滨海地区钢板桩支护结构坍塌原因分析及治理_杨浩.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023451滨海地区钢板桩支护结构坍塌原因分析及治理杨 浩（中铁十九局集团广州工程有限公司，510000，广东珠海）摘要：地下工程支护结构变形、坍塌，是地下工程常见且风险系数较高的病害之一，在滨海地区尤为常见，针对地下综合管廊工程钢板桩支护结构坍塌的问题，主要介绍了如何以快速、高效、低价的治理思路及措施，以及支护替换、分段治理、合理分析、结合监测的治理原则为出发点，成功完成珠海某地下综合管廊工程钢板桩支护结构坍塌病害的治理。关键词：综合管廊；钢板桩；坍塌；原因分析中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)04-0451-04cAusE ANAlysis AND TrEATMENT oF collApsE oF sTEEl sHEET pilE supporTiNG sTrucTurE iN coAsTAl ArEAYAnG Hao(China Railway 19th Bureau Group Guangzhou Engineering Co.,Ltd.,510000,Zhuhai,Guangdong,China)Abstract:Deformation and collapse of supporting structure of underground engineering is one of the common diseases with high risk factor in underground engineering,especially in coastal areas.In this paper,aiming at the collapse of supporting structure of steel plate-stake in underground comprehensive pipeline corridor project,the author mainly introduces how to control the collapse of supporting structure with fast,efficient and low cost,and the principle of support replacement,segment treatment,rational analysis and combined monitoring.Successfully completed the treatment of collapse disease of steel sheet-pile supporting structure for an underground comprehensive Corridor Project in Zhuhai.Keywords:comprehensive pipe gallery;steel sheet pile;collapse;cause analysis1 工程概况工程位于广东省珠海市平华大道，全长2.65 km，基坑为线型走向，所处地区地下水位平均 1.5 m，最高时达 2 m，土质以淤泥土为主，本工程施工方式为明挖法施工，采用的主要支护形式为钢板桩加两道钢支撑进行支护，被动区土体采用格栅状水泥搅拌桩进行加固，基坑跨度 13.6 m，基坑深度 5.65.8 m，属于深基坑工程，基坑支护断面示意如图 1 所示。现今本工程基坑支护施工已全部完成，出现事故的位置共计 4 处，两处轻微变形，形式为钢板桩顶部及一道支护结构变形，两处较为严重，形式为钢板桩底部发生踢脚二道支护结构变形，最为严重的部位发生于 2021 年 6 月 10 日，发生坍塌后随即对基坑进行回填以及防坠处理，立即成立应急小组，开始收集相关数据，着手展开调研，提交方案，展开治理 工作。D580 t=12 mm4.54.51.52.6 0.51.513.62.52.7h=5.65.8h1=18h安全护栏安全护栏截水沟换撑混凝土1.50018 m 钢板桩18 m 钢板桩图 1 基坑支护断面示意2 病害原因分析经现场踏勘和实地调查，结合设计文件及相关计算，认为原因是多方面的，具体包含以下几个方面。2.1 设计因素被动区土体加固桩采用的是湿法施工，根据现场实际情况来说，成桩效果不好，开挖出的土方多为淤泥，所以针对该问题，考虑人为因素、地质、水位等诸多因素干扰易导致成桩效果不理想，建议改换干喷法效果会更好。本工程沿线旁侧约 20 m 位置存在范围不小的湖收稿日期：20230201作者简介：杨 浩（1998），男，山 东 青 岛 人，e-mail:136119 .建 筑 技 术第 54 卷第 4 期452泊及河流，进入雨季后降水量大湖泊水位上升速度快，但设计未对该位置采取适当缩小间距等措施，已保证支护结构有足够的安全系数，而是采用与其他舱位一致的支护结构形式及模数，存在对周边环境估计不足的问题。2.2 施工因素（1）被动区土体加固搅拌桩施工质量差，存在漏打、未打、水灰比不符合要求等情况，是导致开挖后土体大部分还为淤泥的原因之一。（2）土方开挖未按专项施工方案分层、对称取土，取土过快，导致支护结构应力变化过快。（3）钢支撑施工时为图施工的便利，未正中且完全贴合的安装在围檩上，导致围檩出现偏心受压，受力面积缩小应力集中等受力状态不佳的问题出现，且围檩架设前未按设计要求对围檩上下翼缘板位置进行加肋处理，导致该位置较为薄弱容易破坏，且随意改变支撑间距，导致围檩受力过大造成破坏。（4）支护结构施工质量不佳，连接部位补强材料和焊点设置不足，致使强度不够，造成支护结构破坏。