新型組合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土地基中的應(yīng)用

周 丞 崔 滿 王 健 朱 杰 程志翔

1. 上海諾港會(huì)展有限公司 上海 200120；2. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

隨著我國(guó)城市化發(fā)展與地下空間利用的需要，近年來(lái)建筑業(yè)基坑工程呈現(xiàn)用途多樣化、周邊環(huán)境復(fù)雜、基坑深而大的特點(diǎn)[1]。基坑工程與城市交通主干道、地下結(jié)構(gòu)、周邊建筑物的距離越來(lái)越小，基坑工程對(duì)周邊環(huán)境相互影響的工程問(wèn)題也日益增多[2-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了積極的探索，大多采用常規(guī)的基坑圍護(hù)體系，與現(xiàn)政策規(guī)定方向存在較大的差距，基坑圍護(hù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)工程施工設(shè)備的更新?lián)Q代將成為基礎(chǔ)施工行業(yè)的一種新趨勢(shì)。侯憲偉等[5]以上海某商業(yè)廣場(chǎng)基坑工程為背景，對(duì)SMW工法樁結(jié)合斜拋撐的圍護(hù)體系進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：斜拋撐能夠有效約束樁體上部結(jié)構(gòu)變形。岳馳宇[6]從施工工藝、質(zhì)量控制要點(diǎn)、工法優(yōu)勢(shì)等方面介紹了PC工法組合樁圍護(hù)體系，該圍護(hù)體系由鋼管樁和拉森鋼板樁連接而成，止水效果顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。張寧[7]以上海市某基坑圍護(hù)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比分析了PC工法組合樁與SMW工法樁的力學(xué)特性，結(jié)果表明：無(wú)論是成樁效果、止水效果、變形控制效果，還是經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，PC工法組合樁均優(yōu)于SMW工法樁。

綜上所述，既有研究在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新上仍存在較大的改進(jìn)空間，一些已經(jīng)出現(xiàn)的新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)也得不到推廣應(yīng)用。本文結(jié)合現(xiàn)有基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn)，提出了一種可以替代傳統(tǒng)基坑圍護(hù)工藝的新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)—型鋼鋼板連續(xù)墻與斜向支撐樁的組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以世界頂尖科學(xué)家論壇會(huì)議中心項(xiàng)目基坑工程為背景，分析了組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工期、經(jīng)濟(jì)效益、止水效果、變形特點(diǎn)等，對(duì)于新型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的探索意義，同時(shí)亦可為今后類似工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目綜合概況

1.1 工程概況

頂尖科學(xué)家論壇會(huì)議中心項(xiàng)目為世界頂尖科學(xué)家社區(qū)永久性會(huì)址，位于上海海港大道與環(huán)湖南三路路口。本項(xiàng)目總用地面積為8.6萬(wàn) m2，總建筑面積為22.5萬(wàn) m2，其中地上建筑面積為16.5萬(wàn) m2，地下建筑面積為6萬(wàn) m2。本項(xiàng)目包括會(huì)議中心、會(huì)展中心、酒店、商業(yè)等功能，北區(qū)為會(huì)議中心、劇場(chǎng)，地上2層，建筑高度為20 m；南區(qū)為酒店及文化藝術(shù)功能區(qū)，地上23層，建筑高度為120 m；北區(qū)會(huì)議中心、劇場(chǎng)區(qū)域樁基工程為φ500 mm的PHC管樁，南區(qū)酒店區(qū)域?yàn)棣?00 mm鉆孔灌注樁；地下室底板為筏板基礎(chǔ)，板厚700～1 200 mm，主體工程為全鋼結(jié)構(gòu)。

1.2 工程地質(zhì)概況

據(jù)勘察報(bào)告，本場(chǎng)地范圍內(nèi)揭露的地基土均屬第四級(jí)沉積物。從結(jié)構(gòu)特征、土性和物理力學(xué)性質(zhì)考慮，地基土可劃分7個(gè)工程地質(zhì)層及若干亞層。

