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钢板桩围堰的前世今生

拉森钢板桩·静压植入工法 2019年6月21日 项敏 96

钢板桩围堰的前世今生

作者:胡雄伟 中铁大桥局集团


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前  言

在人类漫长的建桥历史中,最大的挑战要数在水中修建桥梁基础。古人修建桥梁,基础型式最多的是明挖扩大基础和木桩基础。对于水上桥梁或地表水丰富的陆上桥梁,需要应对的就是克服施工区域的水土压力差,而形成一个无水的施工环境。在应对这种挑战的过程中,人们逐步发展出了土石围堰、草袋围堰、木板围堰等。

在罗马时代(公元前27年~公元476年),人们开始采用围堰法施工,即打木板桩成围堰,抽水后在其中修筑桥梁基础和桥墩。1209年建成的英国泰晤士河拱桥,其基础就是用围堰法修筑,由于只能用人工打桩和抽水的方法,所以基础深度较浅。

随着材料的发展和技术的进步,后期又逐步发展出混凝土围堰、型钢围堰、钢板桩围堰、锁口钢管桩围堰以及钢围堰等。正是这种挡水技术的进步,才支撑着我们不断地挑战深水基础,向更大的跨度,更深的江河湖海中不断迈进。


钢板桩围堰的前世今生

古代围堰的雏形


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国外发展历程

在国外早期的护岸工程、采掘工程以及建筑的基础施工中,人们经常采用木材或铸铁等材料制作防护板桩。随着冶金轧钢工艺技术的发展,通过轧制工艺生产的钢板桩强度高、质量稳定、综合性能好,且可以重复使用。

1902年,德国工程师Tryggve Larssen先生在不来梅(地名,经常给小孩讲童话故事的父母应该有所了解)开发制作了世界上第一块U型剖面铆凸互锁的钢制板桩。最为陈旧的拉森U型板桩被Giken Kochi公司安放在总部展示以纪念U型板桩的问世。

1903年钢板桩首次引入日本,用于三井本馆的挡土工程施工。同年,美国开始引入拉卡旺纳(Lackawanna)钢板桩。

1908年美国在黑石港(BlackRock Harbor)施工建设中大规模使用了钢板桩,并于1910年在提升美茵号战舰时用锁口钢板桩建成了空格围堰。

1911年,卢森堡阿塞洛米塔尔公司(Arcelor Mittal)生产出第一批钢板桩。

1914年,两头都能连锁的板桩面世了。每块U型板桩两头的“U型突出”能够用来连锁相邻的板桩。互锁构造能够形成一个水密空间从而增加连锁构造处的强度,这个改善一直被国际绝大多数的板桩制造商沿用至今。

钢板桩围堰的前世今生比利时马里亚科尔克码头钢板防护施工

钢板桩围堰的前世今生

 法国加来港口钢板桩施工

1923年关东大地震后,钢板桩在日本灾后修复工程中大量引进与使用。1931年日本国营八幡制铁公司开始生产销售拉瓦纳U型钢板桩。钢板桩断面具有很高的抗弯、抗扭性能和良好的抗腐蚀性。

至上世纪60年代,发达国家在港口、码头、防洪堤等工程建设中已普遍采用热轧钢板桩,其应用领域广泛,市场发展迅速。

1956年,我国开始自主研制ⅢK-1型槽型钢板桩,历时八年,到1963年研制成功。而热轧钢板桩的研究时间更长。受经济实力的制约(59年至61年3年自然灾害,铁矿山稀缺),加之国内不具备生产余热轧技术,同时限制于工程机械设备的匮乏及施工技术落后等因素,热轧钢板桩的应用基本上处于停止状态。一直到若干年后的2001年,马鞍山钢铁公司终于成功研发出热轧U型钢板桩,却仍然废品率偏高,且制造成本远高于进口成本,再度停滞。

