PC鋼管樁工法在武漢地區(qū)深基坑工程中的應(yīng)用

▍摘要摘要：本文以武漢某軟土深基坑工程為實(shí)例，考慮復(fù)雜環(huán)境條件的影響，運(yùn)用“天漢軟件”二維計(jì)算模型，結(jié)合Flac3D巖土有限元軟件建立三維等比例數(shù)值模型，進(jìn)行分析計(jì)算工作，通過(guò)施工實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果，驗(yàn)證了PC工法的安全性及合理性。項(xiàng)目在保證深基坑周邊環(huán)境安全，完成既定工程目標(biāo)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了基坑支護(hù)構(gòu)件全回收，達(dá)到了巖土工程的低碳排放、綠色環(huán)保的目的。該工程為指導(dǎo)類(lèi)似項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：PC鋼管樁工法；復(fù)雜環(huán)境；軟土深基坑；變形控制；全回收；綠色低碳▍引言我國(guó)關(guān)于“雙碳”的國(guó)家總體政策將“推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)和管理模式低碳轉(zhuǎn)型、大力發(fā)展節(jié)能低碳建筑、加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)”，在建筑領(lǐng)域提出了城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展的頂層要求。要建設(shè)髙品質(zhì)綠色建筑，大力推廣超低能耗、近零能耗建筑，發(fā)展零碳建筑；實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)全過(guò)程綠色建造。這是我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域目前出臺(tái)的國(guó)家級(jí)頂層碳達(dá)峰碳中和工作意見(jiàn)，是城鄉(xiāng)綠色發(fā)展工作開(kāi)展的思路綱領(lǐng)“?；庸こ屉m然是臨時(shí)工程，但其依然具有對(duì)資源能源消耗量大與產(chǎn)生污染物多等特點(diǎn),而且在其支護(hù)及開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境與周邊環(huán)境造成一定程度的影響，因此需要對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案的工藝選型進(jìn)行合理優(yōu)化，以達(dá)到在確保工程安全的前提下，實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的總體目標(biāo)。傳統(tǒng)明挖深基坑多采用SMW工法樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等支護(hù)形式，隨著城市建設(shè)發(fā)展及土地資源緊張、地下空間拓展的需要，深基坑項(xiàng)目越來(lái)越多且低碳環(huán)保要求日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝在經(jīng)濟(jì)性、安全性及環(huán)保要求方面飽受詬病。PC鋼管樁工法（PrefabricatedCompositeSteelPipe）是通過(guò)焊接在鋼管樁上的鎖扣與一個(gè)或多個(gè)拉森樁連接形成鋼質(zhì)連續(xù)墻。使用鎖扣連接拉森樁和鋼管樁的改進(jìn)方式即PC工法樁工藝已于2015年在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于杭州大華飯店改造工程G20峰會(huì)配套項(xiàng)目，同年該工藝獲得了浙江省省級(jí)工法稱(chēng)號(hào)。作為一種新型綠色圍護(hù)工藝，具有施工速度快、無(wú)需等待齡期、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大、止水效果好、可全回收重復(fù)利用、設(shè)備占地空間小、無(wú)噪聲無(wú)泥漿等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而由于尚無(wú)針對(duì)該工法的國(guó)家、省市級(jí)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)，目前對(duì)于環(huán)境敏感的深基坑支護(hù)工程中應(yīng)用較少。本文介紹了一例深基坑工程，周邊環(huán)境極其敏感，基坑邊線緊貼國(guó)防光纜、機(jī)場(chǎng)髙速擋墻等重要保護(hù)對(duì)象，地質(zhì)條件以軟?流塑狀軟土層為主、基底含水層呈髙承壓性。本文通過(guò)“天漢軟件”計(jì)算，結(jié)合Flac3D巖土有限元軟件建立等比例三維數(shù)值模型，并通過(guò)施工實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三者相互驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了PC鋼管樁工法在復(fù)雜條件下的成功應(yīng)用，為指導(dǎo)類(lèi)似工程設(shè)計(jì)施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。