随着城市建设发展及土地资源紧张、地下空间拓展的需要, 大型基坑项目越来越多且安全环保要求日益严格, 传统围护结构施工工艺在经济性、安全性及环保要求方面饱受诟病。本文引进PC工法作为新型支护工艺, 补充和完善传统支护结构不足, 比较后替代钻孔灌注桩及SMW工法桩作为基坑支护结构, 对PC工法的普及和推广有着借鉴意义。

西子智慧产业园项目位于杭州市临丁路南侧, 同协路西侧, 某已建厂区北侧, 用地面积92 821m², 地下建筑面积为64 000m²。工程主要由10幢高层建筑、4幢5层建筑和整体单层地下室组成。工程桩均为钻孔灌注桩。本工程周边环境较复杂, 西侧为厂房内部道路用地, 外侧设临时围挡, 距离地下室约20m;东侧地下室距离用地红线约10m, 红线外侧为绿化带, 输油管线距离红线约15m;南侧为厂区内部道路, 道路紧邻基坑边缘;北侧地下室外墙距离用地红线>13m, 红线外侧为绿化带;场地土土质较差, 基底标高上下分布有较厚的淤泥质软弱土层。开挖土层主要为 (1) 杂填土、 (2) ₁粉质黏土、 (2) ₂黏质粉土、 (2) ₃粉质黏土、 (2) ₄黏质粉土、 (3) ₁淤泥质粉质黏土, 坑底大部分位于 (3) ₁淤泥质粉质黏土, 西部少数地段位于 (2) ₄黏质粉土中。工程地质剖面如图1所示。

基坑设计开挖深度5.30～7.90m。根据基坑深度及周围环境情况, 确定基坑安全等级为二级, 重要性系数为1.0。本围护结构合理使用期限为1年。基坑围护方案如图2所示。

综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及其对周围环境的影响, 本工程具有以下特点。

1) 基坑开挖面积较大, 约67 605m², 围护结构外围周长约1 331m。

2) 基坑局部承台、电梯井开挖深度较深。

3) 表层杂填土、黏土层较厚。坑底大部分为淤泥质土, 土质较差, 呈流塑状。

4) 南侧局部地下室距离厂区内部道路非常近, 道路下方分布有污水管线。

5) 西南侧地下室外有部分工程桩及承台, 与围护结构位置有冲突。

6) 场地内部有一河流南北向分布, 围护施工前需回填处理。

7) 基坑形状不规则, 西侧中间部分内凹形成一个大阳角。

根据工程特点及难点分析, 结合主体结构和场地特点, 确定围护方案选型原则如下。

1) 安全性确保安全是第一要务, 存在重大安全隐患的方案即使节约成本、缩短工期也无实际意义, 且会带来巨大经济损失和社会影响。

2) 施工工期方案设计应考虑工期和施工方便性, 即可缩短工期和降低工程造价。

3) 经济性在保证基坑工程方案安全、可行性基础上, 优化基坑工程支护设计方案, 合理控制和降低工程造价。

根据本工程地下室基坑特点, 在“安全、经济、方便”的原则下, 对各种围护方案进行技术可行性、经济合理性分析。

基坑开挖范围内土层工程性质较差或一般, 尤其是上部人工填土、淤泥质粉质黏土及黏质粉土, 易发生坍塌、滑塌、管涌, 故地下室距建筑红线较近区域不宜直接进行放坡开挖, 须设支护系统。

钻孔灌注桩排桩支护工艺成熟, 质量易控制, 造价较经济, 可有效控制围护结构的内力和变形, 减小基坑开挖对周边环境的影响。根据类似地区工程经验, 本工程为1层地下室, 土层为不透水的黏土淤泥质土, 采用排桩结合喷锚护坡具有较高的可行性, 且有利于对基坑围护总体造价进行控制, 但是与PC工法组合桩比较而言, 钻孔灌注桩造价相对较高、工期较长 (需要养护) , 泥浆污染严重, 不环保, 在完成使用后会留下永久性障碍物。

SMW工法工艺简单, 成桩速度快, 可缩短工期。受力结构和隔水帷幕合一, 占用空间小, 绝大多数情况下, 型钢可以拔出重复利用, 降低工程造价。

PC工法组合桩采用直径630mm的钢管与拉森钢板桩间隔施工, 钢管桩刚度大, 桩与桩之间采用止水锁扣连接, 同时具备挡土和止水功能。该组合桩采用专用设备施工, 施工速度快, 无泥浆污染, 围护桩可以回收, 节约成本。与SMW工法相比, 无需再单独打设搅拌桩进行止水止土, 无需进行水泥搅拌桩养护, 具有造价低、缩短工期等明显优势。

钢筋混凝土支撑承载力高、安全性好, 能承受弯、剪、扭、压等复杂受力情况, 可根据基坑的形状灵活布置。但本基坑平面尺寸大, 如全部采用内支撑方案, 支撑和竖向立柱桩的数量较多, 围护造价相对较高且施工周期相对较长, 也无法满足分段实施的需求, 因此仅考虑在局部设置角撑。采用PC工法桩结合可回收旋喷锚索支护, 因部分主楼邻近坑边、不能留设施工缝, 且斜撑支护保留的三角土开挖困难, 效率低;一般斜撑支护变形偏大, 对周边道路造成较大影响。

西北侧及东北侧1层地下室部分采用自然放坡开挖。放坡开挖是最经济的围护形式, 具有施工速度快、土方开挖方便等优点, 在条件许可的情况下应优先采用。本项目大部分区域坡脚位置土层为流塑状淤泥质土, 不适合采用大放坡形式。

