PCMW 工法基坑支护设计与分析

谢 俊 周海军

(1.江苏致豪房地产开发有限公司，江苏南通 226000;2.江苏省岩土工程公司南通分公司，江苏南通 226000)

0 引言

地下建筑迅速发展，深基坑工程日趋增加，各种类型的基坑工程建设不断加快，同时发展了诸多支护方式。城市地下工程中，为保证主体结构顺利施工，基坑周边环境的安全，对支护的要求较高。在软土地区，基坑支护常采用的方式主要有:SMW工法桩、钻孔灌注桩及管桩［1-3］、PCMW工法桩等。

PCMW工法是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入预制管桩形成的复合挡土、隔水结构［4-6］。即利用三轴搅拌桩钻机在原地层中切削土体，同时钻机前端低压注入水泥浆液，与切碎土体充分搅拌形成隔水性较高的水泥柱列式挡墙，在水泥土浆液尚未硬化前插入支护管桩的一种地下工程施工技术。它能将预制的高强度支护管桩的高强度和大刚度与水泥土搅拌桩的抗渗性能有机结合起来。因其适用范围广、环保高效经济等优点，可同时做挡土止水体系，PCMW工法桩既可单独使用，又可结合内支撑、锚杆等支护形式共同作用。

本文结合南通假日广场基坑工程中PCMW工法围护结构实例，探讨了PCMW工法与SMW工法的比较、PCMW工法与灌注桩结合止水桩的比较，及PCMW工法施工技术与质量措施，分析了监测数据，以期能对同类基坑工程的设计、施工起到借鉴作用。

1 项目背景

1.1 项目概况

假日广场地块商办楼基坑支护工程位于南通市青年西路南侧，三德大酒店东100.0 m。工程±0.000相当于黄海高程3.85 m，场地标高按黄海高程3.60 m，场地相对标高为－0.25 m。基坑规模:南北长约40.0 m，东西长约88.0 m，基坑边长约278.5 m。开挖深度5.5 m～6.6 m。该拟建地下室周边条件复杂，东侧为河道，南侧为居民小区，西侧为商业用房及居民区，北侧为青年中路。

基坑东侧为藏珑小区，24层，1层地下室，距坑壁最近处约25.0 m;南侧、西南为段家坝小区，6层，无地下室，砖混结构，距坑壁最近处约10.0 m;西侧为办公楼，7层，无地下室，距坑壁最近处约10.0 m;北侧为青年中路，道路两侧埋设管线，距坑壁最近处约8.0 m;场地西侧及南侧局部亦埋设管线。

1.2 工程地质与水文地质概况

基坑影响范围内地下水主要为浅层孔隙潜水。孔隙潜水赋存于第四系全新统冲积层中，主要含水层为粉土和砂性土，富水性一般。孔隙潜水主要受大气降水垂直补给及地表水体侧向补给，地表水体与地下水呈互补关系。地形平坦，径流缓慢。排泄方式为就地泄入地表水体、自然蒸发等。工程地层在约20 m深度范围内主要为粉土、粉砂，各土层间水力联系密切。

据勘探资料，在基坑影响范围内，除表层填土外，其余均为第四纪长江冲积层，主要由粘性土、粉土、粉砂组成。支护设计计算所采用的土层主要物理力学性质参数详见表1。

表1 土层主要力学参数

2 PCMW工法应用与分析

2.1 基坑设计方案

根据上述的本工程支护设计的特点，采用分段支护，其支护形式也根据周边环境条件，采用不同的形式。表2详细列出各分段的基坑支护形式。

其中，PCMW工法桩采用 PHC600-AB130-11的管桩，间距1 200 mm。冠梁采用宽1 100 mm、高600 mm的钢筋混凝土梁，坑内采用2排φ850@1 800三轴搅拌桩进行加固，支护形式与具体布置详见图1。