PC鋼管樁工法簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。▍1工程概況1.1項(xiàng)目背景及周邊環(huán)境項(xiàng)目位于武漢市東西湖區(qū)，本工程為管道改遷工程，工程目標(biāo)是將現(xiàn)狀地面下埋深約11m處的一根DN1020鋼制污水管進(jìn)行下彎改遷，以避讓與其斜交擬實(shí)施的盾構(gòu)（直徑4.25m）,使盾構(gòu)能夠順利穿越。由于現(xiàn)狀鋼制污水管為服務(wù)該片區(qū)約15萬(wàn)居民的生活污水唯一排放主管，直接關(guān)系著附近居民的正常生活，相關(guān)管理部門(mén)要求改遷斷管時(shí)間不得超過(guò)2天，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑開(kāi)挖期間，不得影響現(xiàn)狀鋼管的通水功能。管道下彎改遷完成后，需將所有支護(hù)體系全部回收，以保證后期盾構(gòu)施工順利穿越。管道開(kāi)挖改遷位置位于現(xiàn)狀臨時(shí)便道下方，基坑周邊環(huán)境緊張，西臨現(xiàn)狀明渠，明渠岸坡上敷設(shè)有國(guó)防光纜距離基坑內(nèi)邊線僅1.24m；基坑?xùn)|臨漢飛大道機(jī)動(dòng)車(chē)道，路邊埋設(shè)有現(xiàn)狀懸臂式擋墻，擋墻墻趾距離基坑內(nèi)邊線僅0.9m?；优c周邊環(huán)境相對(duì)位置關(guān)系如圖2。1.2重難點(diǎn)分析基坑平面呈規(guī)則矩形，基坑平面尺寸為10m長(zhǎng)x7.5m寬，開(kāi)挖深度為地面以下11.91~12.91m，基坑重要性等級(jí)為一級(jí)，根據(jù)邊界條件，梳理本工程重難點(diǎn)如下：（1）為確保周邊居民正常生活排水，本基坑需要在最短時(shí)間內(nèi)完成管道的改遷工作,如何確?；邮┕ぜ伴_(kāi)挖過(guò)程中，維持原有污水管的排水功能，是方案需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。（2）本項(xiàng)目實(shí)施的最終目的是使盾構(gòu)順利通過(guò)，所以管道改遷完畢后，盾構(gòu)穿越范圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要全部回收，否則將成為地下障礙物，影響盾構(gòu)施工。（3）本項(xiàng)目總體工期要求緊張，如何在保障安全的前提條件下，加快施工進(jìn)度、控制成本是本次設(shè)計(jì)需解決的首要問(wèn)題。（4）本項(xiàng)目地質(zhì)條件較差，基坑側(cè)壁及基底分布有約7.0m厚軟?流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，開(kāi)挖深度最大達(dá)13m左右，屬深基坑，保證基坑的安全實(shí)施是本項(xiàng)目順利實(shí)施的關(guān)鍵。（5）基坑周邊環(huán)境條件復(fù)雜。對(duì)于本工程而言，周邊重要保護(hù)對(duì)象主要為機(jī)場(chǎng)髙速髙架、漢飛大道、現(xiàn)狀擋墻、國(guó)防光纜等，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系需要將周邊敏感建（構(gòu)）筑物水平變形及地面沉降均控制在允許范圍內(nèi)。（6）場(chǎng)地條件緊張，施工空間十分受限，基坑位于現(xiàn)狀唯一一條臨時(shí)便道正下方，施工期間無(wú)法行程環(huán)道，這對(duì)施工組織帶來(lái)很大的考驗(yàn)。支護(hù)選型時(shí)需綜合考慮施工機(jī)械占位可行性、土方開(kāi)挖及外運(yùn)、施工材料臨時(shí)堆場(chǎng)等諸多因素，以保證支護(hù)方案的切實(shí)可行。▍2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件2.1工程地質(zhì)條件場(chǎng)地位于武漢市東西湖區(qū)，臨近機(jī)場(chǎng)河明渠。地貌單元屬長(zhǎng)江北岸I?II級(jí)階地，地勢(shì)較平坦，場(chǎng)地上部為近代人工填土層（Qml）、第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）—般黏性土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土；中部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積（。3出說(shuō)）砂土層；下伏基巖為三疊系（T）中風(fēng)化白云巖?？辈旖衣兜貙佑缮现料路质鋈缦拢孩匐s填土（Qml）、③1粉質(zhì)黏土（Q4al）、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al）＞③4粉質(zhì)黏土（Q3al）＞④粉細(xì)砂（Q4al）、⑧中風(fēng)化白云巖（K-E）,各土層相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。