樁板墻不同類型掛板的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

李菊芳

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

近年來，我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了突破性的成就，同時也面臨各種自然災(zāi)害日益加劇的問題，造成嚴(yán)重?fù)p失。防災(zāi)減災(zāi)已經(jīng)成為保障我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要任務(wù)。其中，滑坡治理一直是我國災(zāi)害治理的主要工作。例如：四川省阿壩州茂縣高位滑坡，導(dǎo)致10 人死亡、3 人受傷、73 人失蹤[1]；西藏拉薩市墨竹工卡縣特大高位山體滑坡，造成66 人死亡，17 人失蹤；貴州安順市關(guān)嶺縣大寨村山體滑坡，造成 99 人死亡[2]。

為了減少滑坡造成的損失，學(xué)者們在治理滑坡方面進(jìn)行了深入研究。樁板墻是一種治理滑坡的常見方式，已被廣泛應(yīng)用在各類邊坡和滑坡工程治理中，效果很好。杲斐[3]提出基于土拱效應(yīng)的合理樁間距取值范圍，采用數(shù)值模擬方法分析了黃土邊坡的穩(wěn)定性，討論了抗滑樁和樁板墻模型中樁土應(yīng)力變形特征對樁間距的影響。李婷等[4]采用彈性力學(xué)理論分析了樁間土拱效應(yīng)，計算確定出土拱的平面形態(tài)呈中間凸起兩側(cè)略微凹陷的曲線特征，按空間土壓力分布模式與矩形簡支板模型計算擋土板。黃治云[5]設(shè)計了大型推力試驗，分別對樁前掛板與樁后掛板兩種方案的樁間土拱效應(yīng)與樁板土壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。肖雙松[6]通過在桂林及簡陽兩個高速鐵路路肩式樁板墻現(xiàn)場工點布置多種儀器進(jìn)行現(xiàn)場觀測，對抗滑樁板墻的側(cè)向位移與墻背土壓力影響因素進(jìn)行了探討。張建云[7]利用ABAQUS 研究樁板墻工程中土拱效應(yīng)的三維空間分布特性，應(yīng)用土拱效應(yīng)的原理通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值分析對樁板墻做構(gòu)造上的優(yōu)化。曹利宏[8]參照哈牡客專某深路塹樁板墻支擋工程，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對深路塹樁板墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計研究。張燕[9]提出了斜插式樁板墻的設(shè)計計算方法，提出了預(yù)制綠化槽的斜插板墻體綠化方式。陳雷[10]提出了斜插式樁板墻新型結(jié)構(gòu)形式，分析了抗滑樁起錨點問題。

雖然在邊坡和滑坡的治理方面已經(jīng)取得了很多的研究成果，但是對治理工程結(jié)構(gòu)型式的經(jīng)濟(jì)效益評價方面文獻(xiàn)較少。因此本文主要采用樁板墻支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行西部山區(qū)城市土地開發(fā)過程中的工程滑坡治理問題，并且基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選闡明了樁板墻掛板類型和適用性。以蘭雅星河灣項目為依托，分析了該滑坡的變形特征和治理工程總體設(shè)計，重點對樁板墻掛板方式優(yōu)化比選進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 樁板墻掛板類型和適應(yīng)性

在邊坡和滑坡治理工程中常用的抗滑支擋結(jié)構(gòu)種類較多，如抗滑樁、抗滑擋墻、預(yù)應(yīng)力錨索等，樁板墻也是其中之一。為了有效支擋抗滑樁樁間土體在不良條件下發(fā)生滑塌，需要在抗滑樁之間加設(shè)墻或板，當(dāng)采用樁間掛板或搭板時就形成樁板墻[11]。樁板墻支擋結(jié)構(gòu)在我國已經(jīng)有近40年的歷史，被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路路塹和路堤的支擋，也可用于滑坡等特殊路基的支擋。被譽為 “精美的百葉窗”的南昆鐵路石頭寨車站錨拉式樁板墻，就是一種將樁板墻與錨拉設(shè)施結(jié)為一體的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)[11]。據(jù)樁體與掛板設(shè)置方式的差異，可以分為：樁后掛板式、樁前掛板式、樁間掛板式和斜插板式。不同類型的掛板方式在結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)等方面有顯著差異（表1）。