早期的钢板桩形状有板型、U型、工字型、箱型和圆管型等。通过近百年的研究和改进,到目前为止,在世界上应用比较广泛的主要有板型钢板桩、U型钢板桩和Z型钢板桩三种(近年来组合钢板桩如雨后春笋,虽然大多是为了创新而创新,但也有一定的推动作用,但作用不大,应用也不广泛,并非主流)。钢板桩有冷弯薄壁轻型和热轧型,由于前者加工、使用局限性较大,所以,热轧钢板桩成为钢板桩产品发展的主流。冷弯钢板桩是钢板在冷弯机组内连续滚压成形,且侧面锁口可连续性搭接以形成一种板桩墙的钢结构体。其通常采用较薄的板材(常用厚度为8mm~14mm),以冷弯成型机组加工而成。热轧钢板桩,就是经过高温轧制后生产的钢板桩。由于工艺先进,其锁口咬合具备严密的隔水性。

冷弯钢板桩生产工艺技术比较容易掌握,生产线投资少,生产成本较低,产品定尺控制也更灵活。但是,因加工方式简陋,桩体各部位厚度相同,截面尺寸无法优化导致用钢量增加,锁口部位形状难控制,联接处卡口不严、无法止水。受冷弯加工设备能力制约,只能生产钢种强度级别低、厚度较单薄的产品,且冷弯加工过程中产生的残余应力较大,桩体使用过程中易产生撕裂,在其实际应用中具有较大的局限性。

热轧钢板桩是有型钢轧机通过高温轧制成形,具有尺寸规范、性能优越、截面合理、质量高等优点。热轧钢板桩从断面形状来分,有U型、Z型、直腹板型、H型等基本类型及其组合形式。在工程建设领域,热轧U形和Z形钢板桩一般用作承受弯矩的挡土设施或临时防渗挡墙,其组合断面形式有时亦用作小桥桥墩等承受垂直荷载的结构。其中,U型热轧钢板桩结构形式对称,极易被重复利用。此外,U型钢板桩的桩身宽、翼缘厚的组合特点,使其具有极佳的静力学特性。同时,热轧U型钢板桩相比其他形状的钢板桩来说,生产工艺难度相对较小,施工方便,可预先装配而成,是可大大提高沉桩功效的“组合桩”,方便拉杆及配件的安装,U型钢板桩构成的墙体外侧部分最厚,整体耐腐蚀性能良好,因此U型钢板桩在世界各地应用最为广泛,生产量也最大。Z型钢板桩最显著的力学特征是腹板是连续性的,锁口对称分布在中性轴两侧特定的位置,这极大地提高了截面模量和抗弯刚度,保证截面力学性质能够充分发挥。热轧直腹钢板桩不能直接承受弯矩,通常组合成闭合圆筒或直接承受轴向拉力。热轧H形钢板桩抗弯模量较大,常用作悬臂式深基坑挡墙等抗弯要求高大的结构。

1927年,乔治华盛顿桥西墩首次在桥梁工程中采用30×33m的钢板桩围堰进行基础施工,挡住23m水头,确立了在桥梁承台施工中,钢板桩围堰带来的露天施工足以与沉箱相竞争,促使随后香浦兰湖(Lake Champlain)桥29.4m水深、旧金山奥克兰桥墩的30.6m水深的基础同样采用了这种施工方法。

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1931年建成的乔治华盛顿桥



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国内发展历程

我国在20世纪50年代,从前苏联进口了少量U形钢板桩产品,并在武汉长江大桥首次应用。同年,由铁道部第一勘测设计院设计,铁道部第一工程局施工的我国在黄河上自主设计和施工的第一座黄河桥——兰新线河口黄河大桥正桥2#7#墩原设计为钢板桩围堰沉井基础,根据地质条件,2#3#7#墩由于基础埋置深度较浅(但在1964年的多次探测中,发现2#3#墩基岩冲刷严重,其中2#墩基底前端已部分掏空,3#基础前端嵌入岩层仅有90cm左右,后通过钢板桩围堰内抽水,在直径19m范围内的河床上铺设混凝土防护进行加固处理),改为钢板桩围堰明挖施工,在技术人员和工人技术革新下,工地创制转盘打桩架,解决了打圆形钢板桩围堰的困难。

