钢板桩施打采用屏风式打入法施工。屏风式打入法不易使板桩发生屈曲、扭转、倾斜和墙面凹凸，打入精度高，易于实现封闭合拢。施工时，将10-20根钢板桩成排插入导架内，使它呈屏风状，然后再施打。通常将屏风墙两端的一组钢板桩打至设计标高或一定深度，并严格控制垂直度，用电焊固定在围檩上，然后在中间按顺序分1/3或1/2板桩高度打入。

屏风式打入法的施工顺序有正向顺序、逆向顺序、往复顺序、中分顺序、中和顺序和复合顺序。施打顺序对板桩垂直度、位移、轴线方向的伸缩、板桩墙的凹凸及打桩效率有直接影响。因此，施打顺序是板桩施工工艺的关键之一。其选择原则是：当屏风墙两端已打设的板桩呈逆向倾斜时，应采用正向顺序施打；反之，用逆向顺序施打；当屏风墙两端板桩保持垂直状况时，可采用往复顺序施打；当板桩墙长度很长时，可用复合顺序施打。

施工中应根据具体情况变化施打顺序，采用一种或多种施打顺序，逐步将板桩打至设计标高，一次打入的深度一般为0．5-3．0米。

6）密扣且保证开挖后入土不小于2米，保证钢板桩顺利合拢；特别是工作井的四个角要使用转角钢板桩，若没有此类钢板桩，则用旧轮胎或烂布塞缝等辅助措施密封。

7）打入桩后，及时进行桩体的闭水性检查，对漏水处进行焊接修补，每天派专人进行检查桩体。

8）制作完拉森钢板桩帷幕后，土方开挖的同时采用两根300×130×13工字钢围檩在桩顶以下1米处设置一道围檩。

9）内支撑架设经过计算拉森钢板桩支护间距每5米设置一道508×13螺旋钢的横支撑。

（6）钢板桩的拔除

基坑回填后，要拔除钢板桩，以便重复使用。拔除钢板桩前，应仔细研究拔桩方法顺序和拔桩时间及土孔处理。否则，由于拔桩的振动影响，以及拔桩带土过多会引起地面沉降和位移，会给已施工的地下结构带来危害，并影响临近原有建筑物、构筑物或地下管线的安全。设法减少拔桩带土十分重要，目前主要采用灌水泥砂浆措施。

1）拔桩方法

本工程拔桩采用振动锤拔桩：利用振动锤产生的强迫振动，扰动土质，破坏钢板桩周围土的粘聚力以克服拔桩阻力，依靠附加起吊力的作用将桩拔除。

2）拔桩时应注意事项

①拔桩起点和顺序：对封闭式钢板桩墙，拔桩起点应离开角桩5根以上。可根据沉桩时的情况确定拔桩起点，必要时也可用跳拔的方法。拔桩的顺序最好与打桩时相反。

②振打与振拔：拔桩时，可先用振动锤将板桩锁口振活以减小土的粘附，然后边振边拔。对较难拔除的板桩可先用柴油锤将桩振下100－300mm，再与振动锤交替振打、振拔。有时，为及时回填拔桩后的土孔，当把板桩拔至比基础底板略高时暂停引拔，用振动锤振动几分钟，尽量让土孔填实一部分。

③起重机应随振动锤的启动而逐渐加荷，起吊力一般略小于减振器弹簧的压缩极限。

④供振动锤使用的电源为振动锤本身额定功率的1.2-2.0倍。

⑤对引拔阻力较大的钢板桩，采用间歇振动的方法，每次振动15min，振动锤连续不超过1.5h。

（7）钢板桩土孔处理

对拔桩后留下的桩孔，必须及时回填处理。回填的方法采用填入法。填入法所用材料为细石混凝土或水泥砂浆。

4、钢板桩位移监测 （1）基点布设

1）观测基点根据现场情况设在变形区域以外，位置稳定、易于长期保存的地方，共3个。观测基点为现浇钢筋混凝土墩，安装强制对中基座,材质不锈钢，最大对中误差0.05mm，混凝土强度为C20，工作基点墩平面图见图

工作基点墩平面图

2）基坑边坡变形及钢板桩位移观测点为钢制观测标志，连接杆打入地下深度不小于300mm。

3）基坑周边建筑物、道路、管线变形观测标志采用冲击钻安装金属观测标志。

（2）水平位移观测 1）监测部位

监测部位：坡面顶部和钢板桩。 2）监测方法

①采用平面导线测量，以基点A和B为坐标起算点，通过测量距离、方位角等参数，求出各点位的坐标，平差后计算得到桩顶水平位移值。在基坑开挖前采集坐标点初始值，开挖全过程进行跟踪监测。水平位移测试示意图如图：

水平位移测试示意图

②每次观测前按技术要求对仪器进行检查和校正，观测固定测量人员，测量仪器和固定路线的要求进行，以保证观测结果精确。

③测量精度控制

依据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）相关规定，本工程水平位移监测精度要求为：

监测项目 边坡顶部水平位移 水平位移报累计值D（mm） <50 警值 变化速率νD（mm/d） <10 （3）竖向位移观测 1）监测部位

监测部位：边坡和钢板桩顶部。 2）监测方法

①根据埋设好的基准点，施测一条闭合路线建立初始数据。

②每次观测前按技术要求对仪器进行检查和校正，观测固定测量人员，固定测量仪器和固定路线的要求进行，以保证观测结果精确。

③沉降观测工作采用精密几何水准测量方法进行，观测过程中，各项偏差控制及内业数据处理均按照国家《建筑基坑工程监测技术规范》中各项规定执行。

④测量精度控制

依据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）相关规定，本工程竖向位移监测精度要求为：

监测项目 边坡顶部水平位移 累计值D（mm） 竖向位移报警值 变化速率νD（mm/d） <50 <5 四、总结分析

拉森钢板桩在渡槽深基坑的施工技术，解决了渡槽深基坑施工效率低、安全风险高、工程量大等问题，降低了基坑边坡稳定控制难度大的风险，减少了放坡开挖的占地面积，提高了基坑施工效率，减少了整个施工过程中各工序间的干扰，降低了施工成本，改变了该类工程传统施工工艺人员投入多、施工效率低、安全风险大的现状。诠释了新施工技术运用的经济、高效及安全等诸多优点，为类似工程积累了宝贵的经验。