中心城區(qū)軟土地層深基坑的動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法研究

吳小建 張阿晉

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

目前，上海軟土地區(qū)開挖深度5～15 m的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)常用形式主要有：鋼板樁、型鋼水泥土攪拌樁（SMW工法樁）、鉆孔灌注樁、咬合樁等傳統(tǒng)施工工藝，由于傳統(tǒng)施工技術(shù)及工程隊(duì)伍較為成熟，在現(xiàn)有基坑工程建設(shè)中應(yīng)用較多。

但是，隨著近年來工程建設(shè)領(lǐng)域綠色化、信息化、裝配化概念的不斷深入，傳統(tǒng)施工工藝的諸多不足越來越受到業(yè)界的關(guān)注，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：施工效率低、周轉(zhuǎn)利用率不足；工程廢棄物多，環(huán)境污染嚴(yán)重；圍護(hù)結(jié)構(gòu)功能單一，止水效果較差；支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度小，鋼板拔出施工擾動大；施工組織難度高、綜合經(jīng)濟(jì)效益差等。

因此，在繼承傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，立足于以上海為代表的富水軟土地區(qū)5～15 m深基坑工程高效化、信息化、裝配化、綠色化建設(shè)需求，開發(fā)具備高環(huán)境保護(hù)、高止水性能及高效施工特點(diǎn)的新型施工工藝，形成中心城區(qū)軟土地層深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法，具有較高的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1 傳統(tǒng)施工工藝評析

1.1 鋼板樁

傳統(tǒng)鋼板樁具有施工速度快、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但在軟土地區(qū)，鋼板樁僅適用于開挖深度不超過7 m的較淺基坑，當(dāng)基坑開挖深度較大或當(dāng)基坑緊鄰變形敏感的建（構(gòu)）筑物時(shí)，由于鋼板樁抗彎剛度小，容易導(dǎo)致基坑開挖變形大、環(huán)境擾動影響嚴(yán)重。同時(shí)，由于鋼板樁采用簡單的鎖扣連接，其咬合處止水效果差，基坑滲水較為嚴(yán)重，安全隱患較多。

1.2 SMW工法樁

SMW工法樁是采用水泥土攪拌樁內(nèi)插H型鋼后形成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。但SMW工法樁剛度較小，基坑較深或開敞暴露較長時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，易產(chǎn)生滲漏水問題，帶來安全隱患，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也會影響型鋼拔出。同時(shí)，拔出施工容易帶出土體，造成空隙坍塌，極易引起二次施工擾動變形。

1.3 鉆孔灌注樁

傳統(tǒng)鉆孔灌注樁由于其剛度較大，在較深基坑中應(yīng)用較為廣泛。但由于灌注樁為分離式排樁，其本身不具備止水功能，須在外側(cè)加設(shè)水泥土攪拌樁等止水帷幕，才能使圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有止水功能。另外，鉆孔灌注樁施工過程中廢棄物較多、混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間長、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境差，不符合綠色化、高效化施工要求，其工程應(yīng)用正受到越來越多的條件限制。

1.4 咬合樁

傳統(tǒng)咬合樁通過第二序次施工的樁與已有的第一序次的樁間進(jìn)行切割咬合，形成可止水的整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，但咬合樁需進(jìn)行二次咬合，對施工組織要求高；此外咬合樁主要采用全套管鉆機(jī)成孔，設(shè)備依賴性大，且一般施工單位缺乏經(jīng)濟(jì)實(shí)力購置多種直徑的套管，也使咬合樁的樁徑使用受到較多的限制。

2 軟土深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法

2.1 工法原理

中心城區(qū)軟土地層深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法是將具備往復(fù)動態(tài)注漿止水功能的高強(qiáng)度鋼管樁通過鎖扣連接形成連續(xù)的擋土止水結(jié)構(gòu)（圖1），實(shí)現(xiàn)基坑開挖過程中的按需快速止水，并通過回灌注漿功能實(shí)現(xiàn)大直徑鋼管樁的低影響快速拔除施工。該工法具有施工效率高、適用范圍廣、環(huán)境影響小、裝配化程度高及資源利用率高等優(yōu)勢，符合富水軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)高效化、信息化、裝配化、綠色化施工要求。

圖1 動態(tài)止水咬合鋼管樁示意

2.2 工藝優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 剛度大、強(qiáng)度高，應(yīng)用范圍廣

采用大直徑鋼管樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體，整體剛度大、抗彎強(qiáng)度高。同等用鋼量情況下，與拉森Ⅳ鋼板樁相比，其剛度和抗彎強(qiáng)度可提高數(shù)倍，有效減少基坑開挖時(shí)土體卸載對圍護(hù)結(jié)構(gòu)本體及周邊環(huán)境的變形影響，可適用于周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的深基坑工程。

