拉森钢板桩施工技术介绍

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摘要：随着城市经济、文化的不断发展，现代土木工程“四新”技术的不断创新，超高层建筑正以迅猛之势席卷全球。随之而来的则是超高层施工难度的不断增加、施工工艺的不断革新；其中以地下室施工阶段尤为突出。超高层建筑对地基与基础分部分项工程要求极高，而超高层建筑拟建地址往往处于城市核心区域，地质条件较差、临时用地极为有限、且周边环境复杂。本文以佛山市某城市综合体为例，介绍了在上述复杂环境下利用新型拉森钢板桩作为临时支护体系，以保证超高层核心筒承台或基础能够顺利施工，有效解决了土质松软（淤泥质土）、地下水丰富等问题导致承台或基础无法施工的难题。

关键词：拉森钢板桩；超高层；支护；止水

中图分类号：C35文献标识码： A

1拉森钢板桩简介

拉森钢板桩作为一种新型建材，在桥墩围堰、大型管道铺设、市政箱涵开挖时作挡土、挡水、挡沙墙；在码头、卸货场作护墙、挡土墙、堤防护岸等工程上发挥着重要作用。

1902年，德国国家工程师Tryggve Larssen先生在不来梅开发制作了世界上第一块U型剖面铆凸互锁的钢制板桩。

1914年，两边都能连锁的板桩问世。这个改进一直被世界绝大多数的板桩（制造商）沿用至今。每块U型板桩的两边“U型突出”设计可以用来连锁相邻的板桩。

我国国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会在2007年5月14日了《热轧U型钢板桩》国家标准，并于2007年12月1日起正式实施。据统计，目前我国的钢板桩年消耗量保持在3万吨左右，仅占全球的1%，而且仅限于一些港口、码头、船厂建设等永久性工程和建桥围堰、基坑支护等临时性工程。与我国钢铁总量占世界三分之一的消费总量极不相称。

2拉森钢板桩与普通钢板桩区别：

图2-1 拉森钢板桩 图2-2 普通钢板桩

从上图不难看出，两种钢板桩主要区别在于：

(1)拉森钢板桩两侧有锁扣，而普通钢板桩实际可以看做为普通“U”型槽钢；

(2)拉森钢板桩具有较好的止水效果，而普通钢板桩由于无锁扣，基本不具备止水功能；

(3)拉森钢板桩施工工艺要求明显高于普通钢板桩，且对钢板桩自身质量要求较高；

(4)拉森钢板桩自身强度略低于普通钢板桩。

图2-3 钢板桩锁口咬合示意

图2-4 钢板桩连接示意

3施工工艺

本文以广东省某城市综合体项目地下室施工为例，该工程位于佛山市，总建筑面积350000，地下2层，地上三栋塔楼（48层、48层、24层），建筑高度最高为217.8m。塔楼核心筒承台施工难度大，承台最深处为地下室底板顶面标高(H=-9.05m)以下8.15m。为保证核心筒承台结构的正常施工，经业主、监理与项目部共同讨论决定采用拉森钢板桩作为核心筒支护形式。

3.1施工流程

本工程3#楼在基坑开挖过程中，多次使用拉森钢板桩进行支护及止水，施工工艺流程如下所示：

经市场调查，广东地区市场目前所采用的拉森钢板桩型号大多为拉森Ⅲ型及拉森Ⅳ型，长度通常为6m、9m、12m三种规格，最长可达15m，其具体尺寸及性能参数如下：

3.2施工方法

若采用12m拉森Ⅳ型钢板桩直接从底板底标高进行施打作业，土方开挖完成后，钢板桩实际入土深度仅为4.5m。为保证支护结构的安全可靠性，决定将核心筒范围内土层开挖至H1=-11.7m后再进行钢板桩施打作业（即：钢板桩顶标高为H2=-11.2m）,以此保证钢板桩实际入土深度为6m（如图3-1所示）。