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1955年建成的兰新线河口黄河大桥


60年代初建设南京长江大桥时,在基岩好而覆盖层较厚的墩位处,8#9#墩选用了钢板桩围堰管柱基础。其中8#墩围堰直径21.82m,由1720.4m宽,36m长的钢板桩组成。围笼为型钢组拼成的圆形桁架,8#墩围笼高16m9#墩围笼高20m。采用插桩时,在前面钢板桩边悬挂锤球,测出其倾斜度,并规定不超过0.3%,且任何情况不得超过1%。为了防止最后合拢口有足够的间隙,在钢板桩合拢前,将最后的510组钢板桩先插入锁口挂着,桩尖不落到河床上,通过千斤顶或复式滑车组调整上下口的间距。合拢完毕后,用复打汽锤将全部板桩打入规定的标高。


60年代末修建大桥时,12#墩水深89m,河床覆盖层为厚约1m沙夹卵石,基岩强度120130MPa,由于当时经济条件,无大型起吊设备。经过现场人员的集体智慧,采用8个中-60型浮鲸(也叫KC-3型万能浮箱,是1954年首次在苏联制造成功,为滿足我国武汉长江大桥工程的需要,从苏联专家引进的。由沈阳桥梁工厂在苏联专家波良可夫的指导和帮助下,经过了10个月的艰苦努力研制成功)拼成方形平台作为钢围堰的围笼和内支撑。另外在此平台上用万能杆件分步拼装30m高的塔架作为起重吊机。浮鲸下水后顺水流方向设置了8根钢丝绳拉缆进行定位,为了增加浮鲸的稳定性,在浮鲸方框内部四角处又设置了4300×300mm的定位桩。


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1968年建成的南京长江大桥


1971年修建的长沙湘江大桥(又称长沙市橘子洲大桥)是长沙市横跨湘江连接城区的“第一座桥梁”,该桥于197196日正式开工,1972101日建成通车。其中1#3#墩均为下置于岩层的扩大基础,施工水深78m,就是采用浮鲸钢板桩围堰建成的。随着经济和机械的发展,这一方法目前已不采用。


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1972年建成的长沙湘江大桥

钢板桩围堰的前世今生

70年代,包钢轨梁厂开发并成功生产了BIV-500型钢板桩,但一级品率为80%,成品定尺率还有待提高。但钢板桩围堰的推广与实施却并未停止。随后施工的济南黄河公路大桥、阜合铁路淮南淮河大桥、天津永和斜拉桥等桥梁工程均有钢板桩围堰的应用。济南黄河公路大桥于1978年开始建设,1982年建成通车。淮南淮河大桥(又称平圩大桥)是淮河上第一座最长的铁路、公路两用桥。该桥的建成通车,是淮南市“淮河大跨越”的历史见证和重要成果。淮南淮河大桥,南起田家庵区安成镇,北接潘集区平圩镇。该桥于19777月开工,198010月铁路桥工程完工并试车行驶成功,19827月公路桥建成通车。


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1982年建成的济南黄河公路大桥

钢板桩围堰的前世今生1982年建成的淮南淮河大桥


1998年长江发生全流域洪水后,次年2月,作为日本政府的无偿援助项目,在荆江大堤观音寺闸堤段和洪湖长江干堤燕窝段构筑 2208 m钢板桩防洪墙。施工设备和材料由日本新日铁株式会社、日立建机和神户制钢厂家提供。后期却荆江大堤观音寺闸堤段钢板桩防渗墙采用FSP-A型桩长20m的钢板桩,在轴线的转折处设转角异形桩。钢板桩设计用量3811t

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荆江大堤观音寺闸堤段防洪墙


当时日本的钢板桩生产过剩,且质量优良,故瞄准中国市场,对于打开中国市场起到了一定作用,有先见之明的中国民间包工头采购了大量的拉森IV和拉VI钢板桩,极大地提高了个人竞争力,通过租赁或组建施工队伍广泛参与桥梁建设市场,并因此发了大财。只是随后日本作为资源匮乏的大国,随着天然气管道铺设、汽车工业等行业的快速发展,钢材供应紧缺,钢板桩的产量由年产120万吨急剧降至了80万吨,对中国的钢板桩出口也变得并不紧迫,这是后话。