（5）本工程因场地受限，导致基坑旁侧有多处附加荷载，比如土方车，挖掘机距基坑 4 m 作业，便道距基坑约 10 m，并且开挖顺序存在问题，本应沿开挖面方向进行开挖、运输，来避免已开挖支护完成段反复受附加荷载作用，但现场该段施工采用方式恰恰相反，导致机械、车辆对土体反复作用，形成附加荷载对土体及支撑产生影响，附加荷载对支护结构作用范围的计算及附加荷载分布情况如图 2 所示。钢板桩基坑边荷载便道荷载基坑底部图 2 附加荷载分布情况示意 hi=xi tan（），=45+/2（1）式中：hi为附加荷载作用在钢板桩的高度；xi为附加荷载距钢板桩边的距离；为土的有效内摩擦角。得附加荷载作用于 4.228.43 m、10.5414.75 m范围内。（6）从上述计算及图示中可以看出附加荷载作用在第二道撑位置以下，同时也印证了现场为何二道撑受影响最为严重和安装下部加强肋的必要性。钢板桩设计长度为 18 m，现场采用 12 m 钢板桩，抗倾覆能力严重不足，抗倾覆验算如下所示：()21+=+DNqcNcKsHDq（2）式中：H 为基坑开挖深度，m，取 5.8 m；D 为墙体入土深度，m，取 6.2m；1为坑外地表至钢板桩底，各土层天然重度的加权平均值，kN/m3，按该舱位现场实际情况素填土较少所以均按淤泥土进行取值，取 16 kN/m3；2为坑底以下至钢板桩底，各土层天然重度的加权平均值，kN/m3，取 16kN/m3；c 为坑底土体内聚力，kN/m2，取 6 kN/m2；q 为地面超载，kN/m2，为方便计算按无地面超载的情况计算，若仍不满足，则存在地面超载时则更不满足要求。Nq、Nc为地基承载力系数，采用 Prandtl 公式进行计算，Nqp=tg2（45+/2）etg Ncp=（Nqp1）1tg（3）式中：e 为土体孔隙比，取 1.8。得 Ks 0.76 1.5，抗倾覆能力不符合要求。（7）施工过程中对于第三方检测数据不重视，变形前期未及时对基坑进行处理，放之任之直至发生险情方才引起重视。2.3 其他因素周边开展真空预压堆载以及桩基础施工的施工单位较多，致使土体积蓄大量能量及超孔隙水压力对土体及支护结构的稳定产生一定的影响。3 治理原则及相关要求3.1 治理原则对于基坑坍塌的处理措施遵循多道支护、分段治理、合理分析、结合监测的原则。3.2 相关要求（1）严格按照治理方案进行施工不可出现多挖超挖等情况。（2）上下道工序作业队伍应有相应施工经验的施工队进行施工。（3）应为作业施工人员配置符合国家相关要求的劳保用品及应急救援措施。（4）未对基坑处理前人员不能在事故基坑内施工作业。2023 年 2 月453杨浩：滨海地区钢板桩支护结构坍塌原因分析及治理 4 方案比选及处理措施4.1 方案比选现今对于钢板桩支护结构坍塌问题治理处理措施多采用回填土、搅拌桩、高压旋喷桩等方式平衡被动区土体，对于主动区土体则采用锚杆和加打抗滑桩进行治理。综合以上文献以及现场实际情况，一开始拟定的方案是逐步拆除支撑并回填直至全部回填至地表，拔除钢板桩并重新按照设计要求格栅状施打水泥搅拌桩，再重新做支护结构，但初设方案对于本工程来说由于受土压力作用导致钢板桩变形，从而使得钢板桩之间的卡扣摩阻力过大，致使钢板桩拔除速度十分缓慢，又因基底桩施工质量很差，如果不做任何处理，开挖后必然还要面临土体隆起的问题，所以整个25 m 长的舱位必须要重新施打水泥搅拌桩，又因上部要停放搅拌桩施工机械。为了保证机械的稳定，所以要扩大填土的范围，致使相邻两个舱位均受其影响一部分场地无法开展施工，以上种种限制导致该方案存在耗时长、造价高、作业场地不足、效果不一定理想等一系列问题。因此本着快速、高效、低价的治理思路，后经反复商讨研究决定采用先在支护结构破坏最严重的位置，先开挖沟槽，沟槽宽度为 1 m，深度为 4 m，被动区土体加固所需开挖的深度验算以及基底与槽底水压力示意如图 3 所示。土体加固所需开挖的深度验算计算公式：w(h+h0)（混凝土h0）（4）式中：w为水的重度，kN/m3，取 9.8 kN/m3；h为基坑开挖深度，m，取 5.8 m；h0为需开挖的沟槽深度，m；混凝土为 C20 混凝土以及管桩的平均重度，约取 24 kN/m3。计算得沟槽深度 h0约为 4 m。hh0基坑底部沟槽底部水压力水压力图 3 基底与槽底水压力示意随后泵入掺加早强剂的 C20 干硬性混凝土和管桩对被动区和主动区土体进行初次支护，对基底进行加固，平衡下部水压力，同时替换受损的第二道支撑，并且考虑基底水泥搅拌桩施工质量较差以及需要增加一定量的安全系数，所以计算时忽略掉被动区土压力对钢板桩的支护作用，仅考虑只在管桩作用下是否能抵抗住侧向土压力形成有效支护，管桩承载力验算及基坑初次支护及侧向静止土压力合力位置图、初次支护后支护结构弯矩图，如图 4、图 5 所示。为了方便计算，且因已对交通进行封闭仅有少量机械施工时停靠，所以先忽略地表少量附加荷载，将该部分荷载放到后面静止土合力与管桩承载力进行比较时进行考虑，合力作用点位置在钢板桩底 1/3 处，现场采用的 PHC500AB100 型管桩单桩竖向承载力最大值为2 340 kN，截面积为 0.126 m2。001/22=Eh K，,0sin=K（5）式中：为土的重度 kN/m3，取 16kN/m3；h 为由地表面算起至钢板桩底 m，取 12 m；K0为静止土压力系数；为土的有效内摩擦角，取 3；为经验系数，淤泥质土，取 0.95。最终得以 1 m 为宽度合力 E0约为 517.25 kN/m2，合力作用点在钢板桩 8 m 处，管桩作用点约为 7.8 m 左右，管桩单桩竖向承载力最大值为 18 571.43 kN/m2，位置与管桩放置位置大致相同，可以直接将管桩承载力与土体合力进行比较，得管桩承载力远大于土体合力，则一开始为了方便计算而先忽略的那一部分附加荷载，同样可以满足，又因管桩为预制材料抗压、抗剪切、抗弯出厂时已有固定值，即满足抗压一项，其余参量均满足要求，不必重复计算。静止土压力的合力基坑底部管桩沟槽底部图 4 基坑初期支护及侧向静止土压力合力位置侧向土压力图 5 初期支护后支护结构弯矩建