2.2水文地質(zhì)條件場(chǎng)地地下水可分為三種類(lèi)型：上層為賦存于①雜填土層中的上層滯水，主要接受大氣降水和地表散水垂直入滲的補(bǔ)給，無(wú)統(tǒng)一自由水面，水位及水量隨季節(jié)性大氣降水及周邊生活用水排放的影響而波動(dòng)，勘察期間測(cè)得其穩(wěn)定水位埋深為0.5?2.0m。中層孔隙承壓水賦存于④粉細(xì)砂，水量較大，與長(zhǎng)江有密切的水力聯(lián)系，4?6月份勘察實(shí)測(cè)水位髙程為11.5~15.25m之間；下層為基巖裂隙水，水量貧乏，對(duì)工程影響不大。典型工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖3。▍3基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1總體方案比選從安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工工期及便捷性等方面對(duì)可供選擇的三種方案進(jìn)行了綜合比選:方案一：PC工法樁結(jié)合豎向三道內(nèi)支撐；方案二：直徑1.0m鋼筋混凝土灌注樁結(jié)合豎向兩道內(nèi)支撐；方案三：直徑0.85m三軸攪拌樁內(nèi)插300X700H型鋼SMW工法樁結(jié)合豎向三道內(nèi)支撐。方案一PC工法樁方案，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度能夠滿足安全及穩(wěn)定性要求，無(wú)棄土及泥漿排放，對(duì)場(chǎng)地要求低，基坑回填后圍護(hù)樁可全部回收，滿足工程要求。方案二灌注樁方案，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大，位移控制效果好，但現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地受限，樁機(jī)取土后的土方堆棄場(chǎng)地協(xié)調(diào)較為困難；灌注樁需要等待混凝土齡期，該方案施工工期較長(zhǎng)；灌注樁將成為地障，影響后期盾構(gòu)穿越。方案三SMW工法樁方案，由于H型鋼剛度較弱，本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度較深、土質(zhì)情況差，基坑整體變形較大，不滿足對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)要求。綜合考慮各方案在安全性、施工便捷性、工期等方面因素，經(jīng)反復(fù)斟酌，最終確定采用方案一PC工法樁方案作為實(shí)施方案。3.2基坑支護(hù)方案本基坑場(chǎng)地狹窄，開(kāi)挖深度深，基坑普挖深度為自然地面下11.91?12.91m。土質(zhì)條件差，周邊環(huán)境敏感，對(duì)基坑位移變形控制要求髙。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用PC鋼管樁工法，采用?820mm,壁厚t=14mm鋼管樁，樁長(zhǎng)22?23m；樁間采用U400X170型拉森鋼板樁，樁長(zhǎng)L=15m,防止基坑側(cè)壁滲漏及流土。為使支撐構(gòu)件拆裝便捷，豎向設(shè)置三道鋼管內(nèi)支撐，內(nèi)支撐均采用?609mm,壁厚t=16mm活絡(luò)頭鋼管，圍標(biāo)釆用雙拼H型鋼。平面支撐布置釆用角支撐形式，在有效控制基坑變形的前提下，能夠確保后期微型挖掘機(jī)能夠在基坑內(nèi)順利作業(yè)。由于鋼管樁與拉森鋼板樁均為鎖扣連接，在支護(hù)樁平面布置時(shí)需按照圍護(hù)構(gòu)件尺寸相應(yīng)模數(shù)布置，以確保支護(hù)樁之間均能夠通過(guò)鎖扣嚴(yán)密咬合。逆工況設(shè)計(jì)為由下至上，分層回填壓實(shí)素土至各道支撐底以下0.5m后拆除相應(yīng)標(biāo)高內(nèi)支撐。施工工序見(jiàn)圖4、基坑支護(hù)平面布置圖見(jiàn)圖5、基坑圍護(hù)典型剖面圖見(jiàn)圖6。由于在基坑在施工及開(kāi)挖過(guò)程中需保持現(xiàn)狀污水管道的正常運(yùn)行，基坑側(cè)壁與管道交匯處無(wú)法封閉，存在流土風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)釆取污水管道兩側(cè)精準(zhǔn)定位鋼管樁，以盡量靠近既有管道，縮小孔洞寬度，并在基坑土方開(kāi)挖時(shí)隨土方分層開(kāi)挖，及時(shí)釆用型鋼橫向焊接與兩側(cè)鋼管樁進(jìn)行孔洞封堵的處理措施。3.3基坑開(kāi)挖計(jì)算分析首先釆用“天漢軟件”建立二維模型進(jìn)行基坑開(kāi)挖變形分析，由于鋼板樁樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)主要考慮其防止樁間土擠出功能，計(jì)算分析時(shí)將其作為安全儲(chǔ)備，圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅考慮?820mm鋼管樁剛度。基坑圍護(hù)樁最大計(jì)算水平位移35.9mm，位于樁頂以下約9m處。為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采用有限元軟件Flac3D建立三維有限元模型，對(duì)基坑開(kāi)挖全過(guò)程進(jìn)行模擬分析。