表1 樁板墻類型及適用條件Table 1 Types and applicable conditions of sheet pile wall

1.1 樁板墻掛板類型和特征

（1）樁后掛板式樁板墻

樁后掛板式樁板墻就是在抗滑樁的后面設(shè)置擋土板（圖1）。該支擋結(jié)構(gòu)多用于填方邊坡，若地段平緩，樁后掛板方式在工程中操作空間大，施工方便。在挖方邊坡若采用樁后掛板方式，須在抗滑樁之間進(jìn)行大量的人工或機(jī)械開挖，且開挖部位位于墻背的邊坡坡腳，若土體性質(zhì)較差，開挖后，沒能立即采取掛板支擋，很容易出現(xiàn)溜塌破壞邊坡穩(wěn)定性，造成二次災(zāi)害。因此樁后掛板式樁板墻支擋結(jié)構(gòu)用于填方邊坡，則充分避免了上述問題。

圖1 樁后掛板式樁板墻示意圖和實例Fig.1 Form and application example of the back hanging slab of the shoulder pile sheet wall pile

（2）樁前掛板式樁板墻

樁前掛板式樁板墻即在抗滑樁的前面設(shè)置擋土板（圖2）。該支擋結(jié)構(gòu)多用于挖方邊坡，與樁后掛板相比而言，土體開挖量不大，對山體擾動小，且不受施工場地限制，便于人員和機(jī)械操作。但也有不足之處，樁與板之間的連接是用預(yù)埋在抗滑樁中的鋼筋連接，通過焊接使樁與板緊密貼合。若貼合不到位出現(xiàn)縫隙，遇雨水天氣，則會使樁與板之間的鋼筋腐蝕。為避免鋼筋腐蝕，如果條件允許，建議可采用CFRP（碳纖維）和BFRP（玄武巖纖維）等復(fù)合材料筋作為預(yù)埋構(gòu)件。

圖2 樁前掛板式樁板墻示意圖和實例Fig.2 Form and application example of the front hanging slab of the cutting pile sheet wall pile

（3）樁間掛板式樁板墻

樁間掛板式樁板墻是很多學(xué)者總結(jié)了前兩者結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點并在此前基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型支擋結(jié)構(gòu)（圖3）?？煞謅 和b 兩種，其中a 型為“植筋或預(yù)埋筋”的樁間掛板，其樁身預(yù)埋連接鋼筋需按照設(shè)計的樁間擋土板位置嚴(yán)格定位，以免受力時產(chǎn)生扭曲。當(dāng)然這種掛板類型仍存在預(yù)埋筋耐久性的問題。b 型為“T”型截面的翼緣式樁板墻，掛板設(shè)置兩樁之間并搭在連接兩樁翼緣板上。翼緣式樁板墻樁間掛板方案結(jié)合了樁前、樁后兩種掛板形式的優(yōu)點，它不僅解決了樁后掛板開挖土體較多，也解決了樁前掛板易造成連接處鋼筋腐蝕的問題，但由于該技術(shù)要求高，難度大，一般應(yīng)用較少。

圖3 樁間掛板式樁板墻示意圖和實例Fig.3 Form and application example of hanging slabs between piles and wall

（4）斜插板式樁板墻

將掛板以一定的角度斜插于樁之間就形成斜插板式樁板墻（圖4）。與傳統(tǒng)樁板墻結(jié)構(gòu)相比，它是一種新型支擋結(jié)構(gòu)，不但可以滿足工程安全的需要，而且可在斜插板槽內(nèi)種植綠色植物，從而達(dá)到與周圍環(huán)境整體協(xié)調(diào)和諧美觀。相比較而言，斜插板式樁板墻具有與生俱來的優(yōu)越性，將板周圍的土體可通過斜插板讓土體變形加以釋放，并且墻背后水體也可順勢流出，幾乎可不考慮墻后水壓力作用。這種特點相對于傳統(tǒng)樁板墻則受力小，技術(shù)可靠。

圖4 斜插式樁板墻示意圖和實例Fig.4 Form and application example of oblique inserted pile sheet wall pile

1.2 不同掛板方式的經(jīng)濟(jì)社會效益分析

樁前、樁后掛板式是常規(guī)樁板墻的施作方式，長期以來工程師們積累了豐富的經(jīng)驗，其操作簡便，易于施工，得到了廣泛應(yīng)用。填方邊坡多設(shè)置成樁后掛板方式，可以很好降低滑坡造成的危害，被廣泛應(yīng)用到公路、鐵路和市政工程中。挖方邊坡可以設(shè)置成樁前掛板方式，樁前掛板式可以很好抑制坡體土體的變形，施工快捷、外型構(gòu)造平整美觀，運營后養(yǎng)護(hù)維修費用低。但這兩種掛板方式均需要合理的調(diào)節(jié)優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)的形式并調(diào)整掛板的位置，從而達(dá)到增大結(jié)構(gòu)安全性和合理優(yōu)化工程投資的效果。

