型钢支护桩应用新思路

型钢支护桩应用新思路

陈林红

（哈密建筑勘察设计院（有限责任公司） 新疆哈密 839000）

摘要：充分利用型钢材料的特点，利用其小体积、高强度、易加工、易施工等优点来解决中小型基坑支护问题，可以处理地下水位高，空间相对狭小的基坑工程，可在缩短工期、控制造价等方面发挥良好的效益。

关键词：型钢；支护；地下水；场地；狭窄；中小型

引言：作为土木工程的从业者，基坑工程是我们绕不开的重要课题，无论是房屋建筑还是市政工程，在基础施工前都要进行基坑（槽）的开挖。由于不同的基坑涉及到的水文地质环境、周边场地条件等的不同，基坑的开挖难度和风险也差别很大，基坑事故也屡有发生。而基坑安全事故往往伴随着人员的伤亡和重大的经济损失，同时也会大大延误项目工期。因此，国家建设行政主管部门多次下文强调基坑工程等危险性较大的分部分项工程必须进行专项设计和制定专项的施工方案，以此来保证工程安全顺利实施。

关于大型、复杂的基坑工程的专项设计和研究文章已经很多，同行前辈们已经做出来卓越的努力并取得了优秀的成果。本文仅对中小型基坑工程遇到的支护问题进行初步的研究和探讨，并将着重探讨型钢支护桩在中小型基坑工程中的应用特点和优越性。

1. 中小型基坑工程的特点

中小型基坑的特点主要体现在以下几个方面：

1.1 项目投资较小

一些中小型项目，由于总投资有限，因此在各个分部工程中都需要考虑施工措施对工程造价的影响，合理可行的方案对于控制项目总投资至关重要。

1.2 项目占地范围较小

一方面是项目本身体量较小，占地面积较小；另一方面场地环境受周边已有道路、建筑等设施限制，施工场地较小。

1.3 基坑深度较小

普通中小型建设项目，一般含1~2层地下室时，基坑深度多为5~10m；部分市政基础设施配套项目（如消防水池、污水处理站、中转提升泵站等），项目虽小，基坑深度却也达到6~10m，个别基坑甚至超过10m。

2. 项目区位优势或劣势

区域位置的不同导至社会发展程度有差异，工程建设外部条件差异也很大。

2.1 大中型城市的优势

越是项目集中，项目数量、规模越大的城市，市场条件就越充分，直接反映出来的就是各种人才、机械、材料等的集中，各种先进的工程手段和工艺可以得到实施和发展。因此，在大中型城市或其周边区域，任何项目，不论规模大小，都可以大胆进行工程方案设计，实施起来也不会花费过多的额外成本，即可解决各类型的基坑支护问题。

大中城市的区位优势得以彰显。

2.2 小城市的劣势

在一些偏远的小城市，缺乏专业人才的同时，还缺少新型的材料，先进的大型设备。在偏远地区偶尔实施的国家投资的大型基础设施项目自不必说，任何资源都可调配。而这些地方更多的是中小型项目，在这些项目的基坑工程方案设计过程中，岩土工程师就不得不考虑支护形式、工艺手段、机械设备的限制。

偏远小城市的区位劣势显现无遗。

3. 型钢支护桩的特点及应用场景

以上讨论到的中小型项目基坑工程，当其位于偏远小城市，基坑深度相对较大，场地开挖受限且地下水水位较浅时，常规的基坑开挖方案和支护方式要么无法实现，要么代价高昂。这时候，可以考虑采用型钢支护桩来解决基坑支护的问题。型钢支护桩具有以下几项较为明显的优势：

3.1 强度高

型钢材料具有很高的抗弯、抗拉及抗剪强度，当遇特殊需要时，还可以选用更高的钢材等级以满足设计计算需求，如Q235、Q345等。

3.2 体型小

在相同受力状态下，采用型钢比采用钢筋混凝土可以获得更小的截面尺寸，因此可以更容易应用于狭窄空间的施工环境。

3.3 易加工

钢材具有非常明显的加工优势，首先成品尺寸有固定规格，也可特殊定制，原材料到了现场以后还可以根据不同部位不同尺寸需求进行切割、打孔、焊接等，而且钢材具有一定的可塑性和很好的韧性，这也为后期加工带来很大的方便。

