復(fù)雜環(huán)境下軟土基坑鋼管樁圍護體系研究

唐俊華

（騰達建設(shè)集團股份有限公司，上海市200122）

0　引言

現(xiàn)今國內(nèi)的大中城市正飛速發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而眾多基建工程又不可避免地涉及到基坑工程的施工，如地鐵基坑、橋梁承臺基坑、房屋建筑基坑、地下管網(wǎng)與隧道基坑等等。在軟土地層中，目前大中型基坑通常采用地下連續(xù)墻或咬合樁等大剛度的圍護結(jié)構(gòu)形式，而小型基坑的圍護形式則趨于多樣化，如SM W工法樁、鉆孔灌注樁+止水帷幕、鋼管樁[1]+止水帷幕、鋼板樁等，通常都以設(shè)計方的慣用設(shè)計方案或者施工方的經(jīng)驗做法而定，缺少細致的分析對比。本文以上海大蘆線航道整治二期工程（大治河）6標(biāo)段航都路橋承臺工程為研究對象，從具體工程入手，基于經(jīng)濟和技術(shù)兩方面深入分析了鋼管樁圍護與其他圍護結(jié)構(gòu)的差異及其在小型軟土基坑中的適用性。

1　工程概況

大蘆線航道整治二期工程（大治河）6標(biāo)段航都路橋PM 14、PM 15主橋墩承臺基坑分別位于大治河南（PM 14）、北（PM 15）兩岸，PM 14主橋墩承臺基坑開挖深度7.2 m，PM 15主橋墩承臺基坑開挖深度7.3 m。基坑開挖尺寸12.8 m×10.0 m，基坑安全等級2級，基坑環(huán)境保護等級2級。基坑開挖時涉及土層為①1層填土、①2層浜底淤泥、②1層黃-灰黃色粉質(zhì)黏土、②3層灰色砂質(zhì)粉土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤層灰色黏土。土層多為淤泥質(zhì)土，呈流塑狀態(tài)。

擬建承臺結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境較為復(fù)雜，處于河道、老橋、斜坡道路的包圍之中，且與承臺結(jié)構(gòu)非常近。承臺基坑西側(cè)的老橋需在施工中進行保護，老橋臺結(jié)構(gòu)為塊石擴大基礎(chǔ)，施工期間老橋仍將供車輛和行人通行。南岸老橋結(jié)構(gòu)距擬建承臺結(jié)構(gòu)水平距離僅為1 m，北岸老橋結(jié)構(gòu)距擬建承臺結(jié)構(gòu)水平距離僅為1.2 m，且北岸離擬建承臺外邊線約11.4 m處有青草沙原水管，為頂管施工的直徑1.6 m鋼管，管頂標(biāo)高為-3.0 m。承臺基坑與周邊環(huán)境見圖1。

2　圍護方案甄選

對于開挖深度不大的小型軟土基坑而言，單從基坑本身的技術(shù)層面考慮，可以作為圍護結(jié)構(gòu)的選擇很多，比較常用的有SM W工法樁、鉆孔灌注樁+止水帷幕、鋼板樁、鋼管樁[2]等。如果綜合考慮經(jīng)濟性、周邊環(huán)境保護、施工周期、施工場地條件等因素，就可以得出一個相對較優(yōu)的圍護施工方案[3]。

2.1　SMW工法樁（型鋼水泥土攪拌樁）

SM W工法樁是在水泥土攪拌樁中內(nèi)插H型鋼，形成復(fù)合擋土且止水的圍護結(jié)構(gòu)。其對周圍環(huán)境影響較小、防滲性能較好、適應(yīng)土層范圍較廣、施工速度較快、施工成本較低且H型鋼可回收，適用于工期短的小型基坑。但是該工藝對場地條件要求較高，無法在狹小空間內(nèi)施工，且與混凝土類圍護相比，其側(cè)向抗彎剛度相對較小，對于控制開挖過程中的基坑變形不太有利。但是通過調(diào)整內(nèi)插H型鋼的密度并與支撐體系配合，可以在一定程度上提高其抗彎剛度。

圖1　承臺基坑與周邊環(huán)境示意圖（單位：m）

2.2　鉆孔灌注樁+止水帷幕

鉆孔灌注樁工藝極為成熟，可以適用于開挖深度較大的基坑，且側(cè)向抗彎剛度大，有利于控制基坑開挖過程中的變形和保護周邊環(huán)境，對施工場地的要求也較低。與攪拌樁或旋噴樁等止水帷幕搭配后，圍護的隔水效果也較為可靠。但是鉆孔灌注樁+止水帷幕的施工成本較高，而且鉆孔灌注樁施工速度較慢，施工時需要考慮對大量泥漿的處理問題。

2.3　鋼板樁

鋼板樁工藝極為成熟，可以適用于開挖深度較小的基坑，且對施工場地要求較低，施工速度快、成本低。但是鋼板樁圍護本身的側(cè)向抗彎剛度較小，需要在坑內(nèi)搭配多道支撐體系方可保證基坑的變形與安全，且隔水效果也不可靠。

