PC组合管桩在大型基坑围护中作为围护分区的应用

张龙彪

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

PC组合管桩相对于传统的围护桩，是一种较为新型的工艺，主要是以钢管桩＋拉森钢板桩组合使用形成围护坝体，具有强度高、稳定性好、止水效果好、可重复周转使用等诸多特点，广泛应用在围护体系中[1-4]。在本工程中，作为围护分区的坝体桩使用，优化了原围护设计方案。

1 工程概况

本项目位于杭州市余杭地区，主要由7个3～7层的办公楼单体和1个地下2层停车库组成，总建筑面积约为42万 m2，地下建筑面积为23万 m2，地上建筑面积为19万 m2。

本工程周边环境较为复杂，分布着已建的商业园区、住宅小区及学校等建（构）筑物。同时，项目四周均为城市主干路，北侧主干道路距离基坑较近，约为19 m，道路下方分布有地下管线，埋深约1 m，包括煤气、雨水、电力、通信等各类市政管线。

本工程基坑面积约12万 m2，基坑周长约1 500 m，开挖深度约为9 m。围护体系主要是φ900 mm钻孔灌注桩（局部区域为双排）加φ850 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕体系，基坑东侧设置1道钢筋混凝土对撑。基坑中部采用双排钻孔灌注桩（双排中间采用三轴水泥土搅拌桩填充加强），桩后采用三轴水泥土搅拌桩进行被动区加固，同时，设置1道混凝土斜撑连接围护坝体与地下1层结构楼板。基坑四角均设置1道混凝土角撑。具体的围护情况如图1、图2所示。

图1 基坑围护平面布置

图2 中部斜撑区围护典型剖面

根据地质勘察报告，本工程由上而下主要有：填土层、淤泥质黏土层、粉质黏土层及砂质粉土层等构成。其中，由于工程地处杭州西溪湿地附近区域，所以②1层及③层均为淤泥质黏土层，层厚约为14 m且分布不均匀，为本工程的主要土质软弱层。

本工程涉及地下水主要以孔隙潜水为主，埋深1.2～6.0 m，由于基坑西侧土层以淤泥质土为主，透水性较差，故不考虑设置降水井，基坑东侧淤泥质土层较薄，砂质粉土层较厚，故设置疏干井进行降水。

2 围护方案调整的背景

本工程在完成中部被动区土体加固后进行实体取芯检测发现，其抗压强度为0.3～0.5 MPa，不满足设计值1.0 MPa的要求，这将大大增加基坑开挖后围护体变形的风险。经过论证，发现在淤泥质土层中进行三轴水泥土搅拌桩加固难以达到设计值1.0 MPa的要求。所以，需要在原围护方案的基础上进行优化调整，既要满足施工工期，又要减少该区域基坑开挖后的变形风险，经过方案论证，最终采用在原有基坑围护的基础上，另设置围护分区的方式来解决此问题。

3 围护分区方案选型

针对本工程中部围护区段的分区设计需求，在方案确认阶段，拟采用2种围护设计方式进行分析选型：

1）采用钻孔灌注桩设置围护分区：在中部区域基坑内另设置1排钻孔灌注桩＋三轴水泥土搅拌桩，同时，将原设计的混凝土斜撑改为水平支撑形成围护分区。分区内土体先行开挖，桩后50 m范围的土体作为反压土进行保留。待分区内换撑施工完成后，再进行拆除并施工其余区域。

2）采用PC组合管桩设置围护分区：相较于传统的围护桩，PC组合管桩是一种较为新型的工艺，主要是以钢管桩＋拉森钢板桩组合使用形成围护坝体，具有强度高、稳定性好、止水效果好、可重复周转使用等诸多特点。在设置围护分区的工况下，将钻孔灌注桩＋三轴水泥土搅拌桩形式改为PC组合管桩，其余工况及做法与第1种方案相同。

从设置围护分区的方式来看，其将大大增加围护体的安全性，由于分区内土方先行开挖，加快了中部区域围护侧地下结构的施工速度，更早地完成换撑并减少围护体暴露时间，对控制围护体变形极为有利。

以材料性能及经济性指标来分析，由于PC组合管桩是可重复利用的材料，相比钻孔灌注桩这种一次性的投入，其租赁使用成本将大大降低。同时，PC组合管桩施工速度快，且不需要进行养护，大大加快了施工进度。综合考虑，最终采用PC组合管桩来设置围护分区。

4 PC组合管桩施工

4.1 围护分区概况

PC组合管桩采用φ630 mm×14 mm钢管桩＋拉森Ⅳ钢板桩设置围护分区，拉森Ⅳ钢板桩采用小企口施口，PC工法组合管桩体系兼作止水帷幕。钢管桩长16 m的有432根、长18 m的有51根；拉森Ⅳ钢板桩长9 m，共533根。

钢管桩上部设钢筋混凝土压顶梁，利用原设计的立柱桩形成1道混凝土水平支撑，PC组合管桩桩后50 m范围内的土体在围护分区开挖时作为反压土进行保留。

基础底板斜撑换撑采用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm@4 000 mm的双拼型钢进行设置，型钢之间采用1 000 mm×200 mm×12 mm@2 000 mm的缀板进行焊接连接。同时，在混凝土围檩与基础底板内均设置钢板预埋件，斜撑与预埋件焊接连接。调整后的围护平面与剖面如图3、图4所示。

