香港中环填海Ⅲ期的钢板桩结构设计与施工

摘要:

介绍了钢板桩结构在工程施工中的优势，阐述了其支撑受力计算以及结构尺寸和支撑的设定，分析了不同在支撑条件下钢板桩的入土深度计算，并对施工过程中的关键技术控制进行了探讨。

关键词：钢板桩，围囹，结构设计，入土深度，规格

一、引言

中环填海计划第Ⅲ期工程内容为在天星码头对开的海床上填取约18公顷土地，包括建筑海堤，筑建道路、公共运输交汇处和相关的服务设施，以及兴建中环湾仔绕道工程等。

在完成填筑工作之后陆续展开的雨水暗渠、排水渠和污水渠、作抽水站用途的构筑物以及冷却用水抽排水系统等基础设施建设中，钢板桩围囹结构应用广泛。因为工程地点临近维多利亚湾，海水和潮汐对基坑水位的影响颇大，而钢板桩结构具有强度大，联接紧密且不易漏水，可反复利用、方便操作等优点，在具体的应用发挥了巨大的功用。

二、钢板桩围囹结构尺寸的设定

设定钢板桩结围囹构尺寸应本着安全、经济，快速施工的原则来进行。

1、平面尺寸的设定

钢板桩结构根据拟建的设施的外边线来确定，钢板桩的内边线应距离基坑中拟建的设施外边线约1～1.5m；这个空间是考虑了未来拟建设施建设所需的人员、工具和机械的操作空间；特殊部位的尺寸放大还应与施工组织设计相对应。

2、立面尺寸的设定

香港建筑业普遍应用的钢板桩有Ⅱ号板、Ⅲ号板和Ⅴ号板，长度一般为8m、12m和16m三种。

立面尺寸的设定应考虑板桩入土深度，基坑的开挖深度，施工期间的最高水位以及安全高度，其中安全高度至少取1.0m以上。

如钢板桩的标准件未能符合以上的长度要求，则应进行接桩工序，即钢板桩对焊工作，延长钢板桩的长度以满足施工需要。

3、结构支撑的布置和形式

结构支撑中围囹的作用是贴紧钢板桩，使之连结成一整体而形成闭合的框架；在完成设置后，支撑能接受大部分来自结构外对钢板桩的横向作用力并让其分散，从而保证结构的安全稳定。

3.1支撑的层次的设定

虽然钢板桩的自身强度有抗弯曲性，但如果其挠度超过1/400，则基坑使用到后期极易出现漏水的现象且不易封堵的现象，以及在完成回填工作后不易拔出的情况。

所以在设计施工前应推算临界状态下的数据，特别是钢板桩在三角荷载下的最大跨径，防止因支撑层次不够而导致钢板桩挠度变形过大。

在一般情况下，8米长度的钢板桩（入土2.5m计），应设置两道围囹；12米长度的钢板桩（入土4.0m计）应设置三道围囹。

3.2支撑的形式的设定

支撑形式分为直撑和斜撑，刚性材料中工字钢材料规格152*152*23mm、203*203*46mm以及254*254*89mm应用得最多；这种材料也便于周转。

通过反复计算，在保证安全的情况下，充分发挥围囹的抗弯强度和压杆的抗压强度，尽量少用支撑。

3.3支撑的位置的设定

除了要符合力学计算外，设定支撑位置（间隔）的原则还包括：支撑的位置应尽可能不与基坑中拟建的设施重叠，如实在无法避让，则应考虑配合设施的分层分期施工，以及便于支撑材料的回收；通过计算灵活设置直撑和斜撑。

三、钢板桩结构的计算

1、钢板桩最小入土深度的计算

土质情况是计算深度所必须着重考虑的因素。在土质疏松的情况下，钢板桩的下端容易移位；在土质均匀密实的情况下，则钢板桩的下端较为稳定；上述两种情况分别假定为简支状态和弹性嵌固支承状态，应按结构的施工顺序分别计算钢板桩最小入土深度。

上部围囹设置后挖掘或抽水到底部围囹标高时，钢板桩的受力较小,可将钢板桩的下部视为简支状态，对上部围囹直撑点取矩，即∑MA=0，可直接计算出入土深度,继而计算出反力。

底部围囹设置后挖掘或抽水至基坑底部时，钢板桩和围囹受力最大，此时最小入土深度的计算分两种情况：

1．1 钢板桩下部视作简支状态时，受力分布图如下：

首先近似地将外力分配到围囹支撑上，每道支撑受力取上下各半跨的荷载，包括水压力和土压力，分别计算出各支撑反力T1、T2、T3・・・Tn，其中Tn中含有钢板桩的入土深度。然后对第一道支撑点取矩，即∑Ma=0，即可推算出最小入土深度，再求出被动土压力。