本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度為5.6～6.6 m，局部落深1.5～2.0 m，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)土層主要為①1-1雜填土、①2浜填土、①1-3層吹填土、②3-1層黏質(zhì)粉土夾黏性土、②3-2層砂質(zhì)粉土、②3-3層砂質(zhì)粉土夾黏性土，基坑影響深度范圍內(nèi)涉及的地基土層除上述土層外，還包括④層灰色淤泥質(zhì)黏土。淺層雜填土、吹填土、浜填土土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，地基承載力較差，施工打樁設(shè)備荷重較大，可能引起打樁設(shè)備傾斜、倒塌等風(fēng)險(xiǎn)；②3-1層至②3-3層為粉砂性土，厚度較大，沉樁難度較大，具有較強(qiáng)的滲透性，易在地下水水頭差作用下發(fā)生管涌、流砂現(xiàn)象；④層淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度低、含水量高，具有流變特性。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與工藝特點(diǎn)

2.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)概況

本工程基坑開(kāi)挖面積為63 989 m2，自然地坪相對(duì)標(biāo)高－0.5 m，普通區(qū)域挖深6.6 m，塔樓區(qū)域挖深8.3 m，周長(zhǎng)1 014 m?；游鞅眰?cè)為海港大道，東北側(cè)為環(huán)湖南三路，采用HUW組合鋼板樁＋PIS工法樁斜撐?；幽蟼?cè)為新建DK路，DK路尚未施工，現(xiàn)為濱海灘涂待建區(qū)域，采用重力壩形式。根據(jù)本項(xiàng)目場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周邊環(huán)境條件以及項(xiàng)目建設(shè)單位施工要求，本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)東北和西北側(cè)采用HUW＋PIS工法樁新型組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)，局部為φ609 mm×16 mm鋼管角支撐與混凝土角支撐，如圖1所示。HUW工法由H700 mm×300 mm×13 mm× 24 mm型鋼和1 268 mm×14 mm或865 mm×12 mm的U型鋼組合，間距1.6 m或1.2 m，樁長(zhǎng)18 m；PIS工法斜樁（350 mm×450 mm預(yù)制樁）樁長(zhǎng)34 m或29 m，間距3.2 m或4.8 m。

圖1 HUW＋PIS工法樁新型組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)

東南側(cè)和西南側(cè)采用重力壩攪拌，前排為φ700 mm@500 mm的五軸攪拌樁，后排為φ700 mm@500 mm的雙軸攪拌樁，坑內(nèi)采用φ700 mm@500 mm的雙軸攪拌樁加固，頂部設(shè)置200 mm厚鋼筋混凝土壓頂板，壩寬≥5.2 m，第1、2排內(nèi)插H500 mm型鋼加強(qiáng)。壩體內(nèi)插φ48 mm×3 mm@ 1 000 mm鋼管，基坑內(nèi)降水采用70 mm小口徑真空管井＋輕型井點(diǎn)。

2.2 主要施工工藝特點(diǎn)

針對(duì)場(chǎng)地較差的施工條件與工程地質(zhì)情況，為保證基坑工程結(jié)構(gòu)安全及穩(wěn)定性，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家推行“四新技術(shù)，四節(jié)一環(huán)?！钡奶?hào)召，現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)單位提出施工快速便捷、經(jīng)濟(jì)合理的施工要求。因此，型鋼鋼板連續(xù)墻與斜向支撐樁組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工模式成為首選方案，其主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

1）工程可靠度高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件豎向的型鋼鋼板連續(xù)墻為連續(xù)、整體鋼板樁墻，具有剛度大、止水擋土效果好的優(yōu)點(diǎn)，保證了支護(hù)體系的整體性，能抵擋基坑外更多的主動(dòng)水土壓力。斜向支撐樁為工廠化預(yù)制樁運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)場(chǎng)，確保了斜向支撐樁構(gòu)件的可靠性，場(chǎng)地地層⑤、⑦層的密實(shí)度，有助于增強(qiáng)350 mm×450 mm預(yù)制支撐樁樁端阻力和樁側(cè)樁間土摩阻力，提高了斜向支撐樁的承載力。

