基坑圍護中的預制拼裝鋼筋混凝土構件選型及應用技術研究

周玉石

1. 上海城地建設股份有限公司 上海 200062；2. 上海城地巖土設計有限公司 上海 200062

近些年，隨著城鎮化進程的不斷推進，市政配套工程及房地產迎來了蓬勃發展的機會。考慮到對地下空間的合理開發利用，基坑開挖深度不斷加深。目前上海地區結合海綿城市深隧工程，基坑開挖深度已向60 m挺進。與此同時，國家大力倡導綠色建造，在建筑全壽命周期內最大限度地節約資源。在軟土地區，基坑工程投資占比高，節約資源降低造價的需求也同樣迫切。

根據不完全統計，2層地下室深度基坑（開挖深度在10 m左右）仍占基坑總量的絕大多數，鉆孔灌注樁結合水泥土攪拌樁止水帷幕是此類深度基坑最為廣泛的圍護體系之一。深刻分析可知，鉆孔灌注樁加水泥土攪拌樁的豎向圍護體系各部分功能是明確的：鉆孔樁承擔側向土壓力，水泥土攪拌樁負責隔斷基坑與外界的地下水聯系或減少相應影響。由于工藝較為簡單，工程應用實例眾多，積累了豐富的工程經驗，但隨著工程建設體量的不斷增加，問題也逐漸暴露出來。

在軟土地區，鉆孔灌注樁通常是采用泥漿護壁的方式成孔的，施工過程中產生大量泥漿，對環境污染嚴重；鋼筋籠現場制作、混凝土水下澆筑，質量控制依靠技術工人，難度大；樁體所采用的鋼筋和混凝土的設計強度通常不高，且施工時下籠及灌注環境較為惡劣，鋼筋混凝土夾泥后影響樁身強度。作為止水帷幕的水泥土攪拌樁目前應用范圍最廣的有雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁2種，這2種技術均存在材料消耗大、攪拌均勻性差、 質量控制難、環境污染大、施工效率低等問題。如針對該類圍護體系提出安全可靠、造價可控、環保綠色的替代性圍護方案將會帶來顯著的社會及經濟效益[1]。

1 采用預制構件的新型圍護體系概述

針對傳統圍護體系的不足，不少工程技術人員進行了新的探索研究。而在這些新的解決方案中，采用預制構件作為受側向土壓力的支護構件成為了研究熱點。張鵬等[2]提出了采用預應力工字形樁來替代鋼筋混凝土圓樁或SMW工法，并進行了樁體的抗彎性能研究；黃廣龍等[3]論述了采用預應力管樁作為支護結構承受水平向側壓力，充分發揮其較強的抗彎性能；周文苑等[4]針對預應力混凝土矩形支護樁進行了受彎性能試驗，研究了該類樁的受彎破壞特征、裂縫開展情況和受彎承載力等問題；劉帆等[5]就后張法預應力混凝土工字形樁的力學性能進行了試驗，對比了理論計算和試驗結果；劉小樂等[6]為改善預應力混凝土管樁抗剪能力差的現狀，使其能廣泛應用于支護工程中，從管樁的抗剪承載力計算公式入手，對目前的研究現狀進行分析和總結；周建凡[7]系統地論述了PHC管樁基坑圍護的可行性、沉樁擠土效應分析及對基坑的影響，并結合案例進行實例化分析；劉洋[8]詳細地論述了PCMW擋墻的設計計算與施工方法，并利用有限元對工程案例進行模擬；楊抗[9]詳細地論述了T（工）形圍護工法并對圍護結構材料進行了受力分析。

采用預制構件來承擔側向土壓力，具有以下優勢：構件工廠化生產，較現場制作鋼筋籠、水下灌注混凝土具有更好的質量可靠性；植入土中后無需養護，較現澆混凝土在工期方面可以節約近1個月的時間；矩形、H形、工字形截面較圓形截面受力更為合理，鋼筋混凝土用量均有較大節約，造價具有較強優勢。但預制構件單獨并不能形成圍護結構，需要與適當的止水構件結合形成豎向圍護體系。

