拉森钢板桩支护在雨水调蓄池基坑支护中的应用

1 工程概况及水文地质条件

1.1 工程概况

本工程建设场地位于北京市顺义区某会展项目。本次雨水调蓄池的基坑支护工程共4处（4~7号雨水调蓄池），支护深度为5.50~7.60m。4号、5号雨水调蓄池周边存在既有临时建筑及临时管线；6号、7号雨水调蓄池周边平坦，无重要建筑物及地下管线，环境简单。

1.2 水文地质条件

根据勘察报告，初勘期间（2021年3月下旬）于场地最大勘探深度（50.0m）范围内实测到3层地下水：第一层地下水类型为潜水，水位埋深4.80~8.60m，水位标高16.670~20.640m，含水层为2细砂、2细砂层；第二层地下水类型为承压水1，水位埋深12.70~17.20m，水位标高12.010~15.210m，含水层为细砂；第三层地下水类型为承压水2，水位埋深21.00~24.20m，水位标高2.770~4.670m，含水层为细砂～中砂层。

详勘期间（2021年8月10日至9月6日）于场 地最大勘探深度（60.0m）范围内实测到4层地下水：第一层地下水类型为上层滞水，水位埋深1.30~3.40m，水位标高22.670~28.390m，含水层为人 工填土层；第二层地下水类型为潜水，水位埋深2.20~7.80m，水位标高18.970~22.610m，含水层为 2细砂、2细砂层；第三层地下水类型为承压 水1，水位埋深11.00~19.00m，水位标高11.210~14.870m， 含水层为细砂；第四层地下水类型为承压水2，水位埋深18.90~22.20m，水位标高3.620~6.370m，含水层为细砂~中砂层。拟建场区近3~5年潜水最高稳定水位高程约25.000m；本工程场区1955年最高地下水水位接近原自然地面。

2 支护方案设计与方案优化

4号雨水调蓄池基坑位置位于项目部临时办公区南侧，基坑深6.00m，项目部通过对比基坑大放坡开挖与拉森钢板桩+锚索组合支护体系方案发现，若采取大放坡开挖，基坑上坡口将开挖至项目临时办公区域；若采取拉森钢板桩+锚索组合支护体系，基坑上坡口距临时办公区外墙约5.7?m。综合考虑工程安全性、施工进度及经济性，最终决定4号雨水调蓄池基坑支护方案采用拉森钢板桩+锚索组合支护体系施工， 拉森钢板支护平面如图1所示。

图1 拉森钢板支护平面示意

传统的钢板桩支护需在开挖2~3m处设置钢支撑，以防止钢板桩水平位移，本项目由于PP模块雨水调蓄池施工周期短，若增加钢支撑安装与拆卸工序，将大幅增加施工周期，经项目各部门协商并采用相关力学计算，在钢板桩桩头以下0.3m处设置3根7s5（1860MPa）预应力锚索，长度20m（自由端5.0m，锚固段15.0m），用于固定钢板桩桩头。

支护细节作法如下。（1）支护段顶部2.5m采用1∶0.75放坡编钢筋网喷射混凝土护面，2.5m以下采用拉森钢板桩+锚索组合支护体系，共设置1排锚索。（2）放坡坡比1∶0.75，坡面采用钢筋网片喷射混凝土，网片采用6@250mm×250mm，混凝土强度等级为C20，面层厚度100mm。（3）钢板桩采用SP–Ⅳ型拉森钢板桩，规格400mm×170mm，采用小锁口打入工艺，焊条采用E43型。（4）锚索采用3根1860MPa钢绞线，锚索孔径150mm，下倾角度15°，总长20.0m，水平间距2.0m。（5）坡顶设防渗混凝土板，宽800mm，厚100mm，混凝土强度等级为C20，钢筋网片采用6@250mm×250mm。（6）坡顶设置护栏，同时用C20混凝土浇筑挡水台，台宽0.2?m，台高0.3m。 拉森钢板桩支护剖面如图2所示。

   

图2 拉森钢板桩支护剖面示意

3 拉森钢板桩组合施工应用

拉森钢板桩+预应力锚索组合桩是将拉森钢板桩与预应力锚索技术相结合的一种新型组合桩。拉森钢板桩的抗侧、抗变形力与预应力锚索的锚固能力相结合的模式，可显著改善钢板桩支护承载力和抗拔性能，适合用于多种土壤地质条件下的支护体系加固与土木工程建设。

3.1 施工特点

（1）承载力高。拉森钢板桩与预应力锚索技术相结合，承载力更高、抗拔性能更好。

（2）适应性强。灵活多样的施工方法能适应各种土壤和地质情况，满足不同的工程需要。

（3）高效。由于使用了预应力锚索，取消了钢支撑焊接的程序，大幅降低了材料的投资，缩短了施工工期。

（4）环保。施工时不污染环境，不会对周边环境及地下设备产生任何影响。

3.2 适用范围

（1）土壤情况：适合任何土壤状况，包括粘土、砂、砾石等。

（2）地质情况：可适应各种地质情况，如坚硬、软弱地层和水下等。

（3）适用范围：广泛应用于各类民用建筑，如地基加固、基坑支护、防洪、地下工程、港口码头等。

3.3 工艺原理

拉森钢板桩+预应力锚索锚固组合桩工法是利用拉森钢板桩桩体承受侧向的荷载力和抗弯力提高桩体的承载力，利用预应力锚索进行锚固，从而构成一套完整的桩基础体系。 拉森钢板桩作桩既能承担水平荷载，又能提高桩的承载能力；采用高压旋喷灌浆技术对周边土进行注浆加固，提高预应力锚索与土体间的锚固力，后期对锚索施加预应力后，通过预应力锚索对拉森钢板桩桩身施加被动应力，从而提高钢板桩桩身抗侧倾性能。预应力锚索与钢板桩的组合应用，构成一种优势互补、共同作用的复合体系，可有效地改善结构的稳定性与安全性。