2.4　鋼管樁+止水帷幕

鋼管樁施工工藝簡單而成熟，施工速度快、安全性高，鋼管樁在基坑施工完成后可起拔回收和再利用[4]，因此施工成本低。如果圍護采用鋼管密插的話，其側(cè)向抗彎剛度較大，而且由于圓形鋼管的截面特點決定了其各向等強、抗扭剛度、抗屈曲性能均要優(yōu)于SM W工法樁中的H型鋼。鋼管樁間空隙搭配攪拌樁或旋噴樁止水帷幕后，圍護的隔水效果比較可靠。鋼管樁施工對施工場地的要求較小，即便在非常狹小的空間下，依然可以正常施工，如與同樣對場地要求低的旋噴樁止水帷幕搭配施工，能夠適應(yīng)一些施工場地極為局促的工程。比較適合工期短的小型基坑工程。

表1為上述4種較為常見的小型軟土基坑的圍護結(jié)構(gòu)形式對比。結(jié)合技術(shù)、安全、經(jīng)濟、工期、環(huán)境影響等多方面綜合考量，針對大蘆線航道整治二期工程(大治河)6標(biāo)段航都路橋承臺基坑工程這種施工場地條件苛刻、地質(zhì)條件差、施工工期短、基坑面積和開挖深度均不大、周邊有需要保護的建（構(gòu)）筑物的小型軟土基坑，顯然鋼管樁+旋噴止水帷幕的圍護結(jié)構(gòu)形式是合理的方案選擇。

表1　常見圍護結(jié)構(gòu)綜合對比表

3　圍護體系設(shè)計

本工程承臺基坑圍護體系設(shè)計如下：考慮到基坑臨岸側(cè)施工荷載大，且有地下管線排布，因此臨岸側(cè)圍護采用側(cè)向抗彎剛度更大的820×16 mm鋼管樁（樁底標(biāo)高為南側(cè)-18.1 m和北側(cè)-18 m）+800高壓旋噴樁止水帷幕（樁底標(biāo)高-8 m），基坑其他側(cè)圍護采用609×16 mm鋼管樁（樁底標(biāo)高為南側(cè)-16.6 m和北側(cè)-16.5 m）+800高壓旋噴樁止水帷幕（樁底標(biāo)高-8 m）；基坑內(nèi)設(shè)2道型鋼支撐，其中第一道支撐圍檁采用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型H型鋼，支撐采用500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型H型鋼；第二道支撐圍檁采用雙拼700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型H型鋼，支撐采用700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型H型鋼。圍護結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2　基坑圍護結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圍護設(shè)計方案采用二維平面應(yīng)變有限元模型進行分析（分析過程中，針對不同分析對象采用不同的單元類型和本構(gòu)關(guān)系，分析模型的邊界采用全自由度約束）。經(jīng)分析得出基坑開挖所引起的土體最大水平位移、最大地表沉降等變形控制值均滿足二級基坑的規(guī)范要求，充分證明了本工程采用鋼管樁+旋噴止水帷幕與鋼支撐體系相結(jié)合的圍護結(jié)構(gòu)形式在理論上是完全可行的。基坑有限元分析結(jié)果見圖3。

4　鋼管樁圍護與基坑的實施

4.1　鋼管樁施打

（1）施工設(shè)備：鋼管樁的施打采用專用液壓鋼管樁打拔設(shè)備（配振動錘），由于其臂長一般有15或18 m左右，鋼管樁的施打可以不必完全緊鄰樁位，因此鋼管樁的施工機械可以根據(jù)施工現(xiàn)場場地的實際情況，見縫插針地進行施工，大大降低了對場地條件的要求。

圖3　基坑有限元分析結(jié)果

（2）鋼管質(zhì)量要求與準(zhǔn)備：施工前，應(yīng)逐根檢查鋼管樁，規(guī)格不符或者變形嚴重的嚴禁使用；檢查合格的鋼管樁外壁應(yīng)在打入前仔細涂覆潤滑油脂，以減少后續(xù)施打和拔出的摩阻力。

（3）垂直度控制：在施打過程中隨時測量監(jiān)控每根鋼管樁的垂直度，確保其不超過1/200，當(dāng)偏斜度過大又不能用拉齊方法調(diào)節(jié)時，應(yīng)整根樁拔起后重新施打，避免造成圍護侵界或影響相鄰樁體。對于施打困難的樁或周邊臨近建（構(gòu)）筑物時，可適當(dāng)采取引孔和振動相結(jié)合的技術(shù)措施。

（4）施打順序：對于小型基坑，樁的打入可采用單樁逐根打入法，即從一角開始逐根施打，直至完成，具有機械行走路線短、施工速度快的優(yōu)點。對于臨近保護建（構(gòu)）筑物區(qū)域的鋼管樁施工，可減緩施打速度以減小擠土效應(yīng)。