如果要將預制構件進一步應用到基坑工程中，應以安全、經濟、低污染、施工速度快為原則，從生產環節、設計環節及施工環節進一步進行系統化研究。

2 新型圍護結構的需求分析

新型圍護結構應該具有以下特性：圍護系統組成的各個構件應質量可控；構件的生產、運輸、施工都應便捷；相對于同深度的傳統圍護結構具有造價優勢；整個生產、施工全過程低污染，環保綠色。

依據以上原則，對新型圍護結構做了如下分析：

1）圍護受側向力構件應采用預制鋼筋混凝土構件，這樣可以有效地控制板材的質量。但對截面的形式、采用的鋼筋類型及混凝土的強度級別應做深度討論。預制構件均存在生產、運輸的問題，長度通常不得大于15 m，但15 m并不能滿足新型圍護結構的需要，因此，應考慮合理的接樁形式。

2）止水帷幕施工在滿足止水要求的同時，應保證預制鋼筋混凝土構件能順利植入到位，因此應選用一種高效、質優、價廉的水泥土攪拌技術。

在確定了需求后，筆者對新型圍護結構的構想如下：采用質優價廉高效的水泥土攪拌樁作為止水帷幕，攪拌后的軟化水泥土可方便預制構件植入。預制構件截面宜選用受力合理且混凝土用量小的類型；構件中的鋼筋應采用高強鋼筋。相對型鋼，預制構件截面較大，植入水泥土的過程中阻力較大，應采用適當的設備輔助進行沉樁。考慮生產、運輸的原因，樁材長度單根不大于15 m，為了滿足基坑需求，應考慮快速接樁。

為實現以上構想，首先應對預制構件所采用的鋼筋進行選擇，其次對截面形式進行討論，并對樁材及接頭進行性能測試，再次應對工藝所需設備進行選擇及工藝流程進行設計和優化。

3 預制構件性能試驗

3.1 混凝土強度及鋼筋類型的確定

混凝土預制構件生產廠家在生產過程中通過蒸汽養護可讓混凝土構件在較短時間內達到設計強度。對于混凝土設計強度等級為C60的預制構件，脫模后自然養護即可達到出廠強度。但設計混凝土強度等級為C80以上的構件，脫模后需再進入高壓釜進行高溫蒸汽養護。在高壓釜內高溫蒸汽養護，每米構件成品成本增加6～8元，且隨著生態環境部“煤改氣、煤改電”要求落地，進一步增加了高溫蒸汽的成本。因此，在考慮生產環節及基坑工程實際需求的前提下，新型圍護結構中預制構件混凝土強度等級被定為C50。該強度易于達到，且完全滿足基坑工程要求。

圍護體系構想中鋼筋混凝土構件截面選用H形，該截面受力合理且節約混凝土的用量。但H形截面翼緣寬度不宜過大，鋼筋布置空間小。預應力混凝土用鋼棒（PC鋼棒）直徑小，但強度高，有利于布置鋼筋，另一方面考慮到預制構件廠PC鋼棒使用較多，如采用PC鋼棒作為受力主筋，設備改造少，有利于節約生產成本。我們需要考慮的是PC鋼棒是否滿足基坑工程使用要求，因此需對其進行性能測試。

3.2 PC鋼棒在純彎構件中的性能試驗

為了探討和驗證在臨時性工程中用PC鋼棒代替常規鋼筋作為混凝土梁受彎主筋的可行性，筆者委托專業機構進行了PC鋼棒配筋和普通三級鋼配筋的預制混凝土梁靜力加載試驗。

3.2.1 試驗內容、要求及方法

1）進行3根梁（包括2根PC鋼棒配筋和1根普通三級鋼配筋的預制混凝土梁）的單調靜力荷載，荷載的施加方法和試驗中荷載、位移和裂縫的量測均按照GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》中的規定進行。在2根PC鋼棒配筋梁中，一根為端頭焊接錨固（1#），另一根為鐓頭錨固（2#）。

2）測量內容包括荷載、位移和裂縫寬度等，由此得到其結構性能參數。

3）根據試驗數據處理結果，分析在臨時性工程中用PC 鋼棒代替常規鋼筋作為混凝土梁受彎主筋的可行性。

4）PC鋼棒配筋和普通鋼配筋的預制混凝土梁截面尺寸均為250 mm×500 mm，長度為6 000 mm（圖1、圖2）。

圖1 PC鋼棒預制混凝土梁

圖2 普通三級鋼預制混凝土梁

5）試件按照GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》的規定選定支座形式，試件一端為固定鉸支座，另一端為滾動鉸支座，跨度為5 100 mm，每端預留450 mm，采用三分點加載，用1個千斤頂通過分配梁對試件進行加載。

