在工程建设中, 基坑支护体系类型较多, 各有其适用范围。从结构形式看, 在软土地区较多采用排桩 (墙) +止水帷幕+内支撑系统 (或锚杆) 。其中, 排桩常用的是钻孔灌注桩, 止水帷幕多为水泥搅拌桩, 内支撑系统多为现浇钢筋混凝土结构。而钻孔灌注桩在施工过程中会对环境造成较大的影响, 造价也较高。而后发展起来的挡土和止水帷幕一体化的型钢水泥连续墙 (SMW工法) 是通过三轴水泥搅拌桩 (用于止水) 中插入H型钢的形式来达到挡土及止水功能。虽然H型钢可以回收重复利用, 但当水泥土强度较高时, 型钢回收难度增加, 回收成本也增加, 而水泥搅拌桩为一次性投入无法再利用, 故造价也相对较高。为克服上述不足, 钢管拉森钢板桩组合围护桩作为一种新型的PC工法桩已开始在软土地区应用, 本文通过对浙江大学宁波理工学院综合大楼工程的施工实践总结出一套全新的施工方法, 取得了较好的经济效益。

浙江大学宁波理工学院综合大楼工程总建筑面积11 102.4m² (包含地下室) , 地下建筑面积2 338.4m²。项目主要包括1栋5层综合大楼和1层地下室, 基础工程桩为钻孔灌注桩, 基坑围护采用拉森钢板桩和钢管桩结合1道钢筋混凝土支撑的支护形式。本工程±0.000绝对高程为3.750m, 场地地面平整后绝对高程按2.550m考虑, 相对标高约-1.200m, 基础底板面标高为-4.000m, 板厚0.35m, 计算开挖深度按承台垫层底计算为2.85~4.25m。其中钢管桩采用长度为16m, 直径为630mm, 壁厚为14mm的无缝钢管。两钢管桩之间采用长度为9m的拉森IV钢板桩小止口形式连接, 压顶及支撑梁采用钢筋混凝土。基坑围护平面如图1所示。

1) 施工操作方便, 速度快, 零养护期, 最大程度节约施工工期。

2) 施工无泥浆, 零污染, 在基坑回填后可全部回收, 不遗留任何地下障碍物, 既经济又绿色环保。

3) 钢管桩与拉森钢板桩之间相互锁口呈弧形状企口搭接, 止水、止淤、止砂效果好。

4) 通过标高限制器结构, 有效阻止拉森钢板因跟桩而导致标高参差不齐要反复拔打的问题, 使钢管桩与拉森钢板桩相对标高可以一次性达到设计要求, 从而提高了施工质量, 大大减小了劳动强度和施工成本, 保证了施工进度。

5) 参与设计计算的钢管桩作为主要受力桩, 不存在灌注浆及搅拌桩支护的施工质量通病, 并可结合多种支撑形式进行组合, 其支护质量能保证, 基坑安全性能高。

6) 两钢管桩之间可设计多根拉森钢板桩, 改善以往其他围护桩在桩间距上的局限性, 更加经济合理。

钢管拉森钢板桩组合围护体系施工技术是通过焊接在钢管桩两侧对称设置的止水锁口与同样设有止水锁口的拉森钢板桩相互搭接咬合而成, 拉森钢板桩主要起止水作用, 钢管桩与支撑作为主要受力结构, 地下室外壁回填后可以全部起拔回收。施工中借助一个标高限制器 (索具) 来对拉森钢板桩进行标高控制, 标高限制器 (索具) 是通过索链一端的竖吊钢板起重钳咬合在拉森钢板桩上, 另一端的挂钩悬挂在钢管桩上而成。施工时, 由于钢管桩与拉森钢板桩的质量差以及摩阻力的作用会把其邻近已打入的拉森钢板桩跟着沉下去, 当被安装索具的钢板桩下沉到索具的全部长度时, 因竖吊钢板起重钳受到向下的拉力后会锁死咬口, 将拉森钢板桩咬住, 防止其继续下沉, 拉森钢板桩的桩顶也即达了设计高度, 待钢管桩沉入到设计高度后, 松开竖吊钢板起重钳上的锁紧装置及挂钩即完成施工。钢管拉森钢板桩搭接如图2所示, 标高限制器连接如图3所示, 组合围护体系剖面如图4所示。

施工工艺流程 (见图5)

1) 根据钢管及拉森钢板桩的需用计划, 分别落实货源, 提前订货或加工, 安排运输和储备, 使能满足连续施工的需求。

2) 根据钢管桩与拉森钢板桩的设计标高预先制作好标高限制器 (索具) , 组成标高限制器的竖吊钢板起重钳和挂钩的型号应根据计算的摩阻力大小进行选择, 两者之间的连接件可以采用链条、连杆、索带任意一种。

