软土沟槽钢板桩支护施工质量影响因素及对策

先亮

(1.山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276000； 2.临沂市园林科学研究院，山东 临沂 276000； 3.临沂市沂蒙湖开发中心，山东 临沂 276000)

1 工程概况

青龙河为临沂老城区护城河，从北涑河2号景观水闸右岸上游100m处引出，自西北向东南蜿蜒8.5km贯穿临沂兰山城区，包含开敞河道、半开敞河道、社区内河、涵洞暗河等四种河道类型。上游河道宽度4～20m，两岸为重力式直立砌石护岸，有一半的河道岸线被沿河居民房屋侵占，为标准的老城区内河。青龙河在城区东南部流入小埠东干渠，汇水面积11km2，为临沂城东区主要雨、污水排放通道，水生态状况一直不容乐观。

2016年临沂市中心城区水环境综合整治工程确定了对青龙河综合治理内容，沿河建设西关老社区、新东关社区、金坛小区、金坛社区、埠东社区及东方红游园、红色广场等(见图1)。设计主题思路为在河底新铺设DN1400截污主管道，两岸入河污水、合流管网污水汇入污水截流井再流入新建截污主管道，由主管道连通下游小埠东干渠污水管进入污水处理厂。

图1 青龙河节点分布示意

2 施工情况

由于老城区设计管位地质条件复杂，地下多种管线交错且无准确的物探资料，青龙河河道整治工程施工建设指挥部决定先期进行青龙河下游五号路桥(桩号7+390)至末端小埠东灌区(桩号8+026段)636m试验段施工，借以了解地下市政管线和老污水管道的客观情况，为整条河道科学整治总结经验。试验段以上河段由指挥部组织相关专家，结合试验段施工经验及上游物探成果，对城中村段、涵洞暗河等困难段进行设计方案论证，优化设计后组织实施。试验段河底管道铺设采用开槽埋管施工，管槽基础宽度1.9m，基坑底标高59.30～59.02m，开挖深度3.0～3.5m，受地质条件和两岸岸墙限制，管道沟槽施工需要支护开挖，采用普通钢板桩支护(见下页图2)，单桩桩长6.0m，嵌固深度大于2m。

2016年4月，经指挥部专题研究，为保证管道安装质量及基坑作业安全，考虑到实验段原为老河道切滩地，河道底部淤泥积累较厚、河岸已无施工工作面等限制因素，特将钢板桩工序列为关键检验批，制定质量标准为：逐项应有 90% 以上合格率，且不合格点不应集中。

施工项目部通过施工现场实测，管槽开挖深度为3.0～3.5m范围内，地下水丰富，淤泥质土层较厚，且大部分管槽开挖边线紧邻河道3.8m高驳岸墙底。基坑支护钢板桩体将承受较大的地面荷载、水压力、土压力、倾覆力及基础浮托力，施工难度大，成桩合格率较难保证。项目部采用系统抽样法抽检普通钢板桩工序施工质量，钢板桩塑性变形造成倾覆、扭曲、渗漏及涌砂现象，从调查情况来看，钢板桩质量评定平均合格率仅为85.3%。

图2 驳岸内管道沟槽围护结构设计 (单位：mm)

3 要因分析

为了找准青龙河工程驳岸墙底基坑支护钢板桩一次成桩合格率低的症结，项目部针对施工完成的75根一次检验不合格钢板桩按质量缺陷分层统计，并绘制影响要素排列图(见图3)。

图3 普通钢板桩质量影响要素排列

经分析，桩身塑性变形的不合格频数最高，共计55件，占不合格品总数的73.3%，是造成青龙河综合整治工程驳岸墙底基坑支护不合格的主要因素。

为解决支护钢板桩一次成桩合格率低的问题，指挥部组织技术人员分别到青岛、苏州、济南的钢板桩厂家和施工工地进行专题调查。经调研，青岛市循环水厂管网工程、汾河东岸地下管廊工程基础均为河道滩涂沉积层地质，现场类似于青龙河施工现场，管槽周边存在房屋或桥墩等建筑物，荷载在100kPa以上，大于青龙河工程周边综合荷载75kPa。两项工程均采用钢板桩作为基坑支护桩(见图4、图5)，一次成桩检验合格率一直控制在90%以上。

图4 青岛市循环水厂管网工程

图5 汾河东岸地下管廊工程

经对比分析，项目部一致认为，需要结合青龙河工程中驳岸墙底软土基坑钢板桩施工的客观情况，对试验段的支护方式和支护钢板桩进行优化分析和变更，实现一次成桩合格率由85.1%提高到90%。

指挥部组织相关技术人员，对“桩身塑性变形”展开分析讨论，共收集9个末端因素：桩体宽度不规格、槽钢抗弯刚度不足、平直型锁口受干扰漏缝、振动逐根法工序不合理、未提前降水导致水压过高、操作规程未交底培训、质检人员管理不到位、基础回弹变形、瞬时激振力过高。通过对末端因素逐一分析，最终确定导致“桩身塑性变形”的三个主要原因为：槽钢抗弯刚度不足、直边型锁口受干扰漏缝和钢板桩基础回弹变形。