2001年马鞍山钢铁公司依据先进的H型钢生产线,采用欧洲标准成功开发出热轧U型钢板桩,并成功应用于嫩江大桥围堰、靖江新世纪造船厂船坞、孟加拉防洪工程等项目,但由于当时生产效率和经济效益等原因一度暂停生产。20043月,国家标准《热轧U型钢板桩》(GBT20933-2007)由马鞍山钢铁公司等单位联合提出制定计划,并由马鞍山钢铁公司负责编制,至2007121日,该标准正式颁布。至此,钢板桩围堰在我国桥梁工程上的运用得到了迅猛发展,并已成为目前最为常用的一种桥梁基础施工方法。


200712月开工的杭州钱江铁路新桥为18l4线铁路预应力混凝土连续粱桥,主桥44#60#17个桥墩均布置在钱塘江内,由于原钱江二桥施工时遗留的部分栈桥预应力管桩与钱江铁路新桥部分承台施工围堰重叠,且原钱江二桥施工时抛填片石及其他遗留物较多,承台施工时若采用双壁钢围堰,则其下沉过程中将会遇到大量障碍物而导致钢围堰下沉困难。考虑钢板桩的施工灵活性,该桥基础施工采用了拉森Ⅵ型钢板桩围堰,遇片石或其他障碍物时可以方便地转向并适当避让。钻孔桩施工完成后,拆除施工平台及定位桩等,在四周10根钢护筒上设牛腿,安装钢导环,浮吊吊震动锤配合专用夹具从上游开始向下游插打钢板桩。


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杭州钱江铁路新桥钢板桩围堰


20087月动工建设的武汉二七长江大桥主桥为三塔双索面结合梁斜拉桥,跨度布置为(90+160+2×616+160+90)m5号墩为南岸(武昌岸)边主塔墩,承台平面为带圆角的矩形,平面尺寸30.75m×52.50m,承台高6m;承台顶为3m高的塔座。5#墩基础采用钢板桩围堰施工,采用PU28型钢板桩,内支撑设计为整体桁架结构,整体拼装、整体浮运。大桥由中铁大桥院设计,中铁大桥局和二航局施工。


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钢板桩围堰的前世今生

武汉二七路长江大桥5#墩钢板桩围堰内支撑整体吊装


200910月开工建设的新建阜六铁路颖河特大桥主跨采用(70 + 120 +70 m连续梁跨越颖河主航道。46号、47号主墩位于颖河主航道内,设计为20根φ2.0 m群桩基础,主墩承台设计为矩形二阶钢筋混凝土低桩承台。承台施工采用30 m长的拉森Ⅳ型钢板桩围堰支护系统施工,钢板桩插打时,悬臂长度达18 m,施工难度大。

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阜六铁路颍河特大桥超长钢板桩围堰


宁车沽永定新河特大桥是新建津秦铁路客运专线的重点控制性工程,坐落于滨海站至滨海北站之间。该桥于200912月开工建设,桥长19.174公里,桥面宽12米,设计时速350千米,成为天津铁路客运四主五辅布局的重要组成部分,实现天津与秦皇岛之间铁路公交化,形成了小时经济圈同城效应。承台施工时因基础地质较为软弱,地下水位较高,结合地质条件及施工环境,基坑采用复合钢板桩(拉森Ⅳ型+工字钢)围堰支护方案开挖支护。

