双排钢板桩在东莞市运河节制闸导流明渠设计中的应用

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简介： 结合工程实际，本文首次将双排拉森钢板桩作为边坡支护兼作临时挡土墙结构，其施工简便、快捷，能有效防止流砂、流土，抗渗性能优异，不失为一种经济合理的边坡支护措施，在透水地基的边坡防护中具有一定的参考价值。
关键字：拉森钢板桩；锚定；入土深度；重力式挡土墙 

1、工程概况

东莞市樟村水质净化厂位于运河樟村段，设计日处理能力近期为360万吨，远期为460万吨，现为亚洲最大的污水处理厂，工程总投资约4.3亿元，工程已于2002年全面开工建设，近期已竣工投入使用。作为净化厂配套工程的运河节制闸，位于厂区上游，担负着拦污、引污的任务，节制闸能否按时竣工投入使用，是净化厂能否按时投产的关键。

节制闸设于运河樟村段，历史上实测最大洪峰流量400m³/s，估算施工期（10月-4月）最大流量100 m³/s。考虑到本工程工期紧，场地狭窄，需全断面截断运河进行施工，设计时初拟在节制闸左岸或右岸布置导流明渠进行施工期导流，实际布置时发现右岸已有进出水涵、提升泵房、施工道路等设施，在该处布置导流明渠难度很高，且施工干扰也很大，不利于赶工期抢进度，故最终将导流明渠布置于节制闸左岸滩地，即东江大堤一侧。枢纽布置见图1。

 考虑到导流明渠设计流量较大，导流时间也较长（实际使用将近半年），设计时明渠右侧采用连续灌注桩（兼作水闸左岸墙），左侧采用浆砌石挡土墙，砼护底、护面，设计渠长215米，渠净宽20米，渠底纵坡1/1000。断面形式如图2。 

由于多种原因，工程推迟到2002年12月才动工，此时东江、运河水位均较高，在明渠挡土墙基底试开挖时发现在高程0.00米处有砂夹层，地下水位很高，其地质条件与节制闸早期布孔存在较大差异，开挖过程基坑有流砂、滑坡现象发生，已危及东江大堤安全，工程被迫中止。

由于导流明渠是节制闸工程的瓶颈,为尽早开始节制闸,主体工程的全面开工建设，经充分比较分析，尝试采用双排钢板桩代替原设计的浆砌石挡土墙，修改后断面形式如图3、图4。

2、工程地质

为摸清拟打钢板桩位置的基岩出露情况，以便合理选择桩型、桩长，避免浪费，沿桩轴线补充地质钻探（均为观察孔），结果表明，基岩面起伏极大，强风化砂岩岩面高程-3.02~-8.05m，其中75%岩面高程-3.0~-4.0m，岩面以上主要为中细砂层及耕作土层，地质条件良好。

3、钢板桩支护设计

3.1  钢板桩简介

钢板桩是一种较老的基坑支护方式，采用锤击或振动方法打入带锁口的桩体，使之在基坑四周闭合，并保证水平、垂直和抗渗；桩体可作成悬臂式、坑内支撑、上部拉锚等支护方式，作为在土方开挖和基础施工时抵抗桩背的土、水压力，使之达到基坑内外稳定；桩的型式有U型、Z型及直腹型等，常用的是U型咬口式(本工程即采用该桩型)。

钢板桩最初主要应用于工业与民用建筑的深基坑支护，由于其施工方便快捷、挡土止水效果良好，近期我院已将其应用到多宗水利工程的边坡支护设计中，取得较好的经济效益。但由于钢板桩一次性投资大，打拔费用高，施工时有躁音、振动等问题，在经济欠发达地区、城区应用受到很大限制。

 日本拉森U型钢板桩资料

种  类

尺    寸

截面积

重    量

二次力矩

截面模量

W

(mm)

h

(mm)

t

(mm)

每片

(cm²)

每片

(N/m)

每米

(N/m²)

每片

(cm⁴)

每米

(cm⁴/m)

每片

(cm³)

每米

(cm³/m)