為了較好地刻畫(huà)土體破壞行為、得到較合理的結(jié)果，選用工程中廣泛應(yīng)用的Mohr-Clulomb破壞準(zhǔn)備模擬巖土體的材料特性。模型尺寸采用70mx60mx50m（長(zhǎng)x寬x深），PC工法樁采用樁單元模擬，支撐及圍標(biāo)構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M。東側(cè)基坑圍護(hù)樁最大水平位移15.05mm，位于樁頂以下約12m處。由于基坑西側(cè)現(xiàn)狀明渠地勢(shì)較低，基坑?xùn)|西兩側(cè)土壓力不平衡，以及基坑中部軟?流塑狀軟土共同作用，使得基坑水平位移呈向明渠側(cè)“鼓肚子”的趨勢(shì)?；铀轿灰圃茍D見(jiàn)圖7。通過(guò)三維數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，圍護(hù)樁對(duì)基坑變形起到了明顯的控制作用，最大位移深度位置及變形趨勢(shì)與“天漢軟件”計(jì)算結(jié)果基本吻合。但二維計(jì)算值較三維數(shù)值模擬計(jì)算值偏大，推測(cè)其主要原因是由于在“天漢軟件”二維計(jì)算中未考慮鋼板樁剛度貢獻(xiàn)；且本基坑平面尺寸較小，二維計(jì)算中無(wú)法考慮基坑尺寸效應(yīng)所致。通過(guò)兩種不同形式的計(jì)算分析，總體驗(yàn)證了PC工法樁能夠起到在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境變形的顯著改善作用。計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖83.4施工及監(jiān)測(cè)結(jié)果基坑開(kāi)挖施工期間，隨著開(kāi)挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移也逐漸增加。根據(jù)基坑的全過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，基坑圍護(hù)樁最大水平位移16.06mm,位于樁頂以下約10m處。樁頂以下20m至樁底，水平位移逐漸收斂接近零位移點(diǎn)?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移與設(shè)計(jì)計(jì)算變形趨勢(shì)基本一致，變形曲線整體呈典型的“鼓肚型”，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)周邊土體變形起到了有效的控制作用。計(jì)算分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖8。自圍護(hù)樁開(kāi)始施工至基坑開(kāi)挖到底，施工僅使用13天時(shí)間，提前達(dá)成了工期進(jìn)度目標(biāo)。管道改遷完畢后，隨著基坑的分層回填壓實(shí)土，拆除內(nèi)支撐，采用髙頻振動(dòng)夾鉗結(jié)合跟蹤注漿方式對(duì)鋼管樁及鋼板樁進(jìn)行了全部回收。本基坑從圍護(hù)樁打設(shè)、開(kāi)挖、回填、圍護(hù)體系回收等全過(guò)程，周邊環(huán)境均安全穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)值均在允許控制范圍值以?xún)?nèi)，未出現(xiàn)任何異常。驗(yàn)證了在復(fù)雜環(huán)境條件下、軟土地區(qū)PC樁支護(hù)方案的可行性和可靠性?；訉?shí)景圖見(jiàn)圖9、圖10。▍4結(jié)論本文建立“天漢軟件”二維計(jì)算模型，結(jié)合Flac3D巖土有限元軟件建立三維等比例數(shù)值模型，計(jì)算基坑開(kāi)挖各工序圍護(hù)樁變形情況，并通過(guò)施工實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合對(duì)比驗(yàn)證PC樁支護(hù)方案選型的安全性及合理性，得到以下結(jié)論：(1)對(duì)于計(jì)算分析而言，二維計(jì)算方法與三維計(jì)算方法基坑變形趨勢(shì)及最大位移深度基本吻合，但二維計(jì)算忽略了拉森鋼板樁(短樁)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，且由于本工程基坑平面尺寸小，尺寸效應(yīng)明顯，故二維計(jì)算結(jié)果變形絕對(duì)數(shù)值偏大，而三維數(shù)值分析在考慮以上因素后計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況更為接近。需要注意的是本基坑施工時(shí)間較短,可能存在基坑實(shí)際變形不充分的情況。PC樁施工安全性高。鋼管樁均在工廠焊接預(yù)制并探傷檢測(cè)完成后，整根吊裝打設(shè)，整體抗彎性好，有效避免現(xiàn)場(chǎng)焊接施工質(zhì)量缺陷。鋼管樁與鋼板樁之間采用鎖扣連接,組合形成鋼質(zhì)連續(xù)墻體，具備擋土和止水功能，成墻品質(zhì)髙。并可根據(jù)基坑開(kāi)挖深度、周邊環(huán)境條件對(duì)鋼管樁直徑及壁厚進(jìn)行選擇，有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。(3)綠