中心城区软土地层深基坑的动态止水连续钢桩墙施工工法研究

吴小建 张阿晋

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

目前，上海软土地区开挖深度5～15 m的深基坑围护结构常用形式主要有：钢板桩、型钢水泥土搅拌桩（SMW工法桩）、钻孔灌注桩、咬合桩等传统施工工艺，由于传统施工技术及工程队伍较为成熟，在现有基坑工程建设中应用较多。

但是，随着近年来工程建设领域绿色化、信息化、装配化概念的不断深入，传统施工工艺的诸多不足越来越受到业界的关注，主要表现在以下几个方面：施工效率低、周转利用率不足；工程废弃物多，环境污染严重；围护结构功能单一，止水效果较差；支护结构刚度小，钢板拔出施工扰动大；施工组织难度高、综合经济效益差等。

因此，在继承传统围护结构施工工艺优势的基础上，立足于以上海为代表的富水软土地区5～15 m深基坑工程高效化、信息化、装配化、绿色化建设需求，开发具备高环境保护、高止水性能及高效施工特点的新型施工工艺，形成中心城区软土地层深基坑动态止水连续钢桩墙施工工法，具有较高的社会和经济效益。

1 传统施工工艺评析

1.1 钢板桩

传统钢板桩具有施工速度快、工程造价低等优点，但在软土地区，钢板桩仅适用于开挖深度不超过7 m的较浅基坑，当基坑开挖深度较大或当基坑紧邻变形敏感的建（构）筑物时，由于钢板桩抗弯刚度小，容易导致基坑开挖变形大、环境扰动影响严重。同时，由于钢板桩采用简单的锁扣连接，其咬合处止水效果差，基坑渗水较为严重，安全隐患较多。

1.2 SMW工法桩

SMW工法桩是采用水泥土搅拌桩内插H型钢后形成的围护结构。但SMW工法桩刚度较小，基坑较深或开敞暴露较长时，围护结构变形较大，易产生渗漏水问题，带来安全隐患，且围护结构的变形也会影响型钢拔出。同时，拔出施工容易带出土体，造成空隙坍塌，极易引起二次施工扰动变形。

1.3 钻孔灌注桩

传统钻孔灌注桩由于其刚度较大，在较深基坑中应用较为广泛。但由于灌注桩为分离式排桩，其本身不具备止水功能，须在外侧加设水泥土搅拌桩等止水帷幕，才能使围护结构具有止水功能。另外，钻孔灌注桩施工过程中废弃物较多、混凝土养护时间长、现场作业环境差，不符合绿色化、高效化施工要求，其工程应用正受到越来越多的条件限制。

1.4 咬合桩

传统咬合桩通过第二序次施工的桩与已有的第一序次的桩间进行切割咬合，形成可止水的整体围护结构，但咬合桩需进行二次咬合，对施工组织要求高；此外咬合桩主要采用全套管钻机成孔，设备依赖性大，且一般施工单位缺乏经济实力购置多种直径的套管，也使咬合桩的桩径使用受到较多的限制。

2 软土深基坑动态止水连续钢桩墙施工工法

2.1 工法原理

中心城区软土地层深基坑动态止水连续钢桩墙施工工法是将具备往复动态注浆止水功能的高强度钢管桩通过锁扣连接形成连续的挡土止水结构（图1），实现基坑开挖过程中的按需快速止水，并通过回灌注浆功能实现大直径钢管桩的低影响快速拔除施工。该工法具有施工效率高、适用范围广、环境影响小、装配化程度高及资源利用率高等优势，符合富水软土地区深基坑围护结构高效化、信息化、装配化、绿色化施工要求。

图1 动态止水咬合钢管桩示意

2.2 工艺优点

2.2.1 刚度大、强度高，应用范围广

采用大直径钢管桩作为围护结构主体，整体刚度大、抗弯强度高。同等用钢量情况下，与拉森Ⅳ钢板桩相比，其刚度和抗弯强度可提高数倍，有效减少基坑开挖时土体卸载对围护结构本体及周边环境的变形影响，可适用于周边环境保护要求较高的深基坑工程。

2.2.2 挡土止水一体化，节地效果好

采用空心钢管桩形式，充分利用材料强度，可承受坑外较大的主动土压力。同时，由于钢管桩自带“三合一”注浆锁扣，使其成为集挡土止水功能于一体的围护结构，相比钻孔灌注桩分离式排桩加外侧止水帷幕的形式，其对围护结构施工空间要求小。此外，该工艺施工简单，无需额外的施工临时场地（如钢筋加工、泥浆存储等），其节地效果显著。

2.2.3 动态跟踪注浆、止水效果好

相邻钢管桩之间通过阴阳锁扣的咬合及锁扣内注浆，使围护结构具有良好的止水功能。阳锁扣为“三合一”多功能钢锁扣管，可同时具有导向管、注浆管、锁扣管的功能，可根据土层情况及地下水渗流实况进行针对性的动态跟踪注浆止水；对有渗透隐患的区域或已有渗漏现象的区域，可进行二次反复注浆，止水效果较好。

2.2.4 装配组合施工效率高

本工艺为装配式围护结构，围护桩运输至现场并作好检验等准备后，即可打入施工，现场无钢筋绑扎及混凝土浇灌养护，施工效率较传统钢筋混凝土类的围护有较大提高，配合钢管桩免共振沉桩施工工艺，施工效率成倍提高，且最大限度降低了对周边环境的扰动影响。