3) 分析施工场地的地质及地下管线技术资料, 对在施工范围内的地下障碍物应全部进行清除, 围护桩区域内的地表硬物应进行凿除清理, 原有自来水管线、电缆线等应提前挪移。

4) 组织施工人员对施工图纸进行会审及技术交底工作, 编制和讨论施工方案及措施部署。

5) 为验证使用钢管拉森钢板桩施工的可行性, 施工前应对钢管拉森钢板桩进行试桩, 试桩数量不少于3根。

1) 根据规划部门提供的控制线及水准点, 严格按照设计施工图纸进行投测, 建立轴线控制网及高程引测点。

2) 定位围护桩的交汇控制点, 然后根据控制点测放出围护中心线, 根据桩径大小及工作面在围护中心线两侧标出灰线。

3) 根据基坑围护控制线, 采用PC200型挖土机开挖沟槽, 开挖深度为围护压顶梁的垫层底, 在开挖过程中应再次确认是否有地下障碍物, 如有障碍物应清理干净。

4) 开槽完成后, 根据围护桩中心线, 使用经纬仪分批测放桩位, 桩位处撒上白灰后用8钢筋做标识, 入土深度≥30cm, 同时用三脚架进行保护。

5) 测量放线采用三级检查一级验收制, 即先由现场技术员进行复测检查, 再由质检员检查确认无误, 然后由项目总工审定, 并报请业主代表或监理工程师进行验收并签字。

6) 技术人员负责将已验收的桩位轴线及桩位点向施工机组进行交接, 交接后的桩位点由施工机组负责保护, 发现桩位点被破坏时重新施放。

1) 先用履带式起重机配合索链及振动钳吊起第1根钢管桩至定位位置就位, 然后用2台经纬仪采取相互垂直的方向校正钢管桩的垂直度准备施打。

2) 钢管桩采用振动沉桩, 在沉桩过程中应随时观察桩的垂直度, 其偏差应≤l/250。

3) 启动振动锤匀速加压振送, 直至达到预定标高, 振动时必须控制好下沉速度, 钢管桩下沉速度一般为1m/min。

4) 钢管桩如长度偏长, 不能够一次性打入而需焊接时, 焊缝应饱满、平滑, 且相邻两根钢管桩接头应错开1m以上。

1) 首根拉森钢板桩施工在首根钢管桩施工完成后进行, 拉森钢板桩打入前应将桩尖处的凹槽底口封闭, 避免泥土挤入, 锁口宜涂黄油或其他油脂。

2) 拉森钢板桩也采用履带式起重机配合索链及振动钳施工, 施工过程中的垂直度控制同钢管桩。

3) 先用振动钳的机械手咬住拉森钢板桩的顶端使其悬挂在已打入钢管桩的顶部位置, 用人工使拉森钢板桩的止水锁口插入焊接在钢管桩外壁的止水锁口内, 然后缓慢压入拉森钢板桩。

4) 待拉森钢板桩垂直校正后, 起动振动钳打入, 当拉森钢板桩的顶端标高打入至钢管桩的顶端差不多平齐后停止作业, 即无需控制拉森钢板桩的准确标高, 只要其打入深度不影响下一根钢管桩的止水锁口人工对接插入即可。

1) 第2根钢管桩施工在首根拉森钢板桩初步完成至设计标高后进行, 其施工方法同前, 只是在打入前也应使其止水锁口插入至拉森钢板桩的止水锁口内, 然后进行施打。

2) 在第2根钢管桩入土施工过程中, 随着入土深度的加深, 该钢管桩的摩阻力也越来越大, 由于拉森钢板桩的底部没有进入到持力层, 而且拉森钢板桩的质量轻, 故钢管桩入土时的摩阻力会把相邻先前打入的拉森钢板桩带下去, 即产生跟桩现象, 当拉森钢板桩带入至离设计桩顶标高快接近时, 暂停钢管桩的打入, 然后把按设计长度加工好的标高限制器 (索具) 一端的竖吊钢板起重钳咬合在拉森钢板桩上, 并使起重钳上的弹簧锁紧装置扳到锁紧位置, 索具另一端的挂钩挂在先前第1根打入的钢管桩上作为受力点, 然后继续开打第2根钢管桩。索具安装初始状态立面如图6所示。

3) 在第2根钢管桩继续施打时, 首根拉森钢板桩继续跟桩下沉, 索具的索链也随着被拉直, 待索链被拉紧后, 咬合在拉森钢板桩上的竖吊钢板起重钳会锁死咬口, 将拉森钢板桩咬住, 防止其继续跟桩, 即首根拉森钢板桩也完成了设计标高的施工。待第2根钢管桩达到设计标高后完成了一个循环施工过程。

