雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用

王琳，宋春梅，李兆蘭

( 1.東營(yíng)市海天勘察測(cè)繪有限公司，山東 東營(yíng) 257091；2.中石化勝利油建工程有限公司，山東 東營(yíng) 257091 )

近年來，隨著房地產(chǎn)項(xiàng)目的不斷開發(fā)，基坑工程可利用場(chǎng)地越來越少，對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)越來越嚴(yán)格，故基坑支護(hù)方案在安全的基礎(chǔ)上，需著重考慮施工的可行性及工程的造價(jià)。SMW工法近年來在基坑支護(hù)工程中應(yīng)用十分廣泛，具有止水擋土雙重作用，在基坑工程應(yīng)用中具有良好的經(jīng)濟(jì)效果及支護(hù)效果。不過，考慮到SMW工法中型鋼的租賃周期無法確定及回收時(shí)的施工條件要求，基坑工程中采用PHC管樁代替型鋼的PCMW工法也越來越受設(shè)計(jì)師的青睞。目前，國(guó)內(nèi)一些基坑設(shè)計(jì)師針對(duì)PCMW工法進(jìn)行了一些實(shí)際工程應(yīng)用[1-8]，并取得了良好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及實(shí)用效果。常規(guī)PCMW工法和SMW工法一般采用三軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁或者型鋼，但常用的三軸攪拌樁機(jī)施工空間要求較大、組裝復(fù)雜、進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用高，對(duì)于某些基坑工程，尤其是三四線城市，基坑工程往往僅局部受場(chǎng)地影響，需要考慮地下水及對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)，三軸攪拌樁機(jī)在場(chǎng)地施工條件上優(yōu)勢(shì)并不明顯，僅小范圍施工或工程量較少時(shí)使用，經(jīng)濟(jì)效益較差。故本文以采用雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁支護(hù)形式的基坑為例，介紹雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁的支護(hù)機(jī)理、施工工藝和施工關(guān)鍵等。該支護(hù)體系在實(shí)際應(yīng)用中、在安全可靠的基礎(chǔ)上，解決了施工場(chǎng)地狹窄問題，也滿足了建設(shè)單位工期緊、造價(jià)低的訴求。

1 工程項(xiàng)目概況

該工程位于東營(yíng)市廣饒縣樂安大街以北，長(zhǎng)安路水系以東，主樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)，主體為22層，地下2層，主樓四周為地下車庫(kù)，車庫(kù)采用框架結(jié)構(gòu)，地下1層?；悠矫娲笾鲁收叫危又荛L(zhǎng)約495.5 m，面積約13 245.9 m2，開挖深度約5.77 m?；颖眰?cè)車庫(kù)基礎(chǔ)邊距離離圍擋邊線(道路邊線)最近約6.1 m，距在建住宅樓39.4 m；基坑?xùn)|側(cè)為待建二期場(chǎng)地；基坑南側(cè)車庫(kù)基礎(chǔ)邊距項(xiàng)目部最近約7.5 m；基坑西側(cè)車庫(kù)基礎(chǔ)邊距離施工圍擋最近約0.5 m，其余位置基礎(chǔ)邊距離施工圍擋最近約1.3 m，圍擋往西為綠化帶，距水系最近約20.0 m。基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)及北側(cè)場(chǎng)地周邊較為空曠，環(huán)境保護(hù)要求較低，可滿足放坡支護(hù)，由于西側(cè)為長(zhǎng)安路水系，水量豐富，與地下水有一定的補(bǔ)給關(guān)系，綠化帶多為樹木及冬青，不準(zhǔn)破壞，故西側(cè)較為復(fù)雜。本文僅以西側(cè)位置的支護(hù)方式為例進(jìn)行分析，西側(cè)相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 西側(cè)位置關(guān)系

2 工程地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)區(qū)地形略有起伏，地貌單元屬于淄河第四紀(jì)堆積土層，主要為粉土、粉質(zhì)黏土互層沉積，局部粉土相變?yōu)榉凵?，為主要透水層，?jiǎn)化后地層共分6層，土層及力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

該場(chǎng)地地下水類型屬于第四紀(jì)潛水，主要靠大氣降水補(bǔ)給，以大氣蒸發(fā)為主要排泄方式，與西側(cè)水系水源有一定的補(bǔ)給關(guān)系。2021年1月勘察期間的地下水位埋深在自然地面下3.50 m左右，水位變化幅度在2.0 m左右。此外，綠化帶區(qū)域的定期噴水澆灌也對(duì)水位有一定的影響。

3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)與施工

3.1 支護(hù)方案選擇

基坑西側(cè)受圍擋及外側(cè)綠化帶影響，不具備放坡開挖條件，需垂直支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境及水文條件，一方面，設(shè)計(jì)要注意土體的變形控制，另一方面也要確保地下水的穩(wěn)定，確保綠化帶區(qū)域植物的成活率。為保證西側(cè)水土的穩(wěn)定及避免噴水澆灌對(duì)基坑的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用止水帷幕+支護(hù)樁形式。西側(cè)基坑方案分析如下：