机械手打桩机

液压振动锤

静压打桩机

优点：打拔效率高，现场使用灵活

缺点：桩长超过15m则无法使用，无法施打远距离承台 优点：设备租用方便，且可与各种吊机配合

缺点：打拔速度较慢 优点：打拔长度不限，施工噪音低

缺点：打拔费用较高，且国内改型设备较少

现场采用加藤KATO-HD1250型履带式液压打桩机进行钢板桩施打作业，钢板桩施工完成后随土方开挖至一定高度增加钢围檩及水平支撑结构；第一道水平支撑完成后按上述施工流程完成水平角撑施工。钢围檩采用HW320×320×25厚重型工字钢，水平角撑一律采用A280圆钢管，水平支撑分别采用HW380×380×25厚重型工字钢及A280圆钢管。

核心筒内钢板设计简图

图3-1核心筒钢板桩水平支撑平面图

图3-2 核心筒钢板桩水平支撑剖面图

图3-3液压打桩机施打钢板桩

图3-4 核心筒钢板桩及钢围檩施工

3.3施工质量控制

（1）拉森钢板桩采用履带式挖土机施打，施打前必须仔细放出准确的支护桩定位控制线。

（2）打桩前，对钢板桩逐根进行检查，剔除连接锁扣锈蚀、变形严重的钢板桩，待修整合格后方可使用，对修整后仍不合格的严禁使用。

（3）打桩前，需在钢板桩的锁扣内涂抹油脂，以方便钢板桩的打入及拔出。

（4）在钢板桩插打过程中，应随时做好测量监控，当偏斜过大且不能用拉挤方式调正时，必须拔出重打。

（5）密口且保证入土深度满足要求，保证钢板桩止水效果：施工时需重点考虑钢板桩与支护体系之间防水密封问题。

（6）锁口质量保证：锁口密封性直接决定了钢板桩止水及支护效果的好坏，施打时锁口处需对准，保证钢板桩垂直度，并提前做好黄油涂抹工作。若检查中发现连接处有锈蚀应及时剔除处理。

（7）钢板桩转角部位施工：转角部位可采用转角桩进行施工作业,其施工方法与普通拉森钢板桩施工方法相同。但在施打过程中应保证转角桩的相对水平角度，确保其后续钢板桩施打的相对垂直度。施打前应同样采用拉线定位的方法保证转角桩施工质量。

3.4钢板桩拔除

完成核心筒内深基坑结构施工（施工至相对标高-12.55m ），待混凝土强度等级满足要求，拔除核心筒内12m长钢板桩。拔桩前应先拆除水平支撑、角撑及焊接在钢板桩上的钢围檩。

每拔一根钢板桩必须拉好回绳，做到拉森钢板桩的重心必须垂直于水平面。拔桩过程需稳步缓慢，最大程度减少振动对已完结构的影响，拔除后须用吊车缓缓装车。在拔桩过程中必须配备必要的人员进行跟踪灌砂，当钢板桩不易拔除时，严禁野蛮操作，需用机械手再复打一次，以克服与土的粘着力及锁口间产生的阻力。

4钢板桩力学分析

实际施工过程中主要进行以下力学分析：

（1）拉森钢板桩内力分析

（2）拉森钢板桩支撑系统内力分析（含钢围檩及撑）

4.1拉森钢板桩应力计算

钢板桩施工区域内已有工程桩，考虑到现场施工不确定因素，在进行应力分析时拉森钢板桩入土深度取6.5m，则上部桩长为5.5m；且拉森钢板桩周边已做排水处理，不考虑水的作用影响。

图4-1 钢板桩受力模型

图4-2 钢板桩弯矩简图

图4-3 钢板桩荷载简图

计算式：

式中：为土体重度，钢板桩截面抵抗弯矩W，并取1m板面进行计算分析，当时，M取max值

由于钢板桩周边存在大型机械设备施工，故取动荷载系数

综合上述分析，拉森钢板桩强度满足使用需求。

4.2钢围檩应力计算

以反作用力作为均布荷载施加于钢围檩周边，根据实际变形情况，可简化为两端固定：

图4-4 钢围檩及内支撑示意

图4-5 钢围檩荷载分析剖面图1-1

图4-6 钢围檩弯矩图

综合上述分析，钢围檩强度满足要求。

4.3水平支撑应力计算

将钢围檩支反力施加于水平支撑体系圆钢管中：

为稳定系数，可参照《钢结构设计规范》取值

综合上述分析，水平钢管支撑强度满足要求。

5施工效果评估

项目部在核心筒钢板桩施工完成后对其进行了效果评估：

控制项目 板桩轴线偏差 桩顶标高 板桩垂直度

允许公差 ±10cm ±10cm 1%

（1）钢板桩桩顶标高偏差值为（+8cm，-3cm），轴线偏差（+15cm,-6cm）,垂直度最大误差为20cm。由于钢板桩内侧边线距结构外边线1m，所以尺寸偏差依然能够满足施工要求。