待第2根钢管桩下沉到设计标高后, 松开竖吊钢板起重钳上的锁紧装置及挂钩即可卸下索具, 以备下次使用。以此类推, 交叉施工下一根钢板桩和钢管桩, 直至所有围护桩施工完毕。

1) 施工时应先对钢管桩进行清理, 然后铺设混凝土垫层, 压顶梁、支撑均先绑扎钢筋后支模再浇筑混凝土。

2) 压顶梁及支撑梁应分组施工, 压顶梁、支撑梁的垫层浇筑两边应各超出10cm。

3) 压顶梁结构纵筋分别设置在钢管桩的两侧, 其两侧采用双肢箍截面的梁, 两根梁在钢管桩净空位置用拉筋进行连接。

4) 结构纵筋均通长配置, 搭接长度35d, 主筋保护层厚度为25mm, 纵筋在节点处锚固长度≥35d。

5) 混凝土采用商品混凝土, 浇筑时应振捣密实, 其强度等级应满足设计要求。

1) 土方开挖前, 应对基坑四周的场地进行平整, 并确保平整后的场地标高不高于设计标高。

2) 土方开挖应按照“大基坑、小开挖”的原则进行分区、分块施工, 各区块采用放坡开挖, 放坡坡率≥1∶2, 每层开挖深度不得超过1m, 挖出的土方须及时外运, 不得堆在基坑两侧。

3) 施工基础底板时应同时用同强度素混凝土浇捣填实底板与围护桩之间的空隙形成传力带, 传力带面按设计要求设置, 传力带与拉森钢板桩间应采用黄油或油毡进行隔离。

4) 地下室结构完成后应及时拆除剪力墙外侧模板, 并及时做好防水和回填工作, 基坑回填至拉森钢板桩顶以下0.5m即可, 以利于拉森钢板桩的回收工作。

1) 支撑梁在地下室施工阶段换撑结束后已经拆除, 压顶梁应待地下室完成后、外壁防水及回填土完成后进行破拆。

2) 压顶梁破拆时先用PC200破碎机在两钢管之间对压顶梁混凝土进行大块破碎, 破碎时注意不能触碰钢管桩, 也不能对钢管桩进行挤压, 然后再用手持式混凝土凿破机对钢管桩边上的混凝土进行修凿。

3) 压顶梁破碎后, 使用人工将支撑梁钢筋进行切割。

4) 拆除的混凝土渣须全部运出, 采用PC200型挖掘机破碎完压顶梁后可将破碎锤拆下, 安装上反铲挖斗进行清理, 其余较细小的废渣用人工清理。

1) 钢管拉森钢板桩回收工作应在外脚手架搭设前压顶梁凿除清理后立即进行, 拔桩仍然采用履带式起重机配合振动钳的打桩机械。

2) 拔桩时, 钢管桩与钢板桩应交替进行, 其先用振动钳分别对相邻两根钢管桩及钢板桩振动1~2min, 以减小土的粘附, 然后再边振边拔。

3) 对较难拔除的钢管桩, 可先用振动锤将桩振下100~300mm, 再与振动锤交替振拔、振打。

4) 对引拔阻力较大的钢板桩, 可采用间歇振动的方法, 先振动5min, 然后停歇5min交叉进行, 在停歇的过程中可对邻近的钢管桩进行振拔施工。

5) 如钢管桩有焊接接头, 待拔出钢管桩的焊接接口离地面至少50cm以上高度后, 由气焊工进行割除, 然后再振拔下一节钢管桩。

6) 钢管拉森钢板桩拔除时, 应设法减少拔桩带土, 减少避免带土过多引起的地面沉降和移位, 给已施工的地下结构带来危害。必要时可用跳拔的方法, 拔桩的顺序最好与打桩时相反。

为避免拔出钢管桩后空隙对周围道路的影响, 拔出钢管桩后可采用灌砂或水灰比为0.5的水泥浆倒流进行填充等措施。

钢管拉森钢板桩组合围护体系施工技术由于采用了钢管、拉森钢板材料, 故不存在如混凝土灌注桩及搅拌桩出现的质量通病问题, 因不需要泥浆护壁, 故无泥浆排放, 在地下室回填后, 支护桩可以全部回收, 地下不留障碍物。在浙江大学宁波理工学院综合大楼工程施工中采用该工艺后, 1根无焊接钢管桩或拉森钢板桩从开始就位振动至入土完成只要10min左右, 大大加快了施工进度, 因无养护期, 桩入土完成后可直接进行支撑梁的施工。与传统的钻孔灌注桩加搅拌桩的支撑体系以及SMW工法桩的施工方法相比, 在施工进度、施工质量、环境保护及支护桩回收方面综合对比测算, 其综合效益提高了近20%左右, 值得类似工程借鉴。