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津秦永定新河桥复合钢板桩围堰


20108月开工建设的武汉鹦鹉洲长江大桥,其1#塔位干长江汉阳岸边坡坡脚,基础设计为长75 m的钻孔摩擦桩,桩径2 m。承台为哑铃型低桩承台,平面尺寸为67.0m×28.0m,厚5.5m,与河床基本持平,不外露水面。墩位处地表覆盖层厚70.8-78.4 m,主要土层有粉砂、中砂、粉土、圆砾土和猫土,基岩为泥岩,岩石总体较完整,岩质较软。桥位处水位随长江季节性水位变化,枯水期约+12m,汛期约+26 m,变化达14 m。结合地质情况及经济比较,1#塔采取先钻孔后围堰的总体施工方案施工。围堰结构为拉森Ⅵ型钢板桩围堰。根据承台结构,为减少封底混凝土数量,围堰与承台在平面内同为哑铃型(见图9.2-15),在承台周圈留有1 m宽施工操作空间,平面内净空尺寸为69.0m×30.0 m,共320根钢板桩。大桥由中铁大桥院设计,中铁大桥局施工。


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鹦鹉洲长江大桥1#塔哑铃型钢板桩围堰


20111月开工的第二松花江特大桥是新建吉林至珲春铁路的重点控制性工程,桥址位于吉林市市区长图铁路桥上游30m,两岸多山区。主桥采用两孔主跨96m的预应力混凝土连续箱梁,下部结构36#墩的墩高为14.5m,采用C45混凝土。承台尺寸为28m× 14.4m×4.5m,嵌入岩层约1m,采用C30混凝土,承台方量1684.8m³,承台下为22根直径2.0m钻孔桩基础。根据地质资料显示,36#墩承台底部的岩层为全风化凝灰岩和强风化凝灰岩,抗压强度分别为200kPa350kPa。经过方案比选,本桥36#墩承台采用钢板桩嵌岩无封底施工方案,施工时先采用填土筑岛施工钻孔桩,然后在岛面上利用ECO600S静压植桩机静压单层钢板桩入岩,再采用无封底围堰技术施工承台。大桥由中铁大桥局施工。

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静压机植桩图


201411日开工的成贵铁路菜坝岷江特大桥是国内首座大跨度下承式变截面连续钢桁梁铁路桥,是成贵铁路全线重点工程之一。大桥全长1186.95米,主桥跨径布置为(140+224+140)m钢桁连续梁,下部结构承台施工也采用了静压植桩机施工,顺利按计划完成了148根钢板桩的插打任务。大桥由中铁大桥院设计,中铁大桥局施工。


扬州万福大桥是我国首座塔梁古建相结合的城市地标性建筑,主桥为双塔自锚式悬索桥,主跨 188米,全长664米,上层为双向六车道,下层为非机动车和人行通道。该桥从2013101日开工建设,2015920日建成通车。桥型融现代美与古典美为一体,总体风格为亭台楼阁,设计独特新颖,造型古朴典雅,与扬州城历史悠久、文化灿烂的厚重气质相得益彰。桥梁主体结构由中铁大桥局施工,桥头堡建筑结构由江苏扬建集团有限公司施工。7#8#墩为主塔墩,主塔墩承台尺寸为49.33×65.464m×5m,承台外形为哑铃型,采用筑岛钢板桩围堰施工,大桥由中铁大桥局施工。


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钢板桩围堰的前世今生

扬州万福桥效果图和哑铃型钢板桩围堰


20148月开工建设的中俄同江大桥主桥长达2215米(我国境内为1900米),可使同江口岸俄罗斯下列宁斯阔耶口岸连接,与西伯利亚大铁路相贯通,东连远东最大城市哈巴罗夫斯克,西通欧洲大陆。中方范围内主桥孔跨由北向南布置为:60m+108m+132m+144m+16×108m的简支钢桁梁,引桥为138×32m预应力混凝土简支箱梁。目前中方承担主体部分已基本完工,俄方承建部分正进行桥墩基础施工,中方建设范围内的主墩承台部分采用钢板桩围堰施工,建设者需要在零下10度的环境中进行主桥下部结构施工作业。大桥由中铁大桥院设计,中铁大桥局施工。