3.2.2 試驗結果分析

1）普通配筋梁的極限荷載對應的跨中撓度與PC鋼棒梁的基本接近（表1）。

表1 預制鋼棒梁試驗數據匯總

2）PC鋼棒梁的裂縫發生、裂縫發展和分布的情況與普通配筋梁比較接近，沒有顯著的差別。

3）PC鋼棒梁1#試件的破壞形式與普通配筋梁基本相似，PC鋼棒梁2#試件由于發生受彎主筋（鋼棒）拉斷，其破壞形式稍有不同；根據以上3個試件的試驗結果，可認為PC鋼棒梁受彎性能與普通配筋混凝土梁相似。分析PC鋼棒梁2#試件主筋拉斷的原因可能在于PC鋼棒張拉過度。

4）根據試驗結果，3個試件均未發生受拉縱筋（PC鋼棒和普通鋼筋）錨固破壞。

5）根據GB/T 5223.3—2005《預應力混凝土用鋼棒》的有關規定，試驗中所使用的PCB 12.6-1420-35-L-HG型PC鋼棒，其公稱抗拉強度為1 420 MPa，建議按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》相關規定，此類PC鋼棒抗拉強度設計值取不大于1 006 MPa。

3.3 H形預制構件樁材性能試驗

為了驗證H形截面預制構件樁材的性能，筆者委托專業機構進行了預制構件的三分點加載試驗。構件混凝土強度級別選用了C50，鋼筋選用了φ12.6 mm的PC鋼棒，鋼棒抗拉強度設計值取了公稱抗拉強度的70%，即994 MPa。考慮到PC鋼棒在純彎工況性能試驗中鋼筋拉斷的情況，在制作預制構件時，PC鋼棒僅做拉直操作，方便箍筋布設及滿足起吊即可，最大限度地釋放鋼筋的延性。試驗分別針對預制構件單樁及接頭進行測試。

1）進行3根6 000 mm×300 mm×650 mm的梁的測試（圖3），編號分別為4#、5#、6#。

2）測量內容包括荷載、位移和裂縫寬度等，由此得到其結構性能參數。

3）根據試驗數據處理結果分析在臨時性工程中H形截面樁材的受力性能。

測試結果（表2）顯示樁材均為剪切破壞，下一階段試驗進一步增加箍筋直徑，提高配筋率。

圖3 H形預制混凝土樁截面

表2 H形鋼筋混凝土預制梁試驗數據匯總

3.4 預制H形圍護樁接頭性能試驗

3.4.1 接頭的抗彎試驗

在H形圍護樁接頭試驗中，吸取前段試驗的經驗，進一步增加了箍筋直徑，且對接頭形式進行了深入設計。

1）進行3根3 000 mm×300 mm×650 mm的梁的測試，編號分別為4-1#、4-2#、4-3#。每根梁由2節長3 m的樁利用快速鋼連接頭進行連接（圖4）。

圖4 H形預制混凝土梁接頭示意

2）測量內容包括荷載、位移和裂縫寬度等，由此得到其結構性能參數。

3）根據試驗數據處理結果分析在臨時性工程中H形截面樁材接頭的受彎性能（表3）。

由于反力裝置在第1根梁試驗中發生了一定變形，在調整后恢復試驗，且加載千斤頂行程已到極限，接頭抗彎試驗并未進行到破壞階段。但根據試驗所測數據，接頭抗彎能力已滿足要求。

表3 H形鋼筋混凝土預制梁接頭抗彎試驗數據匯總

3.4.2 接頭的抗剪試驗

H形預制構件HCS-850B接頭試件的抗剪試驗目的是研究接頭在靜力荷載下的受力狀態、傳力性能，測試接頭的極限抗剪承載力，分析試件的剪力-剪切位移試驗曲線變化規律，并觀察其破壞形態（圖5）。