1．2 钢板桩下端看作弹性嵌固支承状态时，受力分布图如下：

这种情况下，视作一端嵌固的连续梁的钢板桩可采用等值梁法计算。

先找出板桩下端弯矩零点K ，并在此点为界将钢板桩分为两根对立的梁来计算，对应的梁段同原梁内力相同。一般弯矩零点与板桩下端净土压力零点位置接近，故近似用净土压力零点作为弯矩零点。具体步骤为:

A、出土压力零点K的位置,根据墙前主动土压力等于墙后被动土压力,求出K 点距基坑底距离u；

B、将板桩A K 段作为多跨连续梁,用力矩分配法计算出板桩最大弯矩内力,并求出反力T1、T2、T3・・・Tn和剪力Qk；

C、桩KG 段为简支梁,取ΣMG = 0 即可求出x；

D、墙前被动土压力作用点实际与桩底的距离为Δx ,一般取x 的20 %；

E、桩的最小入土深度= u + 1.2 x。

因中环填海的18公顷土地是吹填砂施工所得，基坑容易发生流砂的现象, 故钢板桩的入土深度还应满足k≥rw ( h1 + h2) / 2 r1。式中k 为安全系数,取1.5；rw、r1 分别为水的密度和土的密度。

2、围囹支撑计算

在以上演算钢板桩的最小入土深度时，围囹的受力已求出为T1、T2、T3・・・Tn；围囹按其所受的最不利荷载分别计算。如果T1、T2、T3・・・Tn是按每米板宽计算的反力，则围囹所受的均布荷载即为：q1 = T1，q2 =T2，・・・qn =Tn。

围囹在支撑施工时焊成整体，形成封闭刚架，计算模型为均布荷载下的封闭刚架，各支撑对称布置。计算按对称荷载下的对称结构简化。按力法计算出x1 , x2 , x3 ,可计算出围囹内力和支撑受力。

围囹最大弯曲压应力为:δmax = N max/ηA ±Mmax/ w 且δmax ≤（δw）。支撑均为压杆，按两端铰接的承压杆确定其允许压力:δ≤ψ（δ）。

3、钢板桩强度验算

施工前还应进行强度验算，如桩体的允许弯拉应力和最大弯矩的数值未能满足强度要求，则还要增加围囹支撑或围囹层数。

四、钢板桩施工

钢板桩施工应根据现场的条件和工程地质条件，合理布置施工现场，确定核算的施工程序，配备合理的的施工设备和劳动力资源。

为防止钢板桩弯曲变形，应选择平坦的场地来进行堆叠；并以约10片钢板桩一组，逐层插垫工字钢或短的钢板桩，因木方强度不够，不建议使用作为垫木；为安全计，堆叠高度宜控制在1.8m以下。

钢板桩施工步骤分为桩线路的定位放线，桩和打桩机械到位，安装导轨，插打桩以及监测控制几个方面。插打钢板桩前清除卡口内杂物并涂以黄油,以减少插打时的阻力。施工采用单根插打，并在角桩处合拢的办法，该法施工效率较高。

钢板桩的插打工作完成后，即可展开围囹的安装施工，步骤见下图：

两道围囹施工先从地面或海面开挖或抽水到第一层围囹下方大约1m处后，进行第一层围囹的安装；完成后继续开挖或抽水至第二层围囹下方大约1m处后，进行第二层围囹的安装；完成后一次开挖或抽水至设计基坑底面。同样，更多道围囹施工亦参照此方法。

当围囹和钢板桩之间有不密贴的地方时，需要在空隙处加焊胀角板，以保证围囹受力均匀。

五、结束语

在设计阶段，计算钢板桩最小入土深度是重点也是难点之一，关键还是要对土质情况的准确把握。在相同土质和支撑条件下,板桩下端嵌固时最小入土深度大于其下端作为简支时的最小入土深度，但下端作为简支时的支撑反力明显大于下端作为嵌固时的反力。

在施工阶段，倾斜度控制是难点之一，因为钢板桩的插打是单根法插入，桩的上部是自由状态，下部是靠卡口连接，阻力分布不同，当倾斜度超过1%时难以继续插入。施工中可以采用震钳上下震动的方法，或反向预留倾斜度的方法，或下端开反力斜面的方法来控制倾斜度。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。