4.2　旋噴樁止水帷幕施工

考慮到本工程基坑臨近航道，地下水位和土體含水率都較高，土層的滲透系數(shù)大，對于基坑圍護結(jié)構(gòu)的止水性能要求較高，鋼管樁外的旋噴止水帷幕不應(yīng)僅僅是填充相鄰鋼管之間的間隙，因為鋼管樁管壁與旋噴樁水泥土兩種材質(zhì)間的接觸面易形成地下水的滲流路徑；本工程采用旋噴樁自搭接的方式形成旋噴樁止水帷幕自身的封閉，以較好地保證圍護結(jié)構(gòu)的止水性能。旋噴樁樁底必須深入坑底以下至少6 m，以減少坑外地下水向坑內(nèi)的豎向滲透速率。

4.3　圍檁與支撐施工

基坑土方開挖→支撐定位放線→開支撐溝槽→安裝圍檁H型鋼→抄水平焊接支撐牛腿和鋼圍檁→拼裝鋼支撐并安裝到位→檢查各節(jié)點情況并組織完工驗收→跟蹤挖土班組施工，然后重復(fù)以上步驟直至鋼圍檁、支撐全部安裝完畢。各道鋼支撐安裝前，應(yīng)對支撐位置、標(biāo)高和長度進行校核。

圍檁與支撐安裝時，必須設(shè)置防墜落牛腿，圍檁、支撐的連接采用焊接，單根型鋼接頭、轉(zhuǎn)角接頭及支撐與回檁接頭部位均應(yīng)設(shè)置加強板焊接，確保支撐與鋼圍檁相互焊接牢固。

4.4　基坑開挖與承臺施工

基坑以每道支撐底標(biāo)高為界采取分層開挖，基坑分為3層土方開挖，并限時完成每層土的開挖和支撐。每層挖土厚度控制在2 m以內(nèi)，每一層土以機械挖土至支撐底面標(biāo)高為原則，安裝好支撐后再進行下層土方開挖，并做到隨挖隨撐。開挖基坑土體采用長臂液壓挖掘機作業(yè)。在挖掘機挖不到的死角，用人工翻挖，喂給挖掘機。當(dāng)挖至離設(shè)計坑底標(biāo)高30 cm時，采用人工挖土修坡的方法平整基坑。開挖過程中采用集水明排、邊排邊挖的方式排除坑內(nèi)積水。

挖土結(jié)束后進行基坑驗槽，墊層施工緊隨挖土順序進行。墊層達到一定強度后，施放軸線、墩身線、承臺邊線。樁頂處理與樁基檢測合格后進行承臺施工，綁扎承臺鋼筋前要先調(diào)整樁頂鋼筋，做好喇叭口，隨后按設(shè)計及規(guī)范要求進行承臺的鋼筋綁扎、立模及澆筑混凝土。

4.5　鋼管樁拔除

（1）拔樁方法：拔樁采用振動錘拔樁，利用振動錘產(chǎn)生的強迫振動來擾動土質(zhì)，破壞鋼管樁周圍土的黏聚力以克服拔樁阻力，依靠附加起吊力的作用將樁拔除。拔除后的609管樁土孔回填采用中粗砂，820管樁土孔回填采用灌注水泥砂漿。

（2）拔樁順序：拔樁起點應(yīng)離開角部至少5根樁以上，拔樁順序宜與打樁順序相反，亦可跳拔。

（3）拔樁要點：鋼管樁的起拔必須待基坑內(nèi)承臺結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度的80%以上時方可實施；起重機應(yīng)隨振動錘的啟動而逐漸加荷，起吊力一般略小于減振器彈簧的壓縮極限；對阻力較大的鋼管樁，采用間歇振動的方法，每次振動15 min，振動錘連續(xù)不超過1.5 h。

5　結(jié)語

大蘆線航道整治二期工程（大治河）6標(biāo)段航都路橋PM 14、PM 15主橋墩承臺工程確定采用鋼管樁+旋噴止水帷幕作為承臺基坑的圍護結(jié)構(gòu)形式。在非常苛刻的場地條件下，按預(yù)定工期完成了所有的圍護結(jié)構(gòu)施工，并且在后期的基坑開挖與支撐、承臺制作過程中保證了基坑的安全性、穩(wěn)定性、止水性，展現(xiàn)了較好的抵抗變形能力，很好地保護了周邊的原水管道和老橋承臺。承臺完成后鋼管樁的起拔回收也最大程度地實現(xiàn)了施工成本的最低化，達到了預(yù)期目標(biāo)。

本工程基坑體現(xiàn)了鋼管樁+旋噴止水帷幕這一圍護形式在施工速度、施工場地條件、施工經(jīng)濟性及安全穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢，說明鋼管樁圍護可以成為更多軟土小型基坑、乃至大中型基坑圍護形式的較佳選項。