图3 调整后的基坑围护平面布置

图4 围护分区典型剖面

4.2 施工流程

场地平整→测量放线→开挖沟槽→钢管桩定位→PC组合管桩起吊→定位校准→振动锤送桩→压顶梁与分坝内支撑梁施工→分区内地下结构施工→支撑与压顶拆除→PC组合管桩拔除

4.3 吊装施打

在吊装施打前，开挖定位沟槽，在沟槽内平行放置1根φ630 mm×14 mm定位钢管桩，规格为钢管，长约16 m，用点焊进行相互连接固定，以此作为后续PC组合管桩的定位控制。

施工设备采用80 t汽车吊配合28RF型电动振动锤进行沉桩施工，整体施工流向为由西向东进行吊装施打（图5）。施工过程中，通过控制吊机吊桩状态、经纬仪前方交会、控制沉桩速度等方式来控制沉桩垂直度。同时，首根桩的垂直度控制尤为重要，直接影响后续所有桩的施工，所以应更加慢沉并谨慎施工。

图5 PC组合管桩插打流向示意

4.4 排桩的合拢

PC组合管桩施打至末尾或垂直交接段时，将出现合拢区域的尺寸偏差与垂直度问题，采用标准尺寸化的管桩与拉森钢板桩将无法顺利合拢。需通过精准的计算测量，定型化加工最后合拢段的钢管锁扣，并将此根管桩最后用于现场合拢施工。同时，为减少最后的合拢难度，在施工过程中，当距离最后合拢位置大概15个桩位范围时，每打入1根桩均采用经纬仪控制其垂直度，通过这15根桩进行逐根纠偏，最后顺利完成合拢施工。

4.5 压顶梁与支撑梁施工

在PC组合管桩施工完成后，即可分段进行混凝土压顶梁与支撑梁的绑扎与混凝土浇筑。按照设计要求，钢板桩与锁扣需锚入压顶梁内50 mm以上，才能确保压顶梁底部的止水效果。同时，需对压顶梁与支撑梁的梁主筋进行优化处理，防止出现碰撞管桩导致无法穿过的情况。

4.6 拔桩施工

围护分区内基础底板达到设计强度，同时，斜撑换撑施工完成后即可拆除分区内水平支撑，而后拔除PC组合管桩。由于PC组合管桩桩后50 m范围内留土影响拔桩施工，所以在拔桩施工前，须将管桩桩后土体卸载至基底面上1.5 m，卸载形式按1∶2进行放坡卸载，最后进行围护桩的拔除工作。拔桩前，另采用镐头机先将混凝土压顶梁破碎凿除，而后采用汽车吊配合振动锤将PC组合桩逐步进行拔除。拔桩施工采用跳拔的方式，即先拔除相邻的拉森钢板桩，而后再拔除管桩。遇到拔除困难时，应辅助采取左右晃动、上下反复插拔，或沿桩身注水湿润等措施来减少阻力，直至将桩顺利拔除。

5 围护分区内地下结构施工

5.1 后浇带分块

南北两侧围护分区内地下室结构东西向总长约为200 m，按照后浇带进行划分，将基础底板与地下室分为5块进行施工（图6、图7），每块区域东西向长度约为40 m。通过此种划分方式，可以尽量缩小每分块土方开挖的面积，进而减少对应区域围护体一次性的暴露长度，同时也加快了每分块的垫层及底板的完成时间，有利于围护分区内的对撑快速形成，增加了围护分区基坑开挖的安全性，减少了最终的基坑变形情况。

图6 北侧分区结构分块示意

图7 南侧分区结构分块示意

5.2 地下室结构施工流程

各分区内基础底板与地下室结构的施工流程均按照1区→2区→3区的顺序进行施工。1区土方先行开挖并浇筑混凝土垫层，待1区基础底板及型钢斜撑换撑安装完成后，才能开挖2区的土方。同样地，2区基础底板及型钢斜撑换撑安装完成后，最后开挖3区土方并施工余下结构。待3区基坑底板及换撑完成后，即可拆除围护分区内的混凝土水平支撑，而后进入拔桩施工工序。

6 实施效果分析

本工程围护方案优化后采用PC组合管桩设置围护分区的设计方式，顺利地解决了原先被动土加固不满足设计要求的难题，使分区内的地下室结构可以先行施工，加快了此部位的施工进度。同时，通过合理地设置后浇带对分区内地下室结构进行划分，由两侧向中间慢慢推进施工，大大减少了分区土方开挖时围护坝体的暴露时间，进而减少了基坑变形量。从最终的基坑变形数据上来看，该区域围护体最大变形量均未超报警值，保证了基坑安全。同时，依托PC组合管桩良好的止水效果，桩间也未出现渗漏水情况。

另外，由于围护分区存在的时间较短，即从PC组合管柱施打开始至分区内基础底板与斜撑换撑完成就可以拆除。在杭州地区这种软土土层内，PC组合管桩本身的施打速度与拔除速度都非常快，整体PC组合管桩围护结构在较短的时间内即可完成施工与后续的拔除工作，大大加快了施工进度，减少了PC组合管桩的材料租赁时间，相比于传统的无法回收的围护体系，其在节约成本方面也取得了较大的成效。

7 结语

基于本工程最后的实施效果来看，采用PC组合管桩作为围护分区的坝体桩使用是非常成功的一种设计方式，不仅加快了施工进度，也节约了施工成本。根据现场实际情况来看，特别适用于类似杭州地区这种软土、淤泥质土层。本工程的成功实施，为后续类似土层地区的围护工程提供了新的设计思路，相信其定将在未来应用得更为广泛。