双轴搅拌桩内插PHC管桩在基坑支护工程中的应用

王琳，宋春梅，李兆兰

( 1.东营市海天勘察测绘有限公司，山东 东营 257091；2.中石化胜利油建工程有限公司，山东 东营 257091 )

近年来，随着房地产项目的不断开发，基坑工程可利用场地越来越少，对周边环境的保护越来越严格，故基坑支护方案在安全的基础上，需着重考虑施工的可行性及工程的造价。SMW工法近年来在基坑支护工程中应用十分广泛，具有止水挡土双重作用，在基坑工程应用中具有良好的经济效果及支护效果。不过，考虑到SMW工法中型钢的租赁周期无法确定及回收时的施工条件要求，基坑工程中采用PHC管桩代替型钢的PCMW工法也越来越受设计师的青睐。目前，国内一些基坑设计师针对PCMW工法进行了一些实际工程应用[1-8]，并取得了良好的应用经验及实用效果。常规PCMW工法和SMW工法一般采用三轴搅拌桩内插PHC管桩或者型钢，但常用的三轴搅拌桩机施工空间要求较大、组装复杂、进出场费用高，对于某些基坑工程，尤其是三四线城市，基坑工程往往仅局部受场地影响，需要考虑地下水及对周边环境的保护，三轴搅拌桩机在场地施工条件上优势并不明显，仅小范围施工或工程量较少时使用，经济效益较差。故本文以采用双轴搅拌桩内插PHC管桩支护形式的基坑为例，介绍双轴搅拌桩内插PHC管桩的支护机理、施工工艺和施工关键等。该支护体系在实际应用中、在安全可靠的基础上，解决了施工场地狭窄问题，也满足了建设单位工期紧、造价低的诉求。

1 工程项目概况

该工程位于东营市广饶县乐安大街以北，长安路水系以东，主楼为框架核心筒结构，主体为22层，地下2层，主楼四周为地下车库，车库采用框架结构，地下1层。基坑平面大致呈正方形，基坑周长约495.5 m，面积约13 245.9 m2，开挖深度约5.77 m。基坑北侧车库基础边距离离围挡边线(道路边线)最近约6.1 m，距在建住宅楼39.4 m；基坑东侧为待建二期场地；基坑南侧车库基础边距项目部最近约7.5 m；基坑西侧车库基础边距离施工围挡最近约0.5 m，其余位置基础边距离施工围挡最近约1.3 m，围挡往西为绿化带，距水系最近约20.0 m。基坑东侧、南侧及北侧场地周边较为空旷，环境保护要求较低，可满足放坡支护，由于西侧为长安路水系，水量丰富，与地下水有一定的补给关系，绿化带多为树木及冬青，不准破坏，故西侧较为复杂。本文仅以西侧位置的支护方式为例进行分析，西侧相对位置关系如图1所示。

图1 西侧位置关系

2 工程地质概况

拟建场区地形略有起伏，地貌单元属于淄河第四纪堆积土层，主要为粉土、粉质黏土互层沉积，局部粉土相变为粉砂，为主要透水层，简化后地层共分6层，土层及力学参数见表1。

表1 土层物理力学性质

该场地地下水类型属于第四纪潜水，主要靠大气降水补给，以大气蒸发为主要排泄方式，与西侧水系水源有一定的补给关系。2021年1月勘察期间的地下水位埋深在自然地面下3.50 m左右，水位变化幅度在2.0 m左右。此外，绿化带区域的定期喷水浇灌也对水位有一定的影响。

3 基坑支护方案设计与施工

3.1 支护方案选择

基坑西侧受围挡及外侧绿化带影响，不具备放坡开挖条件，需垂直支护。根据现场周边环境及水文条件，一方面，设计要注意土体的变形控制，另一方面也要确保地下水的稳定，确保绿化带区域植物的成活率。为保证西侧水土的稳定及避免喷水浇灌对基坑的影响，设计时应考虑采用止水帷幕+支护桩形式。西侧基坑方案分析如下：