2）施工工效快，豎向圍護(hù)樁與斜向支撐樁交叉流水施工，圍護(hù)體系一次成形，土方開(kāi)挖階段不受水平支撐或斜拋撐的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，豎向型鋼鋼板連續(xù)墻與斜向支撐樁無(wú)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，大大減少了基坑施工工期，提高了施工效率。

3）本工藝打破常規(guī)施工技術(shù)，創(chuàng)新出一種較為新型實(shí)用的基坑支護(hù)形式，相關(guān)的施工總結(jié)及資料參考價(jià)值較高，具有一定的創(chuàng)新性。

4）該圍護(hù)結(jié)構(gòu)清潔、節(jié)能、低碳、環(huán)保，資源循環(huán)使用，無(wú)污染排放，是一種節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展的綠色基坑施工技術(shù)。

3 施工工藝流程及質(zhì)量保證控制

本工程選用HUW＋PIS工法樁新型組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為基坑支護(hù)體系，基坑開(kāi)挖施工工序如圖2所示，包括HUW工法樁施工、PIS工法樁施工、圈梁施工、分層分塊開(kāi)挖至坑底、墊層及底板施工、地下結(jié)構(gòu)施工、基坑回填及鋼樁拔出注漿這7道工序。

3.1 HUW工法樁

3.1.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備、場(chǎng)地平整→施工放樣→溝槽開(kāi)挖→放置定位向架→型鋼、板樁插打→移動(dòng)定位架→將型鋼、板樁送至設(shè)計(jì)標(biāo)高→下一循環(huán)施工

3.1.2 技術(shù)質(zhì)量要點(diǎn)

1）依照定位架槽口靠自重力依次插滿H型樁，然后起吊振動(dòng)錘夾緊H型鋼樁頂端并依次勻速振動(dòng)型鋼至定位架上層0.6～0.8 m時(shí)，停止振動(dòng)，施工時(shí)每一個(gè)H型樁預(yù)留的高度應(yīng)高低不等，形成上下錯(cuò)位，便于U型板樁的施工。

2）對(duì)位調(diào)整H型樁間距，先靠自重力沉樁入土。當(dāng)入土后不再沉樁時(shí)，開(kāi)始用振動(dòng)錘振動(dòng)U型板樁，振動(dòng)過(guò)程中速度不能快，應(yīng)保持一定的速率下沉。

3）施工完前一架子樁后，在定位架的最后一根H型樁預(yù)留2 m高（便于下一架子套樁施工）。第2架施工套上預(yù)留的H型樁，按前步驟依次插打HUW工法樁，以此循環(huán)向前推進(jìn)施工。施工時(shí)控制偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于1%。

3.2 PIS工法樁

3.2.1 施工工藝及流程

PIS工法主要由圍護(hù)樁、斜向支撐樁、頂圈梁三部分構(gòu)成，三者流水施工，一次性完成，施工便捷。基坑開(kāi)挖基本不受支撐影響，是一種安全、經(jīng)濟(jì)、省時(shí)、綠色的圍護(hù)工藝。斜向預(yù)制支撐樁基坑支護(hù)系統(tǒng)（PIS工法）作為一種新型的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型，使用預(yù)制斜樁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土支撐，采用專用機(jī)械設(shè)備施工，角度0～40°，支撐樁為工廠預(yù)制。斜向支撐樁施工便捷，樁端進(jìn)入持力層后，可以提供較高的承載能力，有效控制基坑開(kāi)挖后的側(cè)向變形。

3.2.2 施工方法和技術(shù)質(zhì)量要點(diǎn)

