摘 要：现以天津干线天津4段输水箱涵为例，介绍了基坑开挖钢板桩垂直支护的设计，根据钢板桩的实际受力状况建立力学模型，通过理论计算，确定钢板桩的实际受力及支护结构的稳定性，以确保支护结构的精确性和安全性，从而满足工程施工需要。着重从作用于板桩上的土压力强度及压力分布、计算反弯点位置、计算反弯点位置计算钢板桩的最小入土深度、钢板桩稳定性验算等几个方面进行理论计算分析。此外还简单介绍了钢板桩的施工工艺和方法，及在施工过程中的注意事项。在工程施工过程中密切关注钢板桩位移情况，通过测量人员定期对钢板桩位移进行测量观测，进行统计分析得出钢板桩位移距离均在允许范围之内。受力分析和安全稳定计算为钢板桩施工提供有利的理论基础，为了输水箱涵顺利施工奠定了基础。
关键词：钢板桩,受力,支护,设计,分析
1 引言
由于多数水利施工单位一般进行野外施工，遇到须在边坡支护条件下开挖的情况较少，需支护的地段常常凭感觉或草率参照其他项目的支护方案，对基坑进行粗略支护。这种做法往往会因工作人员经验不足、现场地质情况复杂而出现意外，对工程质量及生命财产造成威胁。因此，对基坑进行科学、合理地支护，是保证工程质量，维护人身安全，减少财产损失的必要措施。
基坑的支护形式和所选材料种类很多，应根据项目的具体情况采用合理的支护方案，本文以天津干线天津市4段边坡支护为例，着重通过对钢板桩支护的受力分析【2】，计算方法及施工步骤作了详细阐述。
2 主要计算内容
钢板桩支护设计中主要进行以下计算：①钢板桩内力计算。②支撑系统内力计算。③稳定性验算【3】。
3 钢板桩支护计算
3.1 工程概况
天津干线天津市4段项目位于天津市境内，由输水箱涵段、星光路公路涵、外环河出口闸3大部分组成。设计流量18 m3/s，加大流量28 m3/s。
本工程土方工程主要工程量：土方开挖：78.81万m3，土方回填：63.75万m3。根据设计要求，本工程在桩号XW151+021.365～XW151+614和XW151+664～XW152+036处设置钢板桩对开挖基坑进行单侧支护，在桩号XW152+740～XW152+930处设置钢板桩对基坑进行双侧支护。
根据施工地区地质资料【4】知基坑内、外土的天然容重加权平均值 ， 均为：18 kN/m3;内摩擦角加权平均值Φ：20°;黏聚力加权平均值C：18 kPa;基坑开挖对钢板桩稳定性要求最高的断面如图1。
以图2钢板桩布置型式进行钢板桩稳定性计算。
3.2 作用于板桩上的土压力强度及压力分布
因钢板桩表面竖直、光滑，墙后填土面水平，符合郞肯土压力条件，故有：
式中：Ka—主动土压力系数;Φ1—土体内摩擦角【5】。
表面土压力强度为：
式中：δa—表面土压力强度;q—土体表层均布荷载，因土体表面没有均布荷载故q=0;Ka—主动土压力系数;c1——土体黏聚力【5】。
由于开挖施工前进行了降水作业，土方施工在干场上进行则底层土压力为：
式中：δb—表面土压力强度;Ka—主动土压力系数;c1—土体黏聚力。
则压力分布图见图3。
3.3 计算反弯点位置
假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，设其位于开挖面以下y处，则有：
整理得：
= 式中：y—基坑底部至钢板桩上土压力为零点距离; ， —坑内外土层的容重加权平均值;H—基坑开挖深度;Ka—主动土压力系数;Kpi—放大后的被动土压力系数。
由以上计算可知，钢板桩上受力为零点至基坑表面距离为1.238 m，则上部钢结构受力简图见图4。
3.4 桩体的最大弯矩
由《上部钢板桩受力简图》可得最大土压力强度Qb为：
设最大弯矩处距钢板桩插入地基处为x，则有：
由 得，最大弯矩Mmax为：
由以上计算可知最大土压力强度Qb=75.23KN/m，最大力矩Mmax=256.41KN·m/m。
3.5 计算钢板桩的最小入土深度
由等值梁法可求算钢板桩的最小入土深度【6】，设桩的反转点以下x为最小入土深度所在高程，则 t0=y+x 如桩端为一般的土质条件，应乘以系数：1～1.2即：