3.1 槽钢抗弯刚度不足

施工项目部根据实际地质勘测数据，对板桩最大弯矩和板桩材料的容许应力进行验算。

经计算桩体承受的最大弯矩为262.99kN·m/m，发生于桩顶下3.55m。40C槽钢最大弯矩和板桩材料的容许应力，一般取[f]=120N/mm2。

经计算该项目桩体承受最大应力为196.26N/mm2，承受应力超过了40C槽钢容许应力，因此桩体产生塑性变形。

3.2 直边型锁口受干扰漏缝

钢板桩通常依托不同锁口连接形成一个封闭的板桩结构，水流只能通过锁口缝隙进入围护结构内部。在正常施工情况下，施工质量有保证，锁扣闭合，不会开叉漏缝，渗流量不大，不需要进行专门止水处理。青龙河施工现场使用的是普通直边钢板桩支护，受地质情况和施工工艺的影响，成品钢板桩的连续性和防渗性都不理想。项目部对55根因桩身塑性变形造成的不合格桩进行现场检查，为单独验证直边型锁口影响，排除其他因素干扰，从桩身垂直度合格桩(倾斜度不大于1%)中取样调查，统计渗透系数超标桩数量，仅因平直型锁口开裂导致塑性变形达到10根，偏差2～8cm，超标18.2%。

因钢板桩漏缝导致沟槽内渗水严重，降排水费用增加，同时也增加了渗水产生的不安全因素，施工风险较大。经分析，钢板桩渗透系数超标的主要原因是直边锁口的不均匀咬合，需要结合新的板材改变锁口形式，实现止水和提高刚度的目的。

3.3 钢板桩基础回弹变形

施工项目部通过基底监测，发现基坑基底最大隆值达55cm，日隆起值达14cm。基坑周边地表沉降最大值29cm，最大日沉降值4cm，最大特征值集中于靠近岸墙附近。

项目部结合地质勘测资料及基底检测值，针对施工现场墙底抗隆起系数进行验证，进一步确定需要加固的基础范围。经计算现场实际KL=1.42，略大于设计规范要求安全系数1.4，只需要在沟槽距离驳岸不超过1倍基坑开挖深度范围内，进行基坑坑底加固，以提高钢板桩基础抗隆起安全系数。

4 对策制定

4.1 针对槽钢抗弯刚度不足问题，更换容许应力更高的钢板桩

针对本过程现场实际桩体承受最大应力为196.26 N/mm2，选用SP-Ⅳ型号钢板桩，其容许应力[f]=200N/mm2>196.26N/mm2。

4.2 针对直边型锁口易受干扰漏缝问题，制定改变锁口形式的对策

通过对施工常用的U型、Z型、钢管型、H型四种锁口型式的钢板桩桩机配型、基坑型式、现场空间、工期要求、适用条件五个方面综合分析，选定采用U型钢板桩套型锁口(见图6、图7)。

图6 变更前平直型锁口

图7 变更后U型锁口

对普通槽钢板桩改造后的U型拉森钢板桩是带锁口的高强度钢材,依靠锁口互相咬合形成封闭的钢板桩墙,适合在水中及地下水位以下防渗。其锁口形状为U形,抗弯强度高，施工简便快捷,适用于软弱地层及地下水丰富的地区。由于锁口处接合紧密,解决了用其他方法施工支护防渗墙时接合部位易开叉漏缝的问题,可防止较大的地下水渗漏。通过试坑法测定变更后U型钢板桩锁口最大渗透系数为8.5×10-8m/s。

4.3 针对基础回弹变形问题，制定双液灌浆加固对策

基础双液化学灌浆通过对饱和性质的杂填土、淤泥、粉砂、中粗砂以及卵石的补强加固效应，加固浆液在压力作用下向钻孔周围土体中发生渗透、劈裂扩撒。浆液包裹泥土团，土体间的孔隙、裂隙被水泥颗粒填充，水泥中的硅酸二钙发生水解和水化反应，生成氢氧化钙。氢氧化钙与灌浆水玻璃发生反应，生成细分散状的水化硅酸钙凝胶体。凝固后形成强度较高、水稳定性较好的水泥结石体，从而使地基挤密，固结强度增高，避免地基隆起现象。双液灌浆处理后基底隆起基本停止，地表日沉降值降低至1～3cm内。

5 效益评估

按照制定的对策、措施和市场费用标准，项目部对实现上述目标制定的对策进行效益评估。通过施工费用测算，减少造价6项：驳岸拆除恢复、桩围檩及支撑、钢筋混凝土板桩、40C槽钢钢板桩、混凝土传力带和排水台班费，合计减少造价1309417.91元；增加造价2项：6.0m拉森钢板桩和12.0m拉森钢板桩，合计增加造价1048537.5元。对策措施实施后可减少施工投资260880.41元。详见下表。

青龙河沟槽支护636m试验段经济效益分析表

6 实施效果检测

为验证改进措施后钢板桩施工质量整体效果，2016年9月，施工项目部连续对四个检验批钢板桩一次成桩合格率进行现场跟踪调查。经统计，对策全部完成以后钢板桩一次成桩合格率达到90%以上，目标实现。

7 结 论

施工项目部通过对钢板桩支护质量影响因素分析，采用切实可行的应对措施，有效提高了临沂市青龙河综合整治工程中驳岸墙底软土基坑钢板桩一次成桩合格率，确保工程安全有序施工，缩短了施工工期，同时节省工程投资26.09万元，为青龙河后期上游河段的施工及今后同类型工程管槽开挖支护提供可借鉴的实践性案例。