1)止水帷幕+灌注樁方案控制變形能力強(qiáng)，但造價(jià)高；當(dāng)?shù)赝ǔ２捎肧MW工法。該方案施工經(jīng)驗(yàn)成熟、支護(hù)效果理想。但考慮到場(chǎng)地狹小，后期型鋼拔出時(shí)，施工作業(yè)面有限，待滿足作業(yè)條件時(shí)，工期較長(zhǎng)，相比管樁，工期超過4個(gè)月以上，型鋼租賃費(fèi)的增加會(huì)導(dǎo)致SMW工法整體造價(jià)偏高。本項(xiàng)目滿足型鋼拔出條件至少6個(gè)月，故考慮采用管樁代替型鋼，即PCMW工法。

2)西側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)較多，施工作業(yè)面狹小，三軸攪拌樁機(jī)施工轉(zhuǎn)動(dòng)較困難，轉(zhuǎn)折處攪拌樁搭接質(zhì)量難以保證。此外，本工程僅西側(cè)考慮止水帷幕，工程量較少，采用三軸攪拌樁時(shí)，由于三軸攪拌樁施工機(jī)械為大型機(jī)械，進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用比雙軸攪拌樁機(jī)械費(fèi)用要高，且三軸攪拌樁機(jī)械的組裝及拆除復(fù)雜、工期稍長(zhǎng)。在工程量較少的情況下，雙軸攪拌樁機(jī)械完全能滿足項(xiàng)目的進(jìn)度要求且節(jié)省了大型機(jī)械的進(jìn)出場(chǎng)費(fèi)用。

綜上所述，本工程在PCMW工法的基礎(chǔ)上，采用雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁進(jìn)行基坑支護(hù)，不僅施工費(fèi)用降低，施工更易操作。具體設(shè)計(jì)參數(shù)：雙軸攪拌樁采用Φ700@500，樁長(zhǎng)14 m，穿過5層粉土(透水層)，保證西側(cè)止水效果，內(nèi)插管樁采用PHC 500 AB 100，樁長(zhǎng)12.0 m，間距1.0 m，進(jìn)入5層粉土持力層，冠梁采用C30鋼筋混凝土澆筑，尺寸1.0 m×0.8 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)計(jì)算采用北京理正深基坑7.5進(jìn)行分析，由于西側(cè)為綠化帶，荷載按10 kPa考慮即可滿足工程設(shè)計(jì)及施工需求。排樁計(jì)算時(shí)由于設(shè)計(jì)軟件缺少管樁支護(hù)模型，本工程樁材料類型按照鋼筋混凝土，樁截面類型按照?qǐng)A形截面計(jì)算。同時(shí)，止水帷幕只考慮止水作用，不考慮對(duì)排樁內(nèi)力計(jì)算的影響，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，本工程選用當(dāng)?shù)爻Ｓ脴缎蚉HC 500 AB 100即可滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求。計(jì)算分析采用彈性法，分析結(jié)果見表2。

表2 支護(hù)樁內(nèi)力計(jì)算

3.3 施工工藝

雙軸攪拌樁施工：雙軸攪拌樁水泥摻量15%，水灰比為1.0，水泥采用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。施工采用兩噴四攪，施工工藝流程如圖3所示。

圖3 雙軸攪拌樁施工流程

插PHC管樁施工：攪拌樁施工完成后，立即使用打拔機(jī)夾住準(zhǔn)備好的PHC管樁，拎起保持自然垂直，對(duì)準(zhǔn)管樁插入的位置，并同時(shí)調(diào)整管樁的垂直度，將管樁壓入攪拌樁，重點(diǎn)控制管樁的垂直度及插入深度。

冠梁施工：管樁錨入冠梁700 mm，配筋采用構(gòu)造配筋，根據(jù)SMW工法中型鋼與冠梁的連接構(gòu)造做法改進(jìn)后施工，如圖4所示。

圖4 冠梁配筋

3.4 施工要點(diǎn)

1)雙軸攪拌樁的水灰比不能僅考慮止水要求，還要參考SMW工法的施工要求，保證在水泥土攪拌止水效果前提下，確保管樁的順利插入。由于雙軸攪拌樁機(jī)鉆桿螺旋齒片較少，置換土方量少，攪拌效果較三軸攪拌樁機(jī)差，故本工程采用兩噴四攪，增加水泥土的均勻性及和易性。