1)止水帷幕+灌注桩方案控制变形能力强，但造价高；当地通常采用SMW工法。该方案施工经验成熟、支护效果理想。但考虑到场地狭小，后期型钢拔出时，施工作业面有限，待满足作业条件时，工期较长，相比管桩，工期超过4个月以上，型钢租赁费的增加会导致SMW工法整体造价偏高。本项目满足型钢拔出条件至少6个月，故考虑采用管桩代替型钢，即PCMW工法。

2)西侧转折点较多，施工作业面狭小，三轴搅拌桩机施工转动较困难，转折处搅拌桩搭接质量难以保证。此外，本工程仅西侧考虑止水帷幕，工程量较少，采用三轴搅拌桩时，由于三轴搅拌桩施工机械为大型机械，进出场费用比双轴搅拌桩机械费用要高，且三轴搅拌桩机械的组装及拆除复杂、工期稍长。在工程量较少的情况下，双轴搅拌桩机械完全能满足项目的进度要求且节省了大型机械的进出场费用。

综上所述，本工程在PCMW工法的基础上，采用双轴搅拌桩内插PHC管桩进行基坑支护，不仅施工费用降低，施工更易操作。具体设计参数：双轴搅拌桩采用Φ700@500，桩长14 m，穿过5层粉土(透水层)，保证西侧止水效果，内插管桩采用PHC 500 AB 100，桩长12.0 m，间距1.0 m，进入5层粉土持力层，冠梁采用C30钢筋混凝土浇筑，尺寸1.0 m×0.8 m。支护结构剖面如图2所示。

图2 支护结构

3.2 支护方案设计计算

设计计算采用北京理正深基坑7.5进行分析，由于西侧为绿化带，荷载按10 kPa考虑即可满足工程设计及施工需求。排桩计算时由于设计软件缺少管桩支护模型，本工程桩材料类型按照钢筋混凝土，桩截面类型按照圆形截面计算。同时，止水帷幕只考虑止水作用，不考虑对排桩内力计算的影响，作为支护结构的安全储备。根据内力计算结果，本工程选用当地常用桩型PHC 500 AB 100即可满足设计计算要求。计算分析采用弹性法，分析结果见表2。

表2 支护桩内力计算

3.3 施工工艺

双轴搅拌桩施工：双轴搅拌桩水泥掺量15%，水灰比为1.0，水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥。施工采用两喷四搅，施工工艺流程如图3所示。

图3 双轴搅拌桩施工流程

插PHC管桩施工：搅拌桩施工完成后，立即使用打拔机夹住准备好的PHC管桩，拎起保持自然垂直，对准管桩插入的位置，并同时调整管桩的垂直度，将管桩压入搅拌桩，重点控制管桩的垂直度及插入深度。

冠梁施工：管桩锚入冠梁700 mm，配筋采用构造配筋，根据SMW工法中型钢与冠梁的连接构造做法改进后施工，如图4所示。

图4 冠梁配筋

3.4 施工要点

1)双轴搅拌桩的水灰比不能仅考虑止水要求，还要参考SMW工法的施工要求，保证在水泥土搅拌止水效果前提下，确保管桩的顺利插入。由于双轴搅拌桩机钻杆螺旋齿片较少，置换土方量少，搅拌效果较三轴搅拌桩机差，故本工程采用两喷四搅，增加水泥土的均匀性及和易性。

2)考虑振动锤辅助管桩下沉。与三轴搅拌桩施工成的水泥土具有较大的流塑性不同，双轴搅拌的置换土方量少，水泥土的塑性较大，产生的水泥土侧阻力较大，故管桩仅靠自重无法下沉到设计位置，除充分搅拌外，管桩插入时应考虑振动锤辅助下沉，通过打拔机的振动将管桩插入设计标高，以保证施工质量。现场振动锤辅助管桩下沉施工如图5所示。