樁間掛板式樁板墻具有良好的實用性和適應(yīng)性，針對相對復(fù)雜的施工條件或施工場地，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w地形，樁間掛板式樁板墻能夠發(fā)揮出其自身優(yōu)越性。該結(jié)構(gòu)形式僅針對樁間巖土體進(jìn)行補充防護(hù)，在實際工程中可以有效節(jié)約材料、降低投資，具有良好效果。但采用樁間掛板對樁身表面通常要進(jìn)行二次維修，需要增加維護(hù)成本。

斜插板式樁板墻作為一種新型邊坡支擋方式，綠色工程比較顯著。整體的安全性能可行，有利于墻面的整體綠化，外型構(gòu)造美觀，具有較好的推廣價值。斜插板式樁板墻具有結(jié)構(gòu)輕型化、節(jié)省材料和工程數(shù)量少等優(yōu)點，總體有利于節(jié)省工程投資，特別在地層穩(wěn)定性較好的城市如高密度開發(fā)區(qū)，這類結(jié)構(gòu)型式適用性較強(qiáng)。

2 案例分析

蘭雅星河灣住宅小區(qū)位于蘭州市城關(guān)區(qū)徐家灣[15]。該住宅小區(qū)依白塔山而建，位于黃河北岸Ⅱ級及Ⅲ階地以上，面朝黃河，背靠白塔山，小區(qū)北側(cè)建筑物緊臨山體坡腳。小區(qū)內(nèi)包括18 棟樓房和商業(yè)區(qū)、公共活動區(qū)、地下車庫及設(shè)備房組成，總用地面積約4.65×104m2，總建筑面積約17.5×104m2。

2.1 滑坡概況

老滑坡為一中型滑坡，具有明顯的滑坡地形地貌特征。在老滑坡前緣坡腳，因建住宅樓基坑開挖，致使老滑坡前緣坡腳臨空面較大，導(dǎo)致老滑坡局部復(fù)活，發(fā)生滑動，形成新滑坡，為一小型滑坡。新、老滑坡性質(zhì)均屬于牽引式、破碎巖石滑坡，滑坡體主要由強(qiáng)風(fēng)化的片麻巖及部分坡積碎石土構(gòu)成，其滑動面主要位于強(qiáng)風(fēng)化片麻巖泥質(zhì)軟弱夾層，滑坡全貌見圖5。

圖5 滑坡全貌圖Fig.5 Landslide panorama

2.2 治理工程總體設(shè)計

堅持科學(xué)、合理地利用場地，不侵占基坑紅線并確保地下工程作業(yè)空間，動態(tài)設(shè)計、信息化施工的原則。同時堅持以人為本、預(yù)防為主，結(jié)合水土保持、場外排洪考慮，避讓和治理相結(jié)合的原則。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330——2013）本次治理工程的設(shè)計年限為50年。

本次治理工程分為兩個階段[16]，即一期工程和二期工程，治理工程措施有錨固支擋工程、排水工程及坡面綠化工程。其中錨固支擋工程有：預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁+擋土板、錨索框架和錨桿框架；排水工程有：截排水溝、平臺硬化。主要治理工程在一期完成，部分錨索（桿）框架、截排水溝工程要在二期完成。工程布置平面如圖6所示。

圖6 治理工程布置平面和斷面圖Fig.6 Layout plan and sectional view of project

2.3 樁板墻掛板方式經(jīng)濟(jì)性分析與實施

為防止樁間土及樁頂土滑塌，本工程原設(shè)計在樁與樁之間和樁頂設(shè)置鋼筋混凝土擋土板。擋土板由3.6 m（長）/4.6 m（長）×0.3 m（寬）×1.0 m（高）的構(gòu)件組成。安裝擋土板前，先要把擋土板安裝范圍內(nèi)的地基表層浮渣，松散物清除干凈并夯實，達(dá)到一定的地基承載力，然后再用M7.5 漿砌片石找平各凹凸處。其次，板與樁連接采用預(yù)留構(gòu)件或植筋來完成，施工前應(yīng)將樁與板的連接部分和預(yù)埋鋼筋清除干凈，預(yù)埋鋼筋和板的連接鋼筋采用雙面焊接。施工掛板前應(yīng)鑿除樁側(cè)護(hù)壁，板緊貼樁側(cè)。樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的75%以上時，進(jìn)行擋土板施工，掛板材料采用C30 鋼筋混凝土澆筑而成。具體樁間掛板配筋圖如圖7所示、直接工程費用如表2所示。