3.4 施工工艺

（1）钢板桩布设。按照设计要求，对钢板桩桩位进行放样，并对桩位进行测设。

（2）钢板桩施打。清除桩位上的杂物，用打拔机将拉森钢板桩打入土中，达到设计深度，每间隔2m将该位置的拉森钢板桩（图3）多打入30cm，为预应力锚索预留孔施工提供条件，以免破坏拉森钢板桩，减少拉森钢板桩损耗率，施打过程中如遇特殊地质情况（如细砂层等），可采用长螺旋引孔辅助施工。

   

图3 拉森钢板桩局部剖面示意

（3）钢围檩施工。待拉森钢板桩施工完毕后，采用机械开挖基坑，开挖至地下0.3m处进行钢围檩施工，钢围檩下每间隔4m在拉森钢板桩上焊接钢托座，作为钢围檩的托架使用，钢围檩采用双层工字钢，上下两层工字钢中间预留足够间隙，确保钢绞线能从中顺利穿过，上下层工字钢围檩之间每隔4m采用0.2m长6钢筋焊接固定。

（4）锚索施工。首先每隔2m在拉森钢板桩空隙位置通过螺旋钻机钻孔，并埋设预应力锚索，然后通过高压旋喷技术将注浆管插入孔底，用P·O 42.5、水灰比0.5的水泥浆灌入，并以缓慢的速度持续注浆，直到孔中的水和杂质全部排出，同时从孔中排出浆液。安放好杆体后，立即拔下一根注浆管，一次灌浆结束2?h后，再进行第二次高压灌浆，灌浆压力维持在1.0MPa，增加锚索与土体的锚固力，当水泥浆达到一定强度后对锚索施加应力，以产生预应力效应，从而增强桩的抗拔力。

（5）锚索张拉固定。在锚索二次注浆完成后，水泥浆强度达到15MPa时，张拉锚固。锚索张拉采用200kN的穿心式千斤顶，张拉前张拉设备必须由具有资质的测量单位进行校准，并出具校准报告，以此为基础进行现场张拉。张拉完成后对预应力锚索采取锚固措施，使预应力锚索对围檩产生向土体方向的被动应力，并通过围檩传递至钢板桩，从而提高钢板桩承载能力；若过程中预应力锚索存在预应力损失等情况，需立即采取二次张拉。最终形成完整的组合钢板桩–预应力锚索组合支护体系。

（6）钢板桩拔除。待基坑内主体工程施工完毕，回填土回填至设计标高后，需先对钢板桩拔出的方式、时机等进行认真的研究，否则拔桩时产生的震动或拔出太多的土屑会造成地基的沉降与位移，对既有建筑物、构筑物或地下管道的安全产生威胁。拔桩时，先采用打拔机对钢板桩进行一次1~2min的震动，使其桩身周围的土体“液化”，减小土体与桩身之间的摩擦，再缓慢地向上移动。在拔桩过程中，要密切关注桩机的受力状况，如果出现拔除困难或无法拔除的情况，要立即停止拔桩，可以先向下打一小段，然后向上拔，重复以上工序，直至钢板桩拔出。

4 基坑监测

根据基坑开挖的先后顺序，本工程对坡顶竖向、水平位移，周边环境竖向位移等项目进行了监测。

4.1 坡顶竖向、水平位移

在基坑开挖到坑底后，受预应力锚索与坑底土嵌固双重限制，拉森钢板桩受力稳定，坡顶水平位移最大达到15mm，坡顶竖向位移最大达到8.3mm。就空间分布而言，深基坑长边中心位置的土压力最小，且与其他测点相比，其水平位移值较大。两个测点的最大位移差不超过5mm，位移的最大值均在设计允许的范围之内。

4.2 周边环境竖向位移

本项目深基坑中钢板桩埋设深度合适、坑底塑性隆起小、施工速度快、暴露时间短等，受压区域土体的流变速度及振幅均很低，减小了被压区域内的土体位移，同时也减小了墙外土体向坑内的沉降位移，从而使周围环境中的竖向变形达到12mm，竖向变形在可控范围之内。

5 结束语

拉森钢板桩+预应力锚索组合桩工法是一项先进的工程技术，具有良好的社会效益和经济效益。工程中采用预应力锚索代替钢支撑，使拉森钢板桩桩头变为主动应力体系，使支护体系安全性能得到提高，并减少基坑位移变形，同时也为雨水调蓄池基坑中雨水PP模块安装提供广阔的工作面，大幅加快了施工作业进度，提高了效率。科学的施工工艺、严密的质量管理及安全保障确保了整个工程的平稳、顺利进行。通过对工程的经济性和工艺性分析，认为在工期、造价等方面有其优越性。工程实践表明，这种方法是可行、可靠的。