YSP-I

400

75

8.0

46.49

365

912

429

3820

66.4

509

YSP U_-5

400

80

7.6

45.21

355

888

454

4220

64.7

527

FSP I A

400

85

8.0

45.21

355

888

598

4500

88.0

529

YSP-Ⅱ

400

100

10.5

61.18

480

1200

986

8690

121

869

FSP-Ⅱ

400

100

10.5

61.18

480

1200

1240

8740

152

874

YSP U_-9

400

110

9.3

55.01

432

1080

1070

9680

120

880

FSP ⅡA

400

120

9.2

55.01

432

1080

1460

10600

160

880

YSP-Ⅲ

400

125

13.0

76.42

600

1500

1920

16400

196

1310

FSP-Ⅲ

400

125

13.0

76.42

600

1500

2220

16800

223

1340

YSP U_-15

400

150

12.2

74.40

584

1460

2700

22800

238

1520

FSP-ⅢA

400

150

13.1

74.40

584

1460

2790

22800

250

1520

YSP-Ⅳ

400

155

15.5

96.99

761

1900

3690

31900

311

2060

FSP-Ⅳ

400

170

15.5

96.99

761

1900

4670

38600

362

2270

YSP U_-23

400

175

14.7

94.21

740

1850

4380

39400

330

2250

FSP-Ⅳ A

400

185

16.1

94.21

740

1850

5300

41600

400

2250

YSP-V

420

175

22.0

134.0

1050

2500

5950

55200

433

3150

FSP-VL

500

200

24.3

133.8

1050

2100

7960

63000

520

3150

FSP-VIL

500

225

27.6

153.0

1200

2400

11400

86000

680

3820

3.2  桩类型选择

参照振动法施打钢板桩经验，桩尖能入岩深度仅为10~20cm，按岩面高程-3.0~-4.0m计算，桩身入土深度在2~3m间。经估算，悬臂桩入土深度需达6m方能满足结构稳定性要求，故悬臂桩不适合该处地质条件，设计时选择上部有锚固的锚定式板桩。

从边坡开挖情况、地质钻探结果分析，堤坡填土较为疏松，若采用常规桩顶设置钢锚杆，一方面锚固效果很难保证，另一方面其打孔、灌浆锚固时间长，无法满足当时赶工期需要，况且其造价也不低。经查阅资料，结合本工程实际情况，确定采用双排钢板桩结构形式作为边坡支护，其中外排钢板桩为挡土、防渗、抗冲，内排钢板桩为锚固、防渗，两者在桩顶采用拉结结构连成一个整体，形成一个重力式挡土墙。

3.3  结构分析计算

按双排拉森钢板桩的受力特点，其结构设计应包括墙体稳定分析计算、锚定桩结构分析计算、桩顶拉结分析计算三大部分内容。

3.3.1  墙体稳定分析计算

计算简图如图5。

按一般经验，墙后土料C=0，

Φ=30°（折算），γ=19KN/m³，

按破裂角θ=45°+Φ/2=60°

计算的有效挡土高度H=8.0m，

土压力按朗肯公式计算，则

土压力

初定双排钢板桩间距4.5m(必须保证内排桩落在破裂面以外)

则土重G₁=19×4.5×3.6=307.8KN

钢板桩重G₂=1.46×3.6×2=10.51KN（初选钢板桩型号FSP-ⅢA，其重量1.46KN/m²）

基底摩擦系数f=tgΦ=0.577

ΣG=G₁+G₂=307.8+10.51=318.31KN

抗滑稳定系数

满足规范要求。

3.3.2  锚定桩结构分析计算

计算简图如图6。

按下端自由支承，上端有锚定拉杆的板桩进行

计算（详见《支挡结构设计手册》，过程略）

求得板桩入土深度t=2.5m

锚定杆拉力T=28.65KN/m

板桩最大弯矩M_max=50.33KN.m/m

板桩需要截面模量W_max=M_max／[σ]=347cm³/m

考虑到钢板桩需打入强风化砂岩，且其防护之东江大堤极为重要，故选用较大截面拉森钢板桩，型号FSP-IIIA，其W=1520 cm³/m。

由于岩面较高，桩尖仅打至-4.00m高程，此时桩入土深度为2.4m，略为不足，为安全计，设计时将桩外2m范围护底高程提高1m作为安全储备。

3.3.3  桩顶拉结分析计算

设计时为便于调整双排钢板桩预紧度，采用型钢将桩顶夹紧，再用螺栓拉结。考虑到钢板桩单桩宽度400mm，设计拉结螺栓间距取a=1.6m，

则螺栓拉力Tˊ=1.6×T=45.84KN

采用Φ32圆钢加工，其允许拉力100.5KN，桩顶型钢按均布荷载连续梁计算，其

W_max=M_max/[σ]=46.0cm³

选用两条∠160×100×10，其W=2×62.13=124.26 cm³

3.4  结论

按双排钢板桩方案施工（振动法打桩），在半个月内即完成打桩、桩顶拉结等所有工作，不但避免高边坡开挖危及东江大堤安全，而且由于U型咬口式钢板桩有自止水功能，基本杜绝了基坑渗水、流砂等问题，取得了极好的社会经济效益。工程现已竣工，明渠已填平恢复原状。

但是，由于振动法施打钢板桩过程其振动频率极高，致使可液化土砂层瞬时液化，承载力下降，周边地面出现轻微裂缝。故建议在打桩完成后，应间隔1~2天，让液化土砂层恢复原状后才开始开挖基坑，以策安全。

以上仅为本人在工程实践中的总结，错漏之处请各位同行批评指正。 

参考文献：

1．陈仲颐，叶书麟    基础工程学，中国建筑工业出版社，1993；

2．尉希成            支挡结构设计手册，中国建筑工业出版社，1995；

3．余志成，施文华    深基坑支护设计与施工，中国建筑工业出版社，1999。

作者简介：林志文(1966-)，男，本科，高级工程师，注册岩土、咨询工程师，

东莞市水利勘测设计院总工程师，从事水利水电工程设计、校审工作。

通讯地址：东莞市东城樟村大围防汛楼

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