钢板桩围堰的前世今生

钢板桩围堰的前世今生

中俄同江大桥钢板桩围堰施工


2015930日开工建设的武汉四环线青山长江大桥北汊桥,桥跨布置为(65+3×110+65m五跨预应力混凝土连续梁桥,设计为分离式双幅桥,通航标准按照Ⅲ3)级航道,单孔单向通航净宽≥68m,净高≥18m3843#墩为过渡墩,承台尺寸为13.6×8.6×3.5m,基础采用6Φ2.0m钻孔桩,承台钢板桩围堰施工如图9.2-19所示。大桥由湖北省交通规划设计院和中铁大桥设计院联合设计,中铁大桥局施工。


五峰山长江特大桥主桥为(84+84+1092+84+84m钢桁梁公铁两用悬索桥,是连接连淮扬镇新建铁路和京沪高速公路南延的关键节点工程, 201510月开工建设。4号主塔墩位于镇江岸边,覆盖层以黏性土为主,表面有薄层填土,基岩为凝灰质砂岩。4号墩基础采用左右塔柱分离式承台(中间设系梁连接)、群桩基础形式,合计布置67根φ2.8m钻孔灌注桩。承台采用哑铃形,围堰结构形式复杂,采用钢板桩围堰施工,为国内最大平面尺寸的钢板桩围堰。大桥由中铁大桥院设计,中铁大桥局和二航局施工。

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五峰山长江特大桥4#墩钢板桩围堰


新建京张铁路JZSG-5标段正线长度16.21km,由官厅水库特大桥桥首至土木特大桥桥尾,2016年3月开工建设。官厅水库特大桥主桥位于河北省怀来县东花园乡和狼山乡之间,跨越官厅水库,227#~235#主墩其中228#~234#7个主墩位于官厅水库中,采用钢板桩围堰施工防护,垂直导管法水下混凝土封底施工后,抽水进行承台施工。215#~226#及235#墩位于官厅水库岸边,采用筑岛加钢板桩围堰支护,基坑开挖,地下水丰富区段,采取井点降水,进行承台施工。大桥由中铁咨询院设计,中铁大桥局施工。


随着桥梁施工技术的发展与部分桥梁特殊施工环境的要求,在钢板桩围堰的基础上衍生出了锁口型钢围堰,例如厦漳跨海大桥北汊主桥BZP3#主塔墩承台施工及港珠澳大桥CB05标非通航孔引桥承台施工,留待后续介绍。


钢板桩的前世与今生历时约百年,过程之中,中铁大桥局作为国内最先接触钢板桩的建桥企业,始终都是围绕着问题的出现与问题的解决,在推动国内建桥技术进步的同时,建成了一座座雄伟壮丽的桥梁再默默离开,却并未涉足钢板桩产业,一如桥梁支座、桥梁减震器、桥梁用钢、钢梁制造、斜拉索生产等等。但凡是积淀些自有产品与品牌,其影响力与盈利能力也不至于此。正所谓担当生前事,何计身后评,何其潇洒又何其无奈。


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编辑整理:项 敏


小知识

关于钢板桩的代号


  • 国标《GB/T 20933-2007 热轧U型钢板桩》

    分类代号:
    U型钢板桩代号为:SP U 
    (其中SP为钢板桩英文名称 sheet pile 的缩写) 

  • 国标《GB/T 20933-2014 热轧钢板桩》
    (新标准代替2007标准)

    热轧钢板桩包括三类,具体品种及其代号如下:

    U型钢板桩,代号为:PU

    Z型钢板桩,代号为:PZ

    直线性钢板桩,代号:PI

    注:其中P为钢板桩英文(Pile)的首字母,U、Z、I 代表钢板桩截面形状
    ▶ 《热轧钢板桩》国标 GB/T 20933-2014

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—- 精选文章回顾 —-

▶ 钢板桩未来趋势分析

▶ 静压植入工法

▶ 水刀辅助工法

▶ 组合桩工法汇总

▶ 拉森钢板桩施工问题及处理办法

 36米拉森钢板桩应用案例

▶ 上海北横通道23米钢板桩施工


▶ 《钢围堰工程技术标准》GB/T51295-2018

▶ 《综合管廊基坑支护》国家建筑标准设计图集17GL203-1 

▶ 《热轧钢板桩》国标 GB/T 20933-2014




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