鋼板樁支護施工技術在市政道路施工中的應用

徐雙

（浙江滄海建設有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

路面開裂、隆起、塌陷等質量問題嚴重影響著市政道路工程的施工質量及安全性。藍宏[1]以拉森鋼板樁支護技術作為研究對象，強調該支護結構適用于軟土地基，并與灌注樁等工藝方案比較分析，為市政基坑支護施工提供重要借鑒。鐘遠享等[2]研究了軟土地基沉降量的計算方法，在原有室內單向壓縮試驗的基礎上建立三維模型。本文以前人研究所得出結論為基礎，圍繞市政道路施工中鋼板樁支護技術的具體應用展開討論，以供參考。

2 某市政道路施工問題

2.1 工程概況

以某市政道路工程為例，其中一個標段的主要施工任務為城市新區快速路建設，該市政道路全長5.8 km，規劃紅線60～100 m。工程建設區域場地屬長江三級階地地貌，地勢總體平坦、多為湖泊與湖積平原，局部略有起伏，呈剝蝕堆積地貌，巖土層自上而下依次為雜填土、淤泥、粉質黏土、含碎石黏土、強風化泥灰巖及灰巖、黏土巖夾灰巖，各地層地質參數見表1。

表1 工程建設區域各地層地質參數

2.2 市政道路施工面臨問題

該項目在針對K1+255～K1+300 段開展現場勘察時發現，該施工區域原為湖灣沉積相，湖泊底部淤泥質軟土層厚5～7 m。受市政道路規劃開發影響，在場地范圍內填入2 m 厚雜填土，采用水泥攪拌樁施工方案完成場地處理。但受外部因素影響，在項目施工過程中停工2～3 個月，加之連續多日降水后，在該路段沿輔道中線走向處發現路基隆起現象，路基基底產生塑性變形，且現場布設的水泥攪拌樁出現傾斜、斷裂等問題。經施工團隊現場勘察與調研，判斷造成路基隆起、變形的原因如下。

1）在施工路段停工期間，周圍房建工程開始動工，將基坑開挖土方清運至鄰近施工道路紅線側，高約6.5 m 的棄土堆對市政道路下伏軟弱土層產生擠壓力。

2）原水泥攪拌樁施工擾動軟弱土層，且攪拌樁強度不足以抵抗棄土堆擠壓作用下形成的側向位移。

3）在停工期間遇連續多日降雨，因雨水下滲使土體自重大于原軟弱土層承載力，影響市政道路建設質量。

3 軟基處理施工方案及關鍵技術

3.1 軟基處理方案

基于現場調研結果可知，施工區域地質條件不利于深基坑開挖作業，在路基范圍內原水泥攪拌樁未達到設計強度，改用抗滑灌注樁等施工方案工程造價較高。在現場勘察過程中發現，鄰近施工道路挖出土方頂部存在寬10～30 cm 裂縫，沿路基隆起邊界開挖時可見軟土層滑移現象，在市政道路左幅水泥攪拌樁施工邊緣的斷面存在3 個滑弧剪出點，由此確定圓弧滑動面分布位置。經施工團隊組織論證，最終確定采用鋼板樁支護施工方案，以道路紅線為分界線將滑動面劃分為Ⅰ區和Ⅱ區兩個區域，將鋼板樁沿分界線穿過圓弧滑動面、嵌入淤泥層下方一定深度處，充當臨時支護結構，待水泥攪拌樁強度形成、鄰近道路紅線棄土堆移除后，即可將鋼板樁拆除，并支持回收后循環利用。

3.2 鋼板樁支護施工關鍵技術

3.2.1 鋼板樁選型

根據道路施工區域水文地質條件，將棄土堆視為均布荷載，主動土壓力、被動土壓力與水壓力的調整系數均取值為1.0。結合各地層地質參數計算鋼板樁嵌入各地層的深度（見表2），分別獲取不同嵌入深度下鋼板樁承受土體壓力的分布特征，例如，在路面處鋼板樁承受的主動土壓力6.78 kPa、被動土壓力為0 kPa，在深18 m 處鋼板樁承受的主動土壓力190.3 kPa、被動土壓力為752.98 kPa。經抗傾覆力矩、抗隆起量及安全系數驗算，確認鋼板樁在道路紅線處打入土層的深度≥13.9 m，打入棄土堆部分外露高度≥4.1 m，打入粉質黏土層深度≥6.7 m，由此在鋼板樁選型環節，選用拉森Ⅳ-400 mm×125 mm 型鋼板樁，鋼板樁長度包含18 m 與24 m 兩類。

表2 鋼板樁嵌入地層深度計算結果

在鋼板樁施工前，協調房建項目負責人停止堆放棄土，對鄰近道路紅線3 m 范圍內棄土執行現場清理作業，將路基整平至設計高程，再將路基隆起部位挖除，并避讓原道路路基隆起部位斷裂、傾斜的水泥攪拌樁，以一定間距選擇臨近點位重新施打。

