软土区倾斜预制桩基坑支护施工技术研究与应用*

余地华，田 野,2，赖国梁，宫立茂，宋 志，柳 瑶，侯和强

(1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430070；2.湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

随着城市地下空间开发强度越来越大，基坑工程的规模和面积也不断增加，传统灌注排桩、地下连续墙、内支撑等支护方式造价高、工期长、环境不友好的特点更加突出，为此发展高效节能、对环境低影响和绿色可持续发展的新型支护技术成为行业发展的趋势和要求。

为减少支撑的使用，实现更大基坑开挖深度的无支撑支护，郑刚等提出了新型的倾斜桩支护方法，用适当角度的倾斜单排桩代替竖直单排桩支护结构，从而能够在相同条件下减少排桩的变形和内力[1-2]。倾斜桩支护技术已经在一些地区特别是软土地区取得了很好的应用效果[3-4]，如范鹏程等[5]开展了单排斜-直交替桩在软土基坑支护中的模拟研究；刘永超等[6]进行了斜-直交替支护桩工程应用及监测数据实测分析。虽然倾斜桩施工在一些工程中得到成功应用[2]，但总体上施工存在一定困难，导致倾斜桩基坑支护的应用还不是特别多。

本文以具有汉江一级阶地典型地层的基坑工程实例为基础，开展软土区斜-直交替、前斜后直倾斜预制圆形管桩基坑支护施工技术应用研究，探讨新型预制倾斜桩支护体系施工方法，推动基坑预制化支护和无支撑支护施工技术发展。

1 工程概况

因基坑侧壁存在淤泥质地层，为控制基坑变形、减少支护占地，采用斜-直交替预制管桩支护和前斜后直双排预制管桩支护(见图1，2)，为避免倾斜桩交叉影响，基坑角部设置支撑板。支护桩采用PRC-I-600-AB(110)管桩，斜-直交替桩有效桩长14.0～18.0m，前斜后直双排桩中前斜桩长17.0～18.0m，后直桩长16.0～17.0m，支护桩间距均为0.9m，所有倾斜桩倾角为13°，基坑外围设置单轴搅拌桩止水围幕φ500mm@350mm，倾斜桩与直桩或倾斜桩与倾斜桩之间设置双管高压旋喷桩φ700mm@900mm，前斜后直双排桩排间设置双管高压旋喷桩φ700mm@500mm进行加固，桩间和坡面均挂网喷混凝土。因倾斜桩占用部分地下室位置，支护桩平面布置中对工程桩进行了避让，同时对避让的斜桩进行了加密(见图3)。

图1 前斜后直桩支护典型剖面

图2 斜-直交替支护典型剖面

图3 基坑支护平面

2 斜桩施工设备选择

2.1 倾斜静力压桩机

目前国内已推出专门用于倾斜预制桩施工的静力压桩机，即YZY800X斜桩静力压桩机(见图4)。该设备吨位大、可施工倾角大，是斜桩支护技术在浅基坑工程领域应用的关键设备。YZY800X斜桩静力压桩机配备大角度变幅系统及角度自动监控系统，可实时监测当前桩的施工角度，同时配备拉桩、吊桩一体化吊机及可调节夹桩器，可满足φ600mm圆桩、500mm×500mm方桩及500mm×450mm矩形桩等多种预制桩的施工需求，具体施工技术参数如表1所示。

图4 斜桩静力压桩机结构示意

表1 斜桩静力压桩机技术参数

相对于传统的静力压桩机，斜桩静力压桩机的作业步骤包括：上桩→夹桩→左倾或右倾→压桩→归中(见图5)。

图5 斜桩静力压桩机作业步骤

2.2 传统静力压桩机改制

斜桩静力压桩机作为专门的预制斜桩施工机械，具有下压力大、角度变幅大、施工便捷高效等优点，但该设备数量较少，很多存在施工需求的地区引进设备需要昂贵的进出场费用，为此将传统静力压桩机进行改制或采取一定施工措施完成倾斜预制桩施工成为另外一种施工途径，主要改制方法为将静压设备龙门架进行倾斜改制，压桩前根据基坑设计调整夹桩角度，龙门架与夹桩器倾斜后通过插销固定在桩机平台，上桩后，夹桩器将桩体倾斜下压。从而完成倾向静压预制倾斜桩的施工，最大成桩角度25°，最大桩长20m，最大桩径800mm，斜向下压力约350t，其主要作业步骤为：夹桩器倾斜改制→上桩→压桩→送桩(见图6)。

图6 静压桩改制倾斜压桩作业步骤

3 施工过程控制要点

根据现场施工条件，该工程采用改制静力压桩机进行施工。

3.1 工艺流程

1)斜直交替支护结构施工顺序 倾斜预制桩施工→交叉垂直预制桩施工→倾斜预制桩桩间高压旋喷桩施工→桩后搅拌桩施工→冠梁施工→土方分层开挖、桩间喷混凝土挂网→开挖至基底。

2)前斜后直支护结构施工顺序 前排倾斜预制桩施工→后排垂直预制桩施工→前排斜桩桩间高压旋喷桩施工→前后排桩间高压旋喷桩施工→冠梁施工→土方分层开挖、桩间喷混凝土挂网→开挖至基底。

倾斜预制桩施工工艺流程如图7所示。

图7 倾斜预制桩施工流程

3.2 操作要点

3.2.1施工准备

倾斜桩施工前应编制专项施工方案，完成场平、设备安装、安全防护、技术交底等现场准备和技术准备工作。正式施工前，应依据定位控制点引测定位轴线，经验收后进行倾斜桩桩位放线，放出的桩位经检查无误后方能进行压桩施工。