3.4 易施工

型钢在施工现场按设计要求加工成型后，按要求的部位进行吊装即可，当然，作为支护桩来说，需要把型钢嵌固到基坑以下的土层中，需配备击打型钢如图的适用设备，如大型挖掘机、震冲锤或静压机，对于一般细颗粒土层来说，一般挖掘机即可满足施工要求，设备易调用，可以避免大型成桩设备的调运。

3.5 应用场景

型钢支护桩体系主要适用于基坑深度5.0~10.0m，有地下水（无地下水当然也可以），细颗粒土层（黏性土、粉土、砂土、最大粒径30mm的圆砾），基坑边无大荷载及重要的建构筑物，施工场地狭小的项目。

4. 型钢支护桩应用实例分析

笔者所在的新疆哈密市，地理位置属于东疆盆地、天山山脉东段末端，西距首府乌鲁木齐约600公里，东距兰州约1300公里，是典型的偏远地区小城市。哈密市区位于哈密冲洪积平原下缘的绿洲，地层以细粒土为主，地下水位一般5.0~20m不等。

2020年初我公司参与完成一个污水处理提升泵站的基坑支护设计任务，现将该项目的设计施工过程进行简要的介绍。

4.1 项目概况

该项目大部分为地下结构，地上局部一层管理用房，地下污水池埋深约5.7~8.4m，结构类型为混凝土框架结构，筏板及独立基础，构筑物长约16m，宽约14m，基坑南侧距离已建成的主干道距离约8m，东西两侧距离高压电塔及民房约6~8m。

场地土层自上而下分别为：

①杂填土：厚度0.5~1.0m，干、松散。γ=17kN，c=5kPa，φ=18°。

②细砂：厚度约5.0m，中密。γ=16kN，c=2kPa，φ=28°。

③粉土：厚度约2.0~3.0m，中密。γ=18kN，c=15kPa，φ=22°。

④圆砾：厚度大于8m，局部以砾砂为主，饱和，中密状。γ=21kN，c=0kPa，φ=40°。

地下水位深度约为5.0m，地下水对基础施工有明显影响，需要考虑将水及截水。该项目在初期开挖和支护设计时遇到如下几个方面的难题：

1. 场地受限，不能大比例放坡开挖到底；

2. 地下水位高，基础位于水位以下，需要进行降水，管井降水条件不满足且工期太长；

3. 人工挖孔灌注桩无法施工，常规的钻孔灌注桩又因为小城市没有现成的成孔设备，而且基坑规模太小，调运大型成孔设备单位成本太高。

4.2 支护方案设计

为了解决以上各个难点，我单位在项目现场进行了验证性施工，试验型钢桩的成桩可行性、施工进度、成桩效果，通过现场试验，发现型钢支护桩方案在达到设计强度要求的同时可以解决以上的施工难题，因此最终确定采用型钢支护桩进行基坑支护，同时为了解决型钢弹性较大而刚度相对较小带来的顶部位移较大的问题，在支护桩上部增加一道锚索，既控制了支护体系的位移，减小型钢截面尺寸，同时增加了支护体系的稳定性和安全系数。

图1 型钢支护桩体系剖面示意图

当支护体系确定以后，即可进行详细的设计计算，计算过程可以采用行业常用基坑设计软件来完成，比如理正、库仑等常用软件均可。在设计过程中我们发现，当型钢截面尺寸满足抗弯计算的同时抗剪强度也满足设计要求，因此型钢支护桩截面设计是由弯矩控制的。

4.3 施工过程

在开挖至预定桩顶标高以下约0.5m处（水位以上）进行型钢桩成桩施工，施工过程临时加工了桩帽，采用挖掘机的免爆震动头顺利完成了成桩入土的工序，在施工过程中不断改进桩帽的构造，尽可能的增加其可重复利用的次数，成桩效率。

该项目采用的型钢支护桩体系为哈密市基坑支护工程的第一例实际应用，具有非常重要的工程实践意义。

6、结论

6.1 由于型钢支护桩的整体刚度相对较小，水平位移变形较大，往往需要配合锚索一起形成支撑体系，以此达到既满足支护体系强度，同时满足变形控制要求的目的。

6.2 型钢支护桩具有很强的环境适应性，施工简易性，材料、设备易获得性，同时造价相对钢筋混凝土钻孔灌注桩较低，结构体系受力明确，便于计算，稳定可控。因此具有很广阔的应用前景。