圖5 進行接頭試驗的H形預制混凝土樁接頭處截面

本試驗共進行2組H形預制構件HCS-850B接頭試件的抗剪試驗，試件的區別為接頭處是否安裝具有抗剪能力的定位銷，第1組試件在接頭處不安裝定位銷，第2組試件在接頭處安裝定位銷。

基于此，研究試件在純剪狀態下，不同接頭構造形式的抗剪能力與破壞模式。

試件由樁A、B兩段組成，中間為接頭部分。試件A段采用地錨拉桿固定于高500 mm的型鋼墩上（圖6）。

圖6 抗剪試件加載示意

分析第1組試件的數據曲線（圖7）可以看出，第1組構件在達到屈服荷載約為760 kN后，繼續加載，構件進入塑性變形階段，隨著位移的增加，荷載幾乎不變，穩定在760 kN左右，出現明顯的屈服平臺，構件延性較好。

分析第2組試件的數據曲線（圖8）可以看出，第2組試件沒有明顯的屈服平臺，當構件達到極限荷載1 150 kN后，荷載急劇下降，而位移卻沒有明顯增長，構件發生剪切破壞。

圖7 不帶定位銷H形預制混凝土梁荷載-變形關系曲線

圖8 帶定位銷H形預制混凝土 梁荷載-變形關系曲線

綜合分析本次試驗的試驗數據及破壞現象，可得出如下結論：

1）第1組試件（無定位銷）的剪切破壞發生在板樁本體，板樁本體先于接頭破壞，得到板樁本體的抗剪承載力為760 kN；第2組試件（有定位銷）的剪切破壞發生在接頭處，得到具有定位銷的接頭抗剪承載力為1 150 kN。

2）第1組試件（無定位銷）荷載位移曲線有明顯的屈服平臺，板樁本體具有較好的延性；第2組試件（有定位銷）則沒有明顯的屈服平臺，具有定位銷的接頭延性較差。

綜上所述，具有定位銷的接頭抗剪承載力比板樁本體高約50%，但其延性較差，因此定位銷可明顯提高構件的抗剪承載力但降低了構件的延性。

3.5 預制構件樁材及接頭試驗總結

1）采用PC鋼棒作為鋼筋混凝土構件的受力鋼筋是合適的，抗拉強度設計值選取994 MPa，安全余量是充足的。混凝土強度等級定為C50，適于目前階段工廠化生產的條件。

2）采用接頭處兩端的L形鋼板、對拉鋼筋、帶楔形槽鋼蓋板及高強螺栓組成的構件快速鋼連接接頭抗彎能力、抗剪能力高于樁身的抗彎、抗剪強度，可以滿足工程需要。

3）H形鋼筋混凝土構件樁材試驗中均為剪切破壞，分析原因是箍筋配置率太低。在接頭試驗中通過增大箍筋直徑，合理設置箍筋間距，平均抗彎能力提高約30%。

4）采用H形截面，選用PC鋼棒作為受力筋，合理配置箍筋，根據現實條件確定混凝土強度等級，通過多次試驗確定了L形鋼板＋鋼蓋板的快速連接接頭。通過以上諸多措施最終實現了預制快速拼接鋼筋混凝土支護構件的設計，通過測算，其較圓形截面現場澆筑鉆孔灌注樁節約造價達27.8%。

4 預制鋼筋混凝土構件圍護應用設備研究

新型的圍護結構需要具有擋土及止水的功能，且施工過程中應確保擋土構件具有較高的垂直度；止水帷幕應質量良好、對各種土性具有良好的適應性，且造價應具有優勢。為進一步完善預制構件圍護體系，我們應首先確定專用施工設備，然后對施工流程進行設計和優化，最后應確定施工的各項參數及質控要求。

4.1 土體軟化及止水帷幕設備的選取

軟土地區基坑工程止水帷幕多選用雙軸水泥土攪拌樁、三軸水泥土攪拌樁及強制攪拌式五軸水泥土攪拌樁。

雙軸水泥土攪拌樁自20世紀70年代引入國內一直沿用至今，理論上施工深度可達到18 m。水泥摻量通常為13%～15%，水灰比0.55左右。由于機械動力較小，攪拌及噴漿技術落后，故成樁的質量較難控制。

三軸水泥土攪拌樁在20世紀90年代從日本引進，施工工藝中水灰比取值較雙軸大，通常為1.5～2.0，水泥摻量為20%～22%，水泥土漿液流動性好。該種攪拌樁漿液攪拌均勻，止水效果較好，且攪拌深度可達33 m。