表2 基坑支护形式

2.2 PCMW工法与SMW工法比较

目前国内基坑支护的形式很多，但是主要的支护形式是工法桩以及钻孔灌注桩结合止水帷幕。其中，工法桩又分为PCMW工法与SMW工法。二者对基坑支护作用基本相同，PCMW工法是指大直径预应力管桩复合支护墙，即采用搅拌桩施工对地层进行加固，同时在地层内形成一道类似于咬合排桩一样的水泥土墙，在水泥土中的水泥尚未凝固时插入大直径预应力管桩，形成由搅拌桩挡土止水、管桩承受侧向水土压力的组合结构，管桩因其刚度大，基坑位移很小［7］;SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法，即在水泥土桩内插入H型钢等，将承受荷载与防渗挡水结合起来，使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙均是在水泥搅拌土中插入劲性材料，形成挡土与止水复合支护结构。以实际工程价格比较，PCMW工法比SMW工法每延米造价多约5%～10%，如果地下结构施工周期较长，SMW工法型钢的租赁费用会增加，两者费用将会接近。

图1 支护形式与布置图

2.3 PCMW工法与灌注桩比较

PCMW工法与常规的灌注桩结合水泥土搅拌桩相比，整个支护体系占用土地少(一般PCMW工法占用0.85 m～1.2 m宽，而钻孔桩结合止水帷幕支护需要占用的宽度至少2.0 m～2.4 m)，在施工进度和施工环境上有着较为明显的优势。管桩的置换土仅为灌注桩的25%～35%，而且渣土硬结运输，没有撒漏滴冒现象。这种优势对于处于城市范围的下穿有时是决定性的。

2.4 止水桩效果比较

图2 止水桩布置型式

图2表明了止水桩的平面布置形式。一般情况下，采用SMW工法时，为方便型钢顺利拔出回收，均会在型钢表层涂刷隔离剂，致使水泥土与型钢粘结性降低，容易成为渗透点，但采用PCMW工法桩时，支护管桩无需拔出回收，管桩在水泥土凝固硬化前插入，使得管桩和管桩内、外水泥土形成一个整体的复合包裹体，其防渗性能更加可靠。

采用PCMW工法，管桩与冠梁直接连接。在主体施工期间，通过预埋件和主体结构有效连接，达到一定的抗浮效果。采用灌注桩结合止水帷幕的形式，在支护的工作期间，因土体变形，钻孔灌注桩后的止水帷幕容易开裂漏水，且渗漏点寻找处理困难，而PCMW工法在这方面具有渗漏点明确，堵漏灌浆方便简单的特点。

2.5 质量保证与安全性比较

PCMW工法中，管桩采用预应力高强度支护管桩，其具有轻质高强的特点。工程中，预应力管桩由生产厂家预制，检测中更容易保证其质量。在节约和经济造价方面，提供相同抗弯强度的前提下，管桩只消耗钻孔桩30%～50%的钢材和25%～30%左右的混凝土，节约造价约25%以上。管桩的轻质高强、节约资源的特点非常符合我国节能减排的基本国策。在主体结构施工完毕后，PCMW工法因管桩的支挡作用，有效地增强了U槽侧墙的抗弯抗剪性能，而SMW因型钢的拔出回收，不具备上述优点。

2.6 PCMW工法施工技术与质量措施

整个施工过程中，应从原材料供应开始，到桩机定位、钻进，乃至桩的搭接、管钢的插入，对各道工序层层把关，以形成优质的围护结构体。本次PCMW将加强下述五个方面的控制:1)桩机定位及垂直度控制。开机前必须探明和清除一切地下障碍物，须回填土的部位，必须分层回填夯实，以确保桩的质量。桩机行驶路轨和轨枕不得下沉，桩机平面定位误差不大于5 cm，管桩定位误差不大于3 cm，桩机垂直偏差不大于0.5%。2)合理选择水泥土配合比。水泥宜采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入比选用20%范围，水灰比选用1.5～2.0(砂土中加大水灰比，增大水泥掺量，并掺入适量的膨润土)。设计要求严格控制水灰比，水泥浆搅拌时间不少于2 min～3 min，滤浆后倒入集料池中，随后不断的搅拌，防止水泥离析。压浆应连续进行，不可中断。3)控制注浆量和提升速度。一般三轴搅拌机下钻搅拌时注浆的水泥用量约占总数的70%～80%，提升时为20%～30%。三轴搅拌机搅拌下沉速度与搅拌提升速度应控制在0.3 m/min～2 m/min范围内，下沉速度粘性土:0.5 m/min ～1 m/min，砂土:1 m/min～1.5 m/min;提升速度为1 m/min～2 m/min，比钻进速度快1倍，但不宜过快，并保持匀速下沉与匀速提升。4)做好桩与桩须搭接的工作:a.桩与桩搭接时间不应大于12 h;b.如超过12 h，则在第二根桩施工时增加注浆量25%，同时减慢提升速度;c.如因相隔时间太长致使第二根桩无法搭接，则在设计认可下采取局部补桩或注浆措施。在接缝处补桩及作出明显标记，开挖前再需注浆补强。5)加强管桩的施工管理。