（2）受钢板桩轴线偏差、锁口角度不齐等影响，钢围檩与钢板桩之间空隙较大，仅靠部分焊接点无法满足固定要求，需采用钢链或钢绞线使其与钢板桩固定。

（3）止水效果：该工程所属区域地下水位较高，经现场检查，钢板桩施打完成后三天至五天内侧壁有较为严重渗水，待三至五天后，侧壁渗水现象有所好转且能够满足施工要求。但受钢板桩端部中心圆孔影响，大量地表水经圆孔流入核心筒内，造成核心筒基坑内需采取相应的抽排水措施。

（4）支护效果：在核心筒垫层及砖胎膜施工过程中定期对基坑周边及基底进行监测，水平位移基本稳定（细微变形由基坑边重型施工机械所致）。钢板桩挡土段最大变形量为40mm～50mm，后期趋于稳定。

6施工总结

通过此次3#塔楼钢板桩支护施工，对钢板桩施工工艺做如下总结：

序号 拉森钢板桩施工优点

1 材料可重复使用，使用次数可多达50次

2 施工较为简便，施工进度有保障、耐久性良好，使用寿命长

3 施工环保效果显著，基本无需使用混凝土等材料，可有效保护土地资源

4 施工工序简单、材料进场及转运方便，可有效缩短工期

5 使用钢板桩能够提供必要的安全性而且时效性较强

6 钢板桩施打不受天气条件制约

7 质量较高（高强度，轻型，隔水性较好）

8 材料堆场及施工操作面要求较低，便于现场组织施工

9 使用拉森钢板桩材料，能够简化检查性材料和系统材料的复杂性

10 使用范围广、适用性极强、互换性良好

序号 拉森钢板桩施工缺点

1 施工成本与普通钢板桩相比较高

2 拔桩时由于机械振动容易产生土体微小沉降

3 采用液压打桩机施打作业噪音较大，容易扰民

4 受起吊圆孔影响，无法有效阻止地表水流入基坑内

根据拉森钢板桩使用规范要求，在施打作业前应对钢板桩进行严格检查，破损的钢板桩严禁使用，生锈的钢板桩应除锈后方可使用；且锁口处应做好黄油涂抹工作。但在实际施工过程中，受钢板桩重复使用影响，桩身大部分均发生锈蚀现象，且锁扣处未涂抹黄油。导致拉森钢板桩应有的止水效果无法得到保证。当钢板桩出现渗水、漏水现象时，一般可采取以下方法止水：

（1）天然止水法（此方法适用于支护结构为土方或泥沙）：渗水处靠水流所夹杂泥沙，经过长时间积累，最终自行堵塞封闭。

（2）在钢板桩渗水处采用富纤维棉絮进行塞缝处理。

（3）采用粉煤灰、锯木屑、膨胀水泥于围堰外沿桩面顺水流方向撒放，从而达到止水效果。

我国目前处于经济快速增长阶段，城市建设发展迅猛，建筑工程普遍面临高标准、工期紧、施工难度大、施工环境复杂等特点，传统基坑支护施工工艺进度相对缓慢、环境污染严重。拉森钢板桩作为一种新型支护结构，其绿色、低碳、环保、施工速度快、具有防水功能等一系列特点越发突出，钢筋混凝土支护形式已无法跟上世界发展潮流的步伐。目前世界发达国家已大部分推广使用钢板桩作为临时性或永久性结构主体，在不久的将来，拉森钢板桩依然具有广阔的前景和应用市场，大力推广和应用钢板桩必将会给城市建设带来经济和社会效益。