強制攪拌式五軸水泥土攪拌樁采用獨特的“上下式噴漿”，即在攪拌葉片上下各設置1個噴漿口，通過鉆桿正轉與反轉來打開和關閉[10]。

正轉向下掘進時，下部噴漿口打開，上部噴漿口關閉，漿液從底部噴出，通過攪拌葉片可以進行充分攪拌，提升反鉆時關閉下部噴口，打開上部噴漿口，噴出的水泥漿液進行第2次充分攪拌。通過以上的施工操作，機械一上一下完成了2次噴漿攪拌的動作，水泥土攪拌更加均勻，質量更好。五軸水泥土攪拌樁水泥摻量13%～15%，水灰比為0.8～1.2。

通過對比分析，筆者選用強制攪拌式五軸水泥土攪拌樁作為土體軟化及止水帷幕的工藝。

4.2 預制鋼筋混凝土構件植入設備的選取

在通過水泥土攪拌樁軟化土體后，預制鋼筋混凝土構件需植入至設計標高。但構件截面面積較大，植入過程中需選用輔助設備來進行。目前預制樁沉樁一般采用錘擊、振動、壓入3種方法：

1）錘擊法：利用樁錘下落時的瞬時沖擊機械能，克服土體對樁的阻力，使其靜力平衡狀態遭到破壞，導致樁體下沉，達到新的靜壓平衡狀態，如此反復地錘擊樁頭，樁身也就不斷地下沉。該法施工速度快，機械化程度高，適應范圍廣，現場文明程度高，但施工時有擠土、噪聲和振動等公害，對城市中心和夜間施工有所限制。

2）振動法：利用一個大功率電力振動器（振動錘），沉樁時，把振動錘安裝在樁頂上，利用振動力以減小土對樁的阻力，使樁能較快地沉入土中。

3）壓樁法：是借助于樁架自重及樁架上的壓重，通過滑輪換向把樁壓入土中。壓樁法的特點主要有：

① 施工時無沖擊力，產生的噪聲和振動較小，施工應力小，可減少打樁振動對地基的影響。

② 樁頂不易損壞，不易產生偏心沉樁，精度較高。③ 能在施工中測定沉樁阻力，為設計施工提供參數，并預估和驗證樁的承載能力。

④ 由于專用樁架設備的高度和壓樁能力受到一定限制，較難壓入30 m以上的長樁，但可通過接樁，分節壓入。

⑤ 機械設備的拼裝和移動耗時較多。

考慮到靜壓方式無噪聲，且不易影響樁頭質量，新型圍護植樁宜采用靜壓方式。常規的靜壓樁機壓樁位置位于機械的中部，但基坑圍護樁施工均離紅線較近，常規壓樁設備無法滿足要求。

針對現場實際的需要及工藝的需求，筆者同設備生產廠家共同研制了全自動遙控機器人邊樁機。該設備完全滿足基坑工程植樁需求，縱橫向行走、吊樁、壓樁全程遙控控制，操作簡單，操作人員可遠離吊樁區域，最大限度地保證施工安全，智能化操作，節省人工。設備兼有傳統靜力壓樁機的無振動、無噪聲等優點，又比高頻振動錘更高效節能，壓樁速度更快、質量更高。構件植入過程，有夾具的控制，垂直度可控制在1/500以上。

4.3 工藝的流程設計

4.3.1 施工流程

預制拼接鋼筋混凝土構件圍護體系施工流程應考慮施工場地大小、周圍環境等因素，搭接施工的相鄰圍護構件施工間歇不應超過16 h，如超過應進行復攪操作。施工過程中應合理設計施工流程，確保安全。具體施工流程為：測量放樣→開挖溝槽→設置導向定位型鋼→強制攪拌五軸攪拌機就位，校正樁機水平和垂直度→啟動自動化后臺拌漿→下部噴漿口噴漿，切割土體下沉至設計樁底標高→關閉下部噴漿口，打開上部噴漿口噴漿，提升至地面→移機至第2幅→全自動遙控機器人邊樁機調平→H形鋼筋混凝土構件第1節起吊定位→校核H形鋼筋混凝土構件垂直度→植入第1節混凝土構件→H形鋼筋混凝土構件第2節起吊定位→利用快速鋼連接接頭連接構件→植入第2節混凝土構件→下一循環。