3.5 质量控制

1)双轴搅拌桩成孔圆心直径为700 mm，搅拌叶回转直径偏差不超过20 mm。用全站仪校核桩位偏差，偏差不应大于20 mm。桩机平稳就位后，用经纬仪对导向架垂直度进行校核，偏差值应小于1/150。双轴水泥搅拌桩在下沉和提升过程中，严格控制下沉和提升速度，在2层和5层粉土中应多次重复搅拌，提高搅拌桩止水效果，防止缩径现象发生。为防止管桩下沉困难，搅拌桩务必进行第三次不喷浆搅拌下沉提升，尤其是在5层粉土持力层位置进行充分搅拌桩，是提高管桩满足设计要求深度的关键。

2)管桩桩径为500 mm，管桩外壁与搅拌桩外壁差值仅有100 mm，在插入搅拌桩时，务必控制好管桩中心与搅拌桩中心的偏差，桩位允许偏差不得超过50 mm。管桩桩头挖出并清理干净附着在管桩表面的水泥土后，再施工冠梁。

4 施工效果

4.1 监测数据分析

监测方案严格按照基坑监测方案及相应规范标准进行。在支护结构施工后、基坑开挖前，测得初始值，然后根据施工相应节点进行后续监测。本工程从2021年9月3号开始监测，2021年9月13日已开挖至基底标高，基坑已开挖至基底1月有余，监测数据稳定收敛，其中冠梁顶水平位移监测及深层土体水平位移分析如下。

1)冠梁顶水平位移监测，基坑开挖至基底后的2次观测数据，位移变化速率最大达1.67 mm/d，而后趋于稳定，累计最大水平位移量为23.3 mm，图6为冠梁最大水平位移监测点的变形情况。

图6 冠梁顶水平位移

2)深层土体水平位移，支护结构顶部区域的土体水平位移变化最大，基坑开挖至基底这段时间，位移变形速率最大达2.03 mm/d，之后变形速率逐渐减小，累计位移量趋于稳定，目前土体水平最大位移量约为26.9 mm，如图7所示。

图7 深层土体水平位移

根据《建筑基坑工程监测技术标准》GB 50497—2019要求，冠梁水平位移和深层土体水平位移监测预警值可参照表3执行，监测结果显示冠梁水平位移和深层土体水平位移的变化速率和累计最大水平位移值均在预警值内，表明了支护结构的稳定可靠。

表3 监测预警值

4.2 现场施工效果

由于西侧为绿化带，地面沉降监测困难，通过巡视检查，坑外绿化带内并未出现裂缝及明显沉降，支护效果明显。坑内PHC管桩及冠梁未发现开裂痕迹，基坑侧面也无渗漏水情况，基坑开挖效果如图8所示。由此可见，双轴搅拌桩内插PHC管桩的支护形式效果显著，对变形控制较为理想。

图8 现场双轴搅拌桩内插PHC管桩成果

5 结论

通过理论计算、现场施工及监测数据分析，得出以下结论：

1)本工程采用双轴搅拌桩内插PHC管桩的支护形式在设计理念及施工可行性上是合理有效的，在狭小场地和工程量较少时运用，具有明显优势。

2)双轴搅拌桩内插PHC管桩的支护方案，根据计算结果合理选择PHC管桩代替H型钢，不仅解决了狭小场地拔出型钢的施工难题，也避免了工期延长造成的H型钢租赁成本增加的问题。在止水帷幕工程量较小情况下，采用双轴搅拌桩代替三轴搅拌桩，减少了大型机械进出场成本，在一定程度上降低了造价。

3)双轴搅拌桩施工机械面对狭小场地具有较高的灵活性，不过在实际施工中，双轴搅拌桩不如三轴搅拌桩搅拌均匀，水泥土的流塑性较差，插入PHC管桩时需采用振动锤辅助施工。