= (1～1.2)t0
取，则由得：
则：
式中：Qb—最大土压力强度; ， —坑内外土层的容重加权平均值;Ka—主动土压力系数;Kpi—放大后的被动土压力系数;x —最小入土深度所在反转点以下高度;t0—计算所得最小入土深度;t —实际最小入土深度。
由以上计算可知钢板桩实际最小入土深度为4.46 m。
3.6 钢板桩选型
采用36B型14 m工字钢板桩，取折减系数 则：
式中：δmax—桩身最大应力;Mmax—钢板桩所受最大弯矩;W—钢板桩截面地抗矩;β—对钢板桩截面抵抗矩的折减系数;[f]—钢板桩抗折强度【7】。
由于桩身所受最大应力小于钢板桩的抗折强度，可知36B型钢板桩强度能够满足施工要求。
3.7 钢板桩稳定性验算
根据工程情况需要对基底抗隆起稳定性进行验算【6】，以结构底平面作为求极限承载力的基准面，可由以下公式求抗隆起安全系数
式中： ， —坑内、外土层的容重加权平均值;c—桩底处地基土黏聚力;q—坑外地面荷载;H—基坑开挖深度;t—钢板桩入土深度; 、 —地基承载力系数;Φ—桩底处地基土内摩擦角; —抗隆起安全系数，根据基坑重要性取值。
则有：根据设计规范抗隆起安全系数Ks应大于1.7，本工程Ks=1.81>1.7，满足规范要求，能够满足钢板桩稳定要求【8】。
由以上计算可知：标段双侧支护处采用钢板桩入土深度大于4.46 m时，能够满足基坑稳定性要求，则最小桩长Lmin=4.46+7.30=11.76 m。因文中计算断面为标段对钢板桩施工要求最高的断面，则工程全线采用L=14m钢板桩能够满足基坑稳定性要求。
在具体施工过程中采用了保守的“一纵一横”的施工方法施打钢板桩，见图5。同时在基坑结构方面在钢板桩一侧布置了深2 m左右的一级马道，降低钢板桩的净高度增加钢板桩的埋深，减小背后土压力，进一步提高支护的安全性.
4 构造要求
①为防止接缝处漏水，在沉桩前应在锁口处嵌填黄油、沥青或其他密封止水材料，必要时可在沉桩后坑外注浆防渗。
②在基坑弯道处的支护钢板桩，应根据弯道的平面形状做成相应的异形转角板桩，且转角桩和定位桩适当加长。
5 钢板桩支护施工过程
钢板桩采用履带式液压挖土机KATO-1250带VH-2000液压振锤的锤机施打，施打前先查明地下管线、构筑物的情况，测放出支护桩中心线。在施打中考虑到钢板桩较长，钢板桩容易向一边倾斜，由于倾斜误差积累不易纠正，难以控制钢板桩墙的平直度，所以钢板桩施工拟采用屏风式打入法【10】。
5.1 钢板桩施工的一般要求
①钢板桩的设置位置要符合设计要求，便于混凝土箱涵基础施工，即在基础最突出的边缘外留有支模、拆模的余地【11】。
②打桩前，对钢板桩逐根检查，剔除连接锁口锈蚀、变形严重的钢板桩，不合格者待修整后才可使用。
③基坑护壁钢板桩的平面布置形状应尽量平直整齐，避免不规则的转角，以便标准钢板桩的利用和支撑设置。
④整个基础施工期间，在挖土、吊运、扎钢筋、浇筑混凝土等施工作业中，严禁碰撞支撑，禁止任意拆除支撑，禁止在支撑上任意切割、电焊，也不应在支撑上搁置重物。
5.2 钢板桩施工顺序
钢板桩位置的定位放线→挖沟槽→安装导梁→施打钢板桩→拆除导梁→清理锚杆处标高的土方→挖土→箱涵施工→回填石屑→拔除钢板桩
6 结语
钢板桩支护完成后，在工程施工过程中还密切关注钢板桩位移情况，通过定期对钢板桩位移进行测量观测，位移数据在允许范围之内，没有发生任何安全事故，为输水箱涵混凝土施工奠定了坚实的基础。钢板桩稳定计算对钢板桩顺利施工起到了至关重要的作用，在以后的钢板桩稳定计算中还应考虑以下3点。
①当开挖面以下土质较好，钢板桩入土深度不大时，单层支撑可简化成简支梁模型，多层支撑可简化成连续梁模型，以方便计算。
②当地下水位较高，需考虑水压力影响，土的容重应以浮容重计，同时计入水压力，文中有关公式应做相应变更【12】。
③开挖基坑时，地面若存在超载，计算时应注意计入超载的影响。
参考文献：
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