4.3.2 施工參數

1）強制攪拌式五軸攪拌樁設備直徑與軸距應與預制鋼筋混凝土構件尺寸相匹配。φ800 mm@500 mm五軸樁對應H650 mm×300 mm板樁；φ950 mm@600 mm五軸樁對應H850 mm×400 mm板樁。

2）宜采用P.O 42.5水泥，水泥摻量宜取13%～15%，根據土層的情況，水灰比可在0.8～1.2之間合理選取。在特別軟弱的淤泥和淤泥質土中應適當提高水泥摻量。建議水灰比1.2。攪拌樁28 d無側限抗壓強度標準值不小于0.8 MPa。

3）攪拌樁噴漿攪拌下沉速度宜控制在0.5～1.5 m/min，提升攪拌速度宜控制在1.0～1.5 m/min，并保持勻速下沉或提升。提升時不應在孔內產生負壓造成周邊土體的過大擾動，攪拌次數和攪拌時間應能保證水泥土攪拌樁的成樁質量。具體選用的速度值應根據成樁工藝、水泥漿液配合比、注漿泵的工作流量計算確定，攪拌次數或攪拌時間應確保水泥土攪拌樁成樁質量。

4）H形鋼筋混凝土構件在攪拌樁施工完畢后3 h內插入，要求樁體偏差不大于20 mm，標高誤差不大于100 mm，垂直度偏差不大于0.5%。

5）高強螺栓應擰緊，接頭連接應可靠。

5 工程案例

5.1 工程概況

上海某工程基坑平面呈不規則形狀，基坑面積約4 147 m2，圍護結構周長約306 m；一般區域基坑開挖的深度為5.65 m（承臺6.55 m）、局部落深區域開挖深度6.75（承臺7.65 m），根據上海市工程建設標準DG/T J08-61—2010《基坑工程技術規范規定》，基坑工程安全等級為三級。

項目周邊環境較為復雜，北側為已建2層樓的構筑物，南側為變電站、電纜溝等，西側為某科研院所內中央大道，東側為已建1層建筑物。基坑周邊建筑及地下管線較多，相對較復雜。

5.2 設計方案

基坑深度為5.95～6.95 m，圍護結構采用H形板樁水泥土攪拌墻，5φ800 mm@500 mm水泥土攪拌樁內插H650 mm×300 mm板樁，板樁間距800 mm，插入深度7.45 m，圍護結構插入比1∶1.19，深坑區域插入深度8.55 m，圍護結構插入比1∶1.23。

6 結語

傳統的鉆孔灌注樁結合水泥土攪拌樁止水帷幕圍護體系雖然應用案例眾多，成功經驗豐富，但存在環境污染嚴重、材料浪費大、施工速度慢、質量控制難等諸多問題。本文旨在通過試驗方式選取合理的材料、確定最優的構件截面及合理的接頭形式，在考慮施工現場實際需求的情況下定制研究專項圍護構件及施工設備，形成了可替代傳統圍護的新型預制拼裝鋼筋混凝土構件圍護體系，具有較好的應用優勢[11-12]：

1）構件工廠化生產，質量穩定、可靠，根據設計要求可實現定制。

2）連接接頭安全可靠，鋼筋混凝土構件可快速拼裝，方便生產、運輸及現場施工。

3）H形構件的截面形式合理，鋼筋混凝土的配置滿足基坑工程需求，節約大量建筑材料。

4）考慮土體軟化、止水及造價等多方面因素，選用五軸水泥土攪拌樁來進行施工，安全、可靠、快速且適應市場。

5）根據實際需求，定制了全自動遙控機器人邊樁機來植入樁體，施工速度快、樁體垂直度高、無噪聲。

6）通過優化施工流程，整個圍護體系施工工藝質量可控，有效提高工藝質量的穩定性。

7）H形預制拼接鋼筋混凝土構件圍護結構造價相對于傳統鉆孔灌注樁方案有大幅的降低，是相對更為環保、綠色的工法。

工藝通過多項工程的驗證，安全可靠，如能全面替代傳統方案將會帶來顯著的社會及經濟效益。