土钉墙围护结构具有经济性好、施工方便、施工工期短等优点, 在粉砂土黏土地基、开挖深度在6m以下的基坑工程中得到广泛应用。本项目周边环境较好, 土钉未超红线, 因此局部采用放坡+土钉墙支护。

本工程最终支护方案如下:南侧及东侧距离道路较近位置采用PC工法组合钢管桩结合1道旋喷锚索支护;北侧局部承台影响范围内采用PC工法组合钢管桩结合1～2道旋喷锚索;西侧区域采用放坡结合土钉墙支护, 北、南侧部分区域采用二级放坡结合土钉墙支护, 坡脚设置槽钢。坑内承台高差采用1∶1自然坡。

PC工法桩前身为传统的拉森钢板桩。传统拉森钢板桩不论是U型、Z型还是直腹型, 因其截面刚度小, 在深基坑应用时需要多层撑锚结构, 从而加大了施工难度导致其快速高效的优势难以发挥。为增大截面刚度, 通过设置连接小企口将拉森桩与钢管结合使用, 形成组合式围护桩, 即PC工法桩, 用于挡土和止水。

PC工法桩结合了钢管桩和拉森桩的优点, 其与二者相比具有以下特点。

1) 施工深度深PC工法施工深度最深可达45m (采用多节桩分级焊接) , 复杂地质情况采用先导前出钻设备, 施工深度最深可达55m。

2) 适用地层广泛不仅适用于一般的粉土、砂土、黏性土等, 也适用于淤泥质土等各种复杂土层地质条件, 且成墙品质高, 桩体强度高、抗弯抗剪性能好, 钢质连续墙体挡土止水效果显著, 安全可靠, 无须另设止水帷幕。

3) 节约工程量无置换土, 施工速度快, 无泥浆污染, 主材可回收, 环保无污染。

4) 插入型材的间距不受限制组合桩形式多样, 可根据基坑设计要求任意布置钢管桩的桩长、桩径及间距, 通过设置连接小企口, 可以插入1～3支拉森桩, 从而降低施工成本, 连接企口如图3所示。桩径630mm钢管桩有2种不同桩距的PC桩组合, 本工程采用桩径630mm、桩距1 100mm的组合桩 (见图4) 。

5) 信息化程度高通过钻机的操作监控器获取和控制施工参数, 通过沉桩速度、压力等参数调整纠偏, 保证垂直度, 施工操作灵活、无死角、打拔方便。

PC工法组合钢管桩施工主要为振动法。施工前, 应根据待建工程情况, 包括地质条件、周边环境条件、桩径等选择合适的沉桩机械。钢管桩施工前, 应根据桩位布置图进行测量放样并复核验收。根据确定的施工顺序, 安排钢管桩、拉森钢板桩等物资的放置位置。

根据PC工法组合钢管桩的轴线开挖导向沟, 并在沟槽边设置定位型钢, 在定位型钢上标出钢管桩和拉森钢板桩的插入位置。三支点桩基底盘应保持水平, 平面允许偏差为±20mm, 立柱导向架垂直度偏差≤1/250。

沉桩时, 钢管桩和拉森钢板桩应交替沉桩, 以保证钢管桩与拉森钢板桩企口搭接质量。均匀控制沉桩速度, 一般控制在1m/min。下沉过程中应采取措施保证桩的垂直度, 水平偏差≤10mm, 标高偏差≤100mm。沉桩时, 出现桩身倾斜、侧移、桩身破损或沉桩困难等异常情况时, 应停止沉桩, 待查明原因并进行必要处理后方可继续施工。吊桩时严禁桩身碰撞桩机, 避免桩身损伤。

1) 施工期间过程控制检查施工机械性能、材料质量, 钢管桩和拉森钢板桩规格、定位、长度、标高、垂直度下沉速度、拼接焊缝质量等。

2) 成墙质量验收钢管桩和拉森钢板桩的企口搭接状况、位置偏差等。

3) 基坑开挖检查包括钢管桩和拉森钢板桩的企口搭接状况、垂直度及渗透水等情况。PC工法组合钢管桩的桩身材料检查如表1所示, 插入允许偏差如表2所示, 焊缝质量应符合相关规定。

选取南面临近红线位置作为实例进行计算。该处支护方案为PC工法组合钢管桩结合1道旋喷锚索支护。地下水位埋深2.50m, 地面超载15.0kPa。土层参数如表3所示。计算简图如图5所示。

采用理正软件进行计算, 每根钢管桩内力与土体抗力如图6所示 (支撑反力是每延米的) , 地表沉降计算结果如图7所示。由图6显示桩身水平位移≤10mm, 抗力、弯矩剪力均控制在安全范围内, 地表沉降合理, 且稳定安全系数和抗隆起安全系数均大于JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》要求值。锚杆抗拔计算结果如表4所示, 由表4可知锚杆抗拔系数为2.61, 大于要求安全系数1.6, 轴向拉力也小于抗拉强度设计值, 故采用1道旋喷锚索即可。

图8为项目典型位置处地下室施工期间土体位移随时间变化曲线, 由图8可知, 土体位移在前半个月发展较快, 后期基本稳定在15mm以内, 位移较小, 且与计算值较吻合。施工过程中, 地面均未出现明显开裂, 充分说明支护结构安全可靠。

采用PC工法桩优化围护方案后, 较SMW工法降低造价20%以上, 节约工期1个月;与钻孔灌注桩相比, 降低造价40%以上, 缩短工期3个月 (见表5) 。

采用PC工法基坑支护结构, 解决了本工程施工面积广且不规则、土质较差、周边环境复杂等问题, 提高了生产效率, 节约了施工成本, 降低了资源消耗。该工艺在西子智慧产业园项目的成功应用, 为PC工法在其他大型基坑施工中的推广和运用提供了参考经验, 起到了技术引领作用。