3.2.2沉桩

倾斜桩沉桩应合理安排沉桩的先后次序，以控制挤土效应；沉桩过程中应校核桩身倾斜角度符合设计要求；送桩应采用专用钢质送桩器，对正桩位，夹持器抱紧，设备调平后，调整桩身垂直度及倾斜角度满足，设计要求后压入。

沉桩宜连续一次性将桩沉到设计标高，尽量缩短中间停顿时间。沉桩过程中出现桩身漂移、倾斜或桩身及桩顶破损等情况时，应立即停止施工，待查明原因，进行必要处理后，方可继续施工。

3.2.3接桩

倾斜预制桩设计中应尽量避免接桩，确需接长时，其入土部分桩段的桩头宜高出地面0.5～1.0m，桩的连接可采用端板焊接或机械连接，相邻支护桩接桩位置不得在同一标高，应错开高差1m以上。

3.2.4工程桩避让

为避免倾斜桩向基坑内倾斜对地下室结构造成影响，应结合基础形式采取必要的规避措施(见图8)。对采用天然地基，无工程桩情况，需保证内倾斜支护桩在基坑底标高以上位于地下结构轮廓以外，在确保地下室结构施工空间足够情况下，基坑底标高以下可侵入地下结构最外轮廓范围内；对于桩基础，应避让工程桩位置，可斜桩改直桩，并就近补设向坑内倾斜支护桩，或可将向坑内倾斜支护桩改为向坑外倾斜支护桩，支护结构斜撑效应变为锚拉效应；在基坑阴角处，为避免倾斜桩交叉影响，可将斜桩改为直桩，并增设支撑梁或板。

图8 倾斜桩基础避让

3.2.5冠梁施工

为保证桩体与冠梁的有效连接，管桩中空部分1 500～3 000mm长度范围内采用混凝土灌芯。冠梁施工应满足下列要求。

1)灌芯混凝土采用强度等级为C40的微膨胀混凝土，混凝土用粗骨料粒径≤20mm，内掺10%AEA微膨胀剂(见图9)。

图9 预制桩灌芯大样

2)管桩嵌入冠梁内长度为500mm，灌芯混凝土部分应设置钢筋笼。

3)当管桩顶部无水平构件与冠梁连接时，管桩灌芯部分的纵向钢筋深入冠梁内的长度宜取冠梁厚度；当管桩顶部有水平构件与冠梁连接时，管桩灌芯部分的纵向受力钢筋深入冠梁内的锚固长度应符合现行国家标准GB50010—2010《混凝土结构设计规范》对钢筋锚固的有关规定；当不能满足锚固长度的要求时，其钢筋末端可采用机械锚固措施(见图10)。

图10 支护冠梁大样

4)当管桩顶部无水平构件与冠梁连接时，管桩灌芯部分的纵向钢筋深入冠梁内的长度宜取冠梁厚度；当管桩顶部有水平构件与冠梁连接时，管桩灌芯部分的纵向受力钢筋深入冠梁内的锚固长度应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》对钢筋锚固的有关规定；当不能满足锚固长度的要求时，钢筋末端可采用机械锚固措施。

3.2.6桩间加固与止水

倾斜桩基坑支护止水方法根据工程地质条件、水文地质条件及施工条件等，选用水泥土搅拌桩帷幕、高压旋喷或摆喷注浆帷幕、搅拌-喷射注浆帷幕、地下连续墙或咬合式排桩等。倾斜桩桩间可采用倾斜搅拌桩或其他与倾斜桩进行整体咬合的注浆体加固，也可采用垂直桩体进行注浆加固，如图11所示。因该工程开挖深度不大，止水采用垂直搅拌桩与桩间高压旋喷桩进行加固，桩间喷混凝土挂网，其施工方法与传统支护做法相同。

图11 倾斜桩桩间加固

4 实施效果与监测分析

通过对桩长17m、角度10°～15°管桩施工过程进行记录，得到施工工效如表2所示，由表2可知倾斜桩沉桩时间总体上多于直桩。

表2 斜桩与直桩施工工效对比

基坑施工过程中对桩身深层水平变形、桩顶水平变形进行监测。基坑每边按一定间距同时根据不同支护结构选择代表性部位设置深层水平位移测斜管，共布置10个深层位移监测点，冠梁上共布置8个变形监测点，监测结果表明，基坑整体最大位移为36.65mm，支护结构达到了良好的效果。

5 结语

该文以具有汉江一级阶地典型地层的基坑工程实例为基础，开展软土区斜-直交替桩、前斜后直倾斜预制圆形管桩基坑支护施工技术应用研究，探索倾斜预制桩新型支护施工设备、工艺原理、工艺流程、施工要点等施工技术方法，开展基坑工程实施效果监测分析，得到以下结论。

1)本基坑工程采用了斜-直交替桩与前斜后直双排预制管桩的支护形式，既利用了预制桩环境影响小、施工便捷高效的特点，又发挥了倾斜桩支护位移小、弯矩低的结构优势，特别是在软土区，避免了大截面支护桩及支撑的使用。

2)倾斜预制桩施工既可采用专用的斜桩静力压桩机进行施工，也可将普通静力压桩机进行夹桩改造，通过设置斜面平台或将龙门架和夹桩器按设计角度倾斜后固定在桩机平台完成倾斜静力压桩施工。

3)监测结果表明，支护结构达到了良好的效果，施工方法满足应用要求，具有较强的推广价值。