3.2.2 安裝導向架

選用工字鋼與高強螺栓以焊接形式連接，與兩側圍檁槽鋼配合組成鋼板樁支護結構，利用可調旋轉基座將鋼板樁橫向支撐結構定金，并調節支撐層次及標高。在安裝導向架環節，采用導梁、圍檁組成單層雙向導向架體結構，由現場施工人員利用經緯儀、水準儀測放出架體安裝位置，確認導向架安裝高度與垂直度，并嚴格控制導向架與鋼板樁的間距，為鋼板樁施打提供良好條件。

3.2.3 施打鋼板樁

待完成前期施工準備與現場踏勘后，控制履帶吊進入施工區域停留在道路右幅路面處，逐根查驗鋼板樁外觀質量，確認無銹蝕或變形問題，在鎖扣內涂抹適量潤滑油脂。在正式施打鋼板樁環節，控制振動錘勻速下降，將鋼板樁逐漸下放至夾扣處，啟動液壓設備將鋼板樁夾緊；隨后控制振動錘勻速上升，使鋼板樁恰好位于打樁點上方，對準鎖扣后釋放振動錘，利用錘擊與鋼板樁自重將樁體打入土層下方指定深度處，捶打30 s，樁體距設計高度約30～40 cm 時停止振動，借助振動錘的慣性作用將鋼板樁壓入堅實土層，使鎖扣實現順利咬合。在施打鋼板樁過程中，施工人員需密切觀察樁體垂直度，將樁體軸線偏差、樁頂標高偏差均控制在±10 cm 以內，當測得樁體傾斜度大于2%時，需將其拔起并重新施打。待將鋼板樁打入土層后，松開液壓夾扣使錘體恢復指定高度，及時開展鋼板樁閉水試驗，對滲漏點采取修堵措施，并準備施打第二根樁。

3.2.4 鋼板樁拔除

待完成基坑回填后，由施工人員逐樁測量鋼板樁打入深度，判斷拔樁難易度，采用振動錘拔樁法將鋼板樁拔除，并在拔樁過程中避讓地下管線與水泥攪拌樁，對拔樁后產生的土孔采取分層灌水搗實法。此外，現場施工人員需在基坑兩側設置截水明溝、坑內布設臨時排水溝，并落實支護結構位移量、基坑沉降量監測，保證基坑支護質量。

4 施工效果檢驗與評價

4.1 建立計算模型

4.1.1 軟基固結沉降變形模型

由于軟基的沉降主要包含固結沉降變形、塑性變形等，因此，引入比奧固結理論建立二維固結控制方程。在軟弱地基沉降、固結狀態下建立平衡微分方程：

式中，γ 為土體重度，g/cm3；μ 為孔隙水壓力，Pa；G 為土體剪切模量，Pa；υ 為泊松比；i 和j 分別為小應變下，幾何方程中x向、y 向的位移分量，mm。

利用上述方程式可求解出i、j 兩個未知量，還需引入連續方程求解未知量μ，基于達西定律，將飽和土中水的滲流速度設為q，單位m/d；滲透系數張量（kx，ky）為k，單位cm/s[3]。當單位飽和土體內水的體積發生變化，其變化量等同于水從單位飽和土體邊界流入/ 流出時的體積，已知飽和土應變為ευ；拉普拉斯算子為Δ2；流體流動時間為t，單位s，則軟基市政道路的比奧固結連續方程滿足以下條件：

4.1.2 土體塑性變形控制模型

基于德魯克-普拉格準則與非關聯流動法則，用應力不變量i1、j2表示土體彈塑性變形的屈服條件，將描述土體內摩擦角的常數記為αφ；土體黏聚力常數記為kc；土體發生塑性變形的載荷為f，單位Pa。建立以下方程判斷土體是否發生塑性變形、屬于軟弱土體：

4.2 有限元分析與現場測試結果

采用有限元法建立斷面施工區域模型，對模型施加重力荷載與水壓力完成靜態應力求解，將鋼板樁設為固體單元，彈性模量為2×105MPa，泊松比取值為0.2，鋼板樁支護結構的剛度系數為8.8×105kN/m，獲取沉降觀測期間模型滲透系數計算結果（見表3）。從中可發現，鋼板樁支護結構在30 d 內應力變化處于穩定狀態，周圍土層已基本結束變形，僅在1.5 m 高程處的水平位移出現輕微回彈現象，累計位移量13.4 mm，遠小于臨界值50 mm，符合軟基形變控制要求。

表3 模型滲透系數計算結果

表3 中，kx是x 方向的滲透系數；ky是y 方向的滲透系數。

5 結語

采用鋼板樁臨時支護施工技術可有效抵抗軟土路基施工過程中鄰近棄土堆對施工部位產生的擠壓變形作用，為水泥攪拌樁的重新施打提供良好施工條件，防范樁體再次出現斷裂、傾斜等問題。測試結果顯示，經鋼板樁支護后，復合地基承載力突破100 kPa，后期監測結果表明路基沉降量、軟基形變量均控制在允許范圍內，證明鋼板裝支護作業順利解決了軟基處理問題。未來還需持續研究關于市政道路軟基處理工藝、置換填土成分的優化設計方案，嘗試引入高強度塑鋼材料提高現有支護結構強度與路基承載力，為后續同類復雜路況下施工方案編制提供示范經驗。