3 设计结果分析

3.1 计算条件

基坑支护体的设计计算采用规范推荐的竖向弹性地基梁法，土的c，φ值均采用固结快剪指标。计算中普遍区域地面施工超载都取20 kPa。在支撑体系的计算中，将支撑与冠梁作为整体，按平面杆系进行内力、变形分析，基坑稳定性验算结果详见表3。

表3 稳定性验算结果表

3.2 结果分析

深基坑设计中计算及验算的主要内容包括支护结构的变形、坑底隆起、基坑倾覆和深基坑周围地层沉降。深基坑施工过程应对与基坑安全相关的各个方面进行监测。

总结上述分析并结合现场实测基坑位移(见图3)，由图3可知，基坑最大位移为19.4 mm，表明本工程采用PCMW工法支护形式顺作开挖方式能满足基坑开挖对周围环境的保护要求。

从基坑开挖过程的监测数据可以看出，本工程基坑围护所采用的技术有效地控制了基坑位移，保证了周边环境的安全和主体工程的正常施工。但三轴搅拌桩插管桩属于隐蔽工程，影响施工质量的因素较多，施工过程若稍有不慎或措施不当，便会在施工中产生质量事故，造成的损失较大，直至影响工期，并对整个基坑安全产生不利影响。因此，必须对其施工过程每一环节都进行严格控制。

图3 实测基坑位移曲线

4 结语

PCMW工法是利用三轴搅拌桩钻具就地钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体中，经过充分搅拌混合后，再将预应力支护管桩插入搅拌桩体内，形成地下连续体作为挡土和止水结构。

PCMW工法的主要特点是对周边环境影响小，有利于保护周边建筑及基础设施，施工残土及泥浆很少，有利于城市环保;成桩质量比较可靠，桩体内置支护管桩，与水泥结合增加桩体强度;基坑防水效果好，且水泥掺入量高，墙体属无缝连接，具有较高的抗压和抗剪强度;工艺构造简单，工程造价较低，压缩工期的同时节约了人工费，降低工程造价，是一种值得推荐的基坑支护工法。本工程成功的实践可为今后类似工程提供一点借鉴。

［1］葛 鹏，佴小彬.预应力混凝土管桩支护体系的设计与施工［J］.地质学刊，2010，34(1):84-88.

［2］黄广龙，李 勇，宰金珉，等.预应力混凝土管桩在深基坑支护工程中的应用研究［J］.建筑施工，2010，27(4):12-15.

［3］徐佩林，傅红玉，陈 林.长短间隔悬臂现浇薄壁管桩基坑支护设计与施工［J］.施工技术，2011，40(344):24-27.

［4］管鹤楼，赵秀娟，刘 林.浅谈PCMW工法在基坑支护工程中的施工工艺及质量控制［J］.公路工程，2012，37(4):175-180.

［5］耿 平，陆秀华，蒋柏东.PCMW工法在深基坑工程中的应用［J］.建筑技术，2012，43(3):231-233.

［6］周毅雷，郭 彤，卫龙武.软土地区深基坑支护的PCMW工法及其现场测试研究［J］.江苏建筑，2010(6/138):58-60.

［7］颜荣华，黄广龙，梅国雄，等.预应力混凝土支护管桩抗剪计算分析［J］.南京工业大学学报(自然科学版)，2010，32(5):49-54.