2.2.2 擋土止水一體化，節(jié)地效果好

采用空心鋼管樁形式，充分利用材料強(qiáng)度，可承受坑外較大的主動土壓力。同時(shí)，由于鋼管樁自帶“三合一”注漿鎖扣，使其成為集擋土止水功能于一體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，相比鉆孔灌注樁分離式排樁加外側(cè)止水帷幕的形式，其對圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工空間要求小。此外，該工藝施工簡單，無需額外的施工臨時(shí)場地（如鋼筋加工、泥漿存儲等），其節(jié)地效果顯著。

2.2.3 動態(tài)跟蹤注漿、止水效果好

相鄰鋼管樁之間通過陰陽鎖扣的咬合及鎖扣內(nèi)注漿，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的止水功能。陽鎖扣為“三合一”多功能鋼鎖扣管，可同時(shí)具有導(dǎo)向管、注漿管、鎖扣管的功能，可根據(jù)土層情況及地下水滲流實(shí)況進(jìn)行針對性的動態(tài)跟蹤注漿止水；對有滲透隱患的區(qū)域或已有滲漏現(xiàn)象的區(qū)域，可進(jìn)行二次反復(fù)注漿，止水效果較好。

2.2.4 裝配組合施工效率高

本工藝為裝配式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)樁運(yùn)輸至現(xiàn)場并作好檢驗(yàn)等準(zhǔn)備后，即可打入施工，現(xiàn)場無鋼筋綁扎及混凝土澆灌養(yǎng)護(hù)，施工效率較傳統(tǒng)鋼筋混凝土類的圍護(hù)有較大提高，配合鋼管樁免共振沉樁施工工藝，施工效率成倍提高，且最大限度降低了對周邊環(huán)境的擾動影響。

2.2.5 符合綠色化施工理念

鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)全材料周轉(zhuǎn)使用，且無泥漿等廢棄物排放，其環(huán)境保護(hù)效應(yīng)顯著。鋼管拔出時(shí)形成的土間空隙可自動實(shí)現(xiàn)漿液回灌，避免周邊建筑物的下沉開裂及市政生命管線的損壞等，環(huán)境影響較小，符合綠色化建設(shè)理念[1-3]。

2.3 工藝流程

軟土深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻工法施工工藝主要包括以下幾部分內(nèi)容：圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、圍檁及支撐系統(tǒng)施工、降水及土方開挖、地下結(jié)構(gòu)及支撐拆除施工、圍護(hù)結(jié)構(gòu)拔出施工等。

其具體施工流程如下：定位放線→挖導(dǎo)向槽→安裝導(dǎo)向架→施打第1根鋼管樁→鎖扣對齊咬合，依次施打其余鋼管樁，并利用多功能鎖扣注漿管進(jìn)行跟蹤注漿止水→逐層開挖，依次設(shè)置壓頂梁、圍檁及水平支撐→施工地下室，并回填密實(shí)地下室外墻與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的空隙→拔除鋼管樁，邊拔除邊對拔除時(shí)形成的土間空隙進(jìn)行注漿回灌。

3 軟土深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼管樁低影響施工技術(shù)

隨著我國城市的快速發(fā)展，中心城區(qū)深基坑工程建設(shè)面臨著周邊保護(hù)建（構(gòu)）筑物眾多、各類市政生命管線縱橫交錯(cuò)、施工場地狹小、建設(shè)工期緊張等制約因素。尤其是在上海等軟土地區(qū)，工程涉及地層基本為飽和含水流塑或軟塑黏土層，該地層具有孔隙比大、壓縮性高、含水量豐富、抗剪強(qiáng)度低及靈敏度高等特點(diǎn)，進(jìn)一步加大了工程施工對周邊環(huán)境的擾動影響，給深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝比選提出了更高的要求。

傳統(tǒng)鋼管樁沉樁方式主要有以下3種：靜壓法、錘擊法和振動法。靜壓法施工設(shè)備龐大、笨重，轉(zhuǎn)場施工不易，要求邊樁中心到已有建筑物有一定的距離；壓樁能力受到一定限制，且存在明顯的擠土效應(yīng)。錘擊法施工存在振動影響大、噪聲污染嚴(yán)重、施工質(zhì)量控制難度高、沉樁順序受限及擠土效應(yīng)嚴(yán)重等問題，傳統(tǒng)振動法沉樁施工具有環(huán)境擾動影響大、資源消耗嚴(yán)重、施工效率提升幅度有限等缺點(diǎn)，已不再適用于人口密度大、周邊環(huán)境復(fù)雜的城市核心區(qū)深基坑工程施工。