2)考慮振動(dòng)錘輔助管樁下沉。與三軸攪拌樁施工成的水泥土具有較大的流塑性不同，雙軸攪拌的置換土方量少，水泥土的塑性較大，產(chǎn)生的水泥土側(cè)阻力較大，故管樁僅靠自重?zé)o法下沉到設(shè)計(jì)位置，除充分?jǐn)嚢柰?，管樁插入時(shí)應(yīng)考慮振動(dòng)錘輔助下沉，通過打拔機(jī)的振動(dòng)將管樁插入設(shè)計(jì)標(biāo)高，以保證施工質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)錘輔助管樁下沉施工如圖5所示。

3.5 質(zhì)量控制

1)雙軸攪拌樁成孔圓心直徑為700 mm，攪拌葉回轉(zhuǎn)直徑偏差不超過20 mm。用全站儀校核樁位偏差，偏差不應(yīng)大于20 mm。樁機(jī)平穩(wěn)就位后，用經(jīng)緯儀對(duì)導(dǎo)向架垂直度進(jìn)行校核，偏差值應(yīng)小于1/150。雙軸水泥攪拌樁在下沉和提升過程中，嚴(yán)格控制下沉和提升速度，在2層和5層粉土中應(yīng)多次重復(fù)攪拌，提高攪拌樁止水效果，防止縮徑現(xiàn)象發(fā)生。為防止管樁下沉困難，攪拌樁務(wù)必進(jìn)行第三次不噴漿攪拌下沉提升，尤其是在5層粉土持力層位置進(jìn)行充分?jǐn)嚢铇?，是提高管樁滿足設(shè)計(jì)要求深度的關(guān)鍵。

2)管樁樁徑為500 mm，管樁外壁與攪拌樁外壁差值僅有100 mm，在插入攪拌樁時(shí)，務(wù)必控制好管樁中心與攪拌樁中心的偏差，樁位允許偏差不得超過50 mm。管樁樁頭挖出并清理干凈附著在管樁表面的水泥土后，再施工冠梁。

4 施工效果

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)方案嚴(yán)格按照基坑監(jiān)測(cè)方案及相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工后、基坑開挖前，測(cè)得初始值，然后根據(jù)施工相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)監(jiān)測(cè)。本工程從2021年9月3號(hào)開始監(jiān)測(cè)，2021年9月13日已開挖至基底標(biāo)高，基坑已開挖至基底1月有余，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定收斂，其中冠梁頂水平位移監(jiān)測(cè)及深層土體水平位移分析如下。

1)冠梁頂水平位移監(jiān)測(cè)，基坑開挖至基底后的2次觀測(cè)數(shù)據(jù)，位移變化速率最大達(dá)1.67 mm/d，而后趨于穩(wěn)定，累計(jì)最大水平位移量為23.3 mm，圖6為冠梁最大水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況。

圖6 冠梁頂水平位移

2)深層土體水平位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域的土體水平位移變化最大，基坑開挖至基底這段時(shí)間，位移變形速率最大達(dá)2.03 mm/d，之后變形速率逐漸減小，累計(jì)位移量趨于穩(wěn)定，目前土體水平最大位移量約為26.9 mm，如圖7所示。

圖7 深層土體水平位移

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50497—2019要求，冠梁水平位移和深層土體水平位移監(jiān)測(cè)預(yù)警值可參照表3執(zhí)行，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示冠梁水平位移和深層土體水平位移的變化速率和累計(jì)最大水平位移值均在預(yù)警值內(nèi)，表明了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠。

表3 監(jiān)測(cè)預(yù)警值

4.2 現(xiàn)場(chǎng)施工效果

由于西側(cè)為綠化帶，地面沉降監(jiān)測(cè)困難，通過巡視檢查，坑外綠化帶內(nèi)并未出現(xiàn)裂縫及明顯沉降，支護(hù)效果明顯。坑內(nèi)PHC管樁及冠梁未發(fā)現(xiàn)開裂痕跡，基坑側(cè)面也無滲漏水情況，基坑開挖效果如圖8所示。由此可見，雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁的支護(hù)形式效果顯著，對(duì)變形控制較為理想。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁成果

5 結(jié)論

通過理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1)本工程采用雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁的支護(hù)形式在設(shè)計(jì)理念及施工可行性上是合理有效的，在狹小場(chǎng)地和工程量較少時(shí)運(yùn)用，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2)雙軸攪拌樁內(nèi)插PHC管樁的支護(hù)方案，根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理選擇PHC管樁代替H型鋼，不僅解決了狹小場(chǎng)地拔出型鋼的施工難題，也避免了工期延長(zhǎng)造成的H型鋼租賃成本增加的問題。在止水帷幕工程量較小情況下，采用雙軸攪拌樁代替三軸攪拌樁，減少了大型機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)成本，在一定程度上降低了造價(jià)。

3)雙軸攪拌樁施工機(jī)械面對(duì)狹小場(chǎng)地具有較高的靈活性，不過在實(shí)際施工中，雙軸攪拌樁不如三軸攪拌樁攪拌均勻，水泥土的流塑性較差，插入PHC管樁時(shí)需采用振動(dòng)錘輔助施工。