1）工程施工前卸樁由起重機(jī)采用兩點(diǎn)起吊，平移至樁架前，然后再由卷?yè)P(yáng)機(jī)單點(diǎn)起吊，用鋼絲繩綁在樁上部約0.293L（L為樁長(zhǎng)）處，垂直喂入抱箍。

2）每次喂樁后，需要先控制抱箍?jī)A斜至設(shè)計(jì)角度，壓樁時(shí)啟動(dòng)壓樁油缸，當(dāng)樁入土至50 cm時(shí)，再次校正樁的傾斜角度和平臺(tái)的水平度，保證樁的縱向垂直偏差不超過(guò)0.5%，然后啟動(dòng)壓樁油缸，把樁徐徐壓下；控制施壓速度，一般不宜超過(guò)3 m/min。壓樁應(yīng)連續(xù)，同一根樁中間間歇時(shí)間不宜超過(guò)30 min。

3）焊接時(shí)預(yù)埋件表面應(yīng)保持清潔；上下樁節(jié)之間的間隙應(yīng)用鐵片填實(shí)焊牢；焊接時(shí)應(yīng)采取措施，減少焊接變形，焊縫要求連續(xù)飽滿；上下節(jié)樁的中心偏差不得大于5 mm，節(jié)點(diǎn)彎曲矢高不得大于樁長(zhǎng)的1‰，且不大于20 mm。

4 應(yīng)用成效分析

4.1 工期分析

本基坑圍護(hù)工程采用型鋼鋼板連續(xù)墻與斜向支撐樁相結(jié)合基坑圍護(hù)形式，施工上是圍護(hù)樁、支撐樁、圈梁一次成形流水施工，由傳統(tǒng)的順序施工方式改變?yōu)榻徊媪魉┕ぷ鳂I(yè)，從施工組織模式上大大提高施工效率。

HUW工法工業(yè)集成化程度高，樁體均為預(yù)制化裝配式鋼材，與現(xiàn)場(chǎng)澆筑樁、攪拌樁相比，有效地減少了鋼筋籠制作、混凝土澆搗、樁身養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)，大大加快了施工進(jìn)度。

本基坑圍護(hù)工程支護(hù)體系為一次流水施工完成，相比較傳統(tǒng)斜拋撐或混凝土內(nèi)插支撐施工工藝減少施工養(yǎng)護(hù)、拆除工況，初步估計(jì)采用斜向支撐樁的形式至少節(jié)省工期30 d。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

本施工工藝符合綠色環(huán)保低碳理念，HUW工法鋼板樁可以回收利用，PIS斜樁采用工廠預(yù)制，整體節(jié)約造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益良好。

4.3 止水效果分析

HUW工法鋼板樁因施工后形成鋼板連續(xù)墻，起到了較好的止水效果。對(duì)于鋼板樁搭接處，H型鋼上可設(shè)置多個(gè)C形止口，通過(guò)U型板上小鋼管和C形止口的緊密咬合，起到良好的止水效果。

4.4 監(jiān)測(cè)變形分析

通過(guò)分析坑外地表沉降、支撐軸力、坑外水位、圍護(hù)水平位移等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)值峰值均未超過(guò)報(bào)警值，這意味著預(yù)制斜向支撐樁結(jié)合型鋼鋼板樁連續(xù)墻工法對(duì)基坑變形控制和隔水均具有良好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

H型鋼組合咬合鋼板樁由帶止口的H型鋼和U型鋼板咬合而成，可以取代傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)工藝，對(duì)環(huán)境影響極小，具備止水效果好、操作便捷、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，其剛度略高于SMW工法樁。使用預(yù)制斜向支撐樁替代水平支撐，有別于傳統(tǒng)斜拋撐概念和工藝，極大節(jié)約了施工周期及成本，可實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙挖土及結(jié)構(gòu)施工，既環(huán)保又安全，徹底解決因支撐拆除而產(chǎn)生的基坑圍護(hù)懸壁的安全隱患。