為了克服傳統(tǒng)施工工藝的諸多缺點(diǎn)，本工法擬采用高頻免共振沉樁施工技術(shù)。該技術(shù)利用高頻振動錘的高頻激振力使土體液化，分節(jié)打設(shè)鋼管樁；由于振動錘的振動頻率避開了土體振動頻率，避免了因共振對周邊土體造成的不良影響，同時(shí)由于其施工精度較高，有利于形成高精度連續(xù)止水結(jié)構(gòu)。鋼管樁免共振沉樁工藝具有低噪聲、無共振、無擠壓土體、施工垂直度高等優(yōu)勢，極好地解決了城市建設(shè)環(huán)境保護(hù)難題，可真正實(shí)現(xiàn)高效率、低擾動、綠色化沉樁施工。

3.2 動態(tài)跟蹤止水功能設(shè)計(jì)

為了提高連續(xù)鋼樁墻止水效果，本工法在鋼管樁兩側(cè)設(shè)置了多功能陰陽鎖扣以形成集擋土、止水功能為一體的連續(xù)鋼樁墻。該技術(shù)不僅通過特制鎖扣增加了地下水的繞流路徑，通過物理技術(shù)（如鎖扣咬合）減少了基坑滲水量；同時(shí)將陽鎖扣設(shè)計(jì)為圓形截面注漿管，焊接于鋼管一側(cè)，注漿管內(nèi)設(shè)置2個(gè)阻塞器，阻塞器可在注漿管中自由移動，根據(jù)需要將漿液限定在注漿區(qū)域的任一段范圍內(nèi)，通過對土層由下往上進(jìn)行定深、分層注漿，達(dá)到分段、重復(fù)注漿的目的；注漿主劑可采用水泥，也可根據(jù)工程需要結(jié)合水玻璃，或摻入其他附加劑。

本工法多功能陽鎖扣不僅增加了地下水的繞流路徑，滿足一般基坑的防滲水要求，而且對于防滲要求較高的基坑而言，可在鋼管樁施打就位后根據(jù)水文地質(zhì)情況，進(jìn)行精確、往復(fù)、跟蹤防滲注漿，對于地下水的實(shí)時(shí)安全管控具有非常重要的借鑒意義。

3.3 低擾動拔樁施工技術(shù)

為了降低傳統(tǒng)鋼管樁拔出施工對周邊環(huán)境的二次附加擾動，本工法考慮在陰鎖扣連接段設(shè)置注漿管（圖2），在鋼管樁拔出施工過程中，進(jìn)行邊拔樁邊注漿施工，該連接段空腔作為鋼管拔出時(shí)的漿液回灌通道，其底部設(shè)有封堵塞，當(dāng)漿液壓力達(dá)到一定值時(shí)，封堵塞被沖出，為漿液進(jìn)入拔樁空隙打開通道，以達(dá)到減少拔樁施工對周邊環(huán)境影響的目的。通過低擾動拔樁施工技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)鋼管樁近接拔出施工的同時(shí)，可充分實(shí)現(xiàn)鋼管樁的可持續(xù)、循環(huán)利用，具有較好的社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益[4-6]。

圖2 陰鎖扣連接段注漿回灌通道

4 結(jié)語

1）在深入分析傳統(tǒng)5～15 m深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文從提高施工效率、降低施工影響、減少工程廢棄物、可持續(xù)利用等角度出發(fā)，提出了一種適用于上海等軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)動態(tài)止水施工工法。

2）該工法在結(jié)合傳統(tǒng)鋼管樁機(jī)械式鎖扣連接止水的基礎(chǔ)上，融合動態(tài)注漿止水技術(shù)，提出了一種具有動態(tài)止水效果的新型鋼管樁連接方式，具有剛度大、強(qiáng)度高、應(yīng)用范圍廣、擋土止水一體化、裝配施工效率高、動態(tài)跟蹤注漿效果好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合富水軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)近接施工，符合我國現(xiàn)階段低擾動、綠色化、高效化、信息化的工程建設(shè)理念，市場前景非常廣闊，社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益顯著。

綜上所述：中心城區(qū)軟土地層深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝中的諸多不足，順應(yīng)了我國大中型城市地下空間大規(guī)模開發(fā)建設(shè)的總體趨勢，為基坑工程近接微變形施工提供了更多的技術(shù)選擇，為相關(guān)技術(shù)的持續(xù)開發(fā)提供了非常重要的參考價(jià)值。