但后經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位等人員多次現(xiàn)場踏勘，考慮到原設(shè)計樁間掛板施工的可能性，各方對樁間掛板實施提出了合理化的建議，將樁間掛板移至樁前實施。掛板總面積1 625 m2，厚0.3 m，緊貼護(hù)壁。每12 m 一條伸縮縫，伸縮縫設(shè)置在抗滑樁前。板與樁連接采用預(yù)留構(gòu)件或植筋來完成，單元配筋圖是以高1.0 m 作為標(biāo)準(zhǔn)。具體樁前掛板配筋圖如圖8所示。

從直接工程費增量分析表（表3）中所示，該工程總投資上千萬元，通過方案優(yōu)化采用樁前掛板，僅僅增加了工程投資的1%，可以說對該工程建設(shè)并無實質(zhì)性影響。從工程要求來分析，該邊坡承受荷載大，安全性要求高。兩方案的安全系數(shù)均可以滿足規(guī)范要求。從工期和成本控制來看，根據(jù)各項工程開工情況，同步施工，交叉作業(yè)，保證工程質(zhì)量，項目合同工期8 個月，采用樁前掛板方案后，工期節(jié)省近一半；且采用樁間掛板對樁身表面要進(jìn)行二次維修，大大增加了后期維護(hù)成本。從施工條件來看，該處坡形不規(guī)整，現(xiàn)場條件不好，小區(qū)北側(cè)建筑物緊臨山體坡腳，很不利于大型機(jī)械和人員施展，樁前掛板則避免了以上的困擾（圖9）。另樁前掛板也避免了樁間及樁后土體的大量開挖，減少山體擾動。從加固效果來看，樁前掛板保護(hù)了護(hù)壁的完整性及工程整體的美觀性，與周圍環(huán)境和諧自然，有利于小區(qū)工程建設(shè)及后期居住環(huán)境的改善，更有利于開發(fā)商樓盤的出售（圖10）。

雖然樁前掛板方案的直接工程費增加了，但通過對兩方案在工程要求、節(jié)約工期和成本、施工條件、加固效果等方面的對比分析，表明采用樁前掛板作為該滑坡的加固支護(hù)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢較明顯[17-22]。

3 結(jié) 論

針對西部山區(qū)城市土地開發(fā)過程中的工程滑坡治理工程，依托典型案例進(jìn)行方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，獲得了以下兩方面有益認(rèn)識：

（1）闡述了邊坡和滑坡治理工程中樁后掛板、樁前掛板、樁間掛板和斜插板式四類樁板墻的結(jié)構(gòu)型式和差異性，著重從工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度綜合分析了各自的適用性。填方邊坡多設(shè)置成樁后掛板方式，可以很好降低邊坡造成的危害，工程中操作空間大，施工方便。挖方邊坡可以設(shè)置成樁前掛板方式，外型構(gòu)造平整美觀，運營后養(yǎng)護(hù)維修費用低。針對技術(shù)要求高，難度大的填、挖方邊坡，樁間掛板結(jié)構(gòu)方式僅針對樁間巖土體進(jìn)行補充防護(hù)，在實際工程中有效節(jié)約材料、降低投資，具有良好效果。斜插板式樁板墻外型構(gòu)造美觀，多用于綠化要求高的填挖方邊坡。

圖7 樁間掛板配筋圖(單位: mm)Fig.7 Reinforcement drawing of plate between piles(unit: mm)

表2 樁間掛板工程量及直接工程費表Table 2 Analysis of quantities and direct engineering cost of hanging plate between piles

圖8 樁前掛板配筋圖(單位: mm)Fig.8 Reinforcement drawing of pile front plate (unit: mm)

表3 樁前擋板直接工程費增量分析Table 3 Direct engineering cost increment analysis

圖9 樁板墻施工過程Fig.9 Construction process of sheet pile wall

圖10 施工后照片F(xiàn)ig.10 Photos after construction

（2）以蘭雅星河灣項目為依托，分析了該滑坡的變形特征和治理工程總體設(shè)計，重點針對樁前掛板和樁間掛板兩種方式進(jìn)行了優(yōu)化比選，實踐表明該工程最終采用的樁前掛板加固方案較好的解決了坡體穩(wěn)定性問題，工程整體與周圍環(huán)境和諧自然。

致謝：感謝蘭雅星河灣項目技術(shù)人員對本人的技術(shù)指導(dǎo)和建議!