2.2.5 符合绿色化施工理念

钢管桩围护结构可实现全材料周转使用，且无泥浆等废弃物排放，其环境保护效应显著。钢管拔出时形成的土间空隙可自动实现浆液回灌，避免周边建筑物的下沉开裂及市政生命管线的损坏等，环境影响较小，符合绿色化建设理念[1-3]。

2.3 工艺流程

软土深基坑动态止水连续钢桩墙工法施工工艺主要包括以下几部分内容：围护结构施工、围檩及支撑系统施工、降水及土方开挖、地下结构及支撑拆除施工、围护结构拔出施工等。

其具体施工流程如下：定位放线→挖导向槽→安装导向架→施打第1根钢管桩→锁扣对齐咬合，依次施打其余钢管桩，并利用多功能锁扣注浆管进行跟踪注浆止水→逐层开挖，依次设置压顶梁、围檩及水平支撑→施工地下室，并回填密实地下室外墙与围护结构之间的空隙→拔除钢管桩，边拔除边对拔除时形成的土间空隙进行注浆回灌。

3 软土深基坑动态止水连续钢桩墙施工关键技术

3.1 钢管桩低影响施工技术

随着我国城市的快速发展，中心城区深基坑工程建设面临着周边保护建（构）筑物众多、各类市政生命管线纵横交错、施工场地狭小、建设工期紧张等制约因素。尤其是在上海等软土地区，工程涉及地层基本为饱和含水流塑或软塑黏土层，该地层具有孔隙比大、压缩性高、含水量丰富、抗剪强度低及灵敏度高等特点，进一步加大了工程施工对周边环境的扰动影响，给深基坑工程围护结构施工工艺比选提出了更高的要求。

传统钢管桩沉桩方式主要有以下3种：静压法、锤击法和振动法。静压法施工设备庞大、笨重，转场施工不易，要求边桩中心到已有建筑物有一定的距离；压桩能力受到一定限制，且存在明显的挤土效应。锤击法施工存在振动影响大、噪声污染严重、施工质量控制难度高、沉桩顺序受限及挤土效应严重等问题，传统振动法沉桩施工具有环境扰动影响大、资源消耗严重、施工效率提升幅度有限等缺点，已不再适用于人口密度大、周边环境复杂的城市核心区深基坑工程施工。

为了克服传统施工工艺的诸多缺点，本工法拟采用高频免共振沉桩施工技术。该技术利用高频振动锤的高频激振力使土体液化，分节打设钢管桩；由于振动锤的振动频率避开了土体振动频率，避免了因共振对周边土体造成的不良影响，同时由于其施工精度较高，有利于形成高精度连续止水结构。钢管桩免共振沉桩工艺具有低噪声、无共振、无挤压土体、施工垂直度高等优势，极好地解决了城市建设环境保护难题，可真正实现高效率、低扰动、绿色化沉桩施工。

3.2 动态跟踪止水功能设计

为了提高连续钢桩墙止水效果，本工法在钢管桩两侧设置了多功能阴阳锁扣以形成集挡土、止水功能为一体的连续钢桩墙。该技术不仅通过特制锁扣增加了地下水的绕流路径，通过物理技术（如锁扣咬合）减少了基坑渗水量；同时将阳锁扣设计为圆形截面注浆管，焊接于钢管一侧，注浆管内设置2个阻塞器，阻塞器可在注浆管中自由移动，根据需要将浆液限定在注浆区域的任一段范围内，通过对土层由下往上进行定深、分层注浆，达到分段、重复注浆的目的；注浆主剂可采用水泥，也可根据工程需要结合水玻璃，或掺入其他附加剂。

本工法多功能阳锁扣不仅增加了地下水的绕流路径，满足一般基坑的防渗水要求，而且对于防渗要求较高的基坑而言，可在钢管桩施打就位后根据水文地质情况，进行精确、往复、跟踪防渗注浆，对于地下水的实时安全管控具有非常重要的借鉴意义。

3.3 低扰动拔桩施工技术

为了降低传统钢管桩拔出施工对周边环境的二次附加扰动，本工法考虑在阴锁扣连接段设置注浆管（图2），在钢管桩拔出施工过程中，进行边拔桩边注浆施工，该连接段空腔作为钢管拔出时的浆液回灌通道，其底部设有封堵塞，当浆液压力达到一定值时，封堵塞被冲出，为浆液进入拔桩空隙打开通道，以达到减少拔桩施工对周边环境影响的目的。通过低扰动拔桩施工技术，在实现钢管桩近接拔出施工的同时，可充分实现钢管桩的可持续、循环利用，具有较好的社会、经济及环保效益[4-6]。

图2 阴锁扣连接段注浆回灌通道

4 结语

1）在深入分析传统5～15 m深基坑围护结构施工工艺优缺点的基础上，本文从提高施工效率、降低施工影响、减少工程废弃物、可持续利用等角度出发，提出了一种适用于上海等软土地区深基坑围护结构动态止水施工工法。

2）该工法在结合传统钢管桩机械式锁扣连接止水的基础上，融合动态注浆止水技术，提出了一种具有动态止水效果的新型钢管桩连接方式，具有刚度大、强度高、应用范围广、挡土止水一体化、装配施工效率高、动态跟踪注浆效果好等优点，非常适合富水软土地区深基坑围护结构近接施工，符合我国现阶段低扰动、绿色化、高效化、信息化的工程建设理念，市场前景非常广阔，社会、经济及环保效益显著。

综上所述：中心城区软土地层深基坑动态止水连续钢桩墙施工工法弥补了传统基坑围护结构施工工艺中的诸多不足，顺应了我国大中型城市地下空间大规模开发建设的总体趋势，为基坑工程近接微变形施工提供了更多的技术选择，为相关技术的持续开发提供了非常重要的参考价值。