前撑式注浆钢管支撑在基坑围护中的应用与研究

惠彬永

上海建工四建集团有限公司 上海 201805

1 工程概况

上海奉贤科技绿洲南桥园区二期项目位于上海市奉贤区生物科技园区内，主体结构设置1层地下室，基坑总面积约25 112 m2，基坑总长为743 m，基坑普遍范围开挖深度5.70 m，局部超挖0.6～2.0 m。场地西侧1倍开挖深度范围内分布有强电电缆、天然气管道等多条重要管线。场地西侧原设计为深层水泥土搅拌桩重力坝，一方面考虑基坑变形对重要管线的影响，另一方面考虑西侧离重要管线较近，重力坝无施工操作空间，与设计沟通并经建设单位同意，将基坑西侧围护体系优化为双轴搅拌桩内插H型钢结合前撑式注浆钢管支撑的组合形式（图1）[1-3]。

围护采用φ700 mm@500 mm双轴搅拌桩内插H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型钢加前置式钢管支撑体系，前置式注浆钢管采用长21 m、φ325 mm×8 mm的钢管，倾角45°，单根钢管注水泥浆量5.0 t；坑边6 m范围内设厚200 mm配筋垫层，内配φ10 mm@200 mm双层双向钢筋。

图1 优化后基坑西侧前置式钢管支撑示意

2 工艺流程

前撑式注浆钢管支撑工艺流程[4-5]为：施工基坑围护体系→施工前撑式注浆钢管桩及圈梁→分层分块挖除坑边配筋垫层设计宽度的土方→开挖到底后立即跟踪施工预装式钢板，再按设计要求施工配筋垫层，前撑注浆钢管桩穿越外墙和底板区域设置止水钢板→待配筋垫层达到80%设计强度，分层分块挖除基坑中部区域至坑底标高，在要求时间内浇筑完成垫层底板→待底板和可靠的换撑强度达到80%设计强度，可视情况间隔地割除前撑注浆钢管桩，并施工地下结构至±0 m→回填基坑，割除前撑注浆钢管桩（图2）。

图2 基坑回填工况示意

施工支护体系配筋垫层时应注意，开挖该区域土方需采用“岛式跳仓开挖”的形式，即先挖除坑边配筋垫层设计宽度的土方，并进行分块跳仓施工，避免支护体系在未全部形成前，因一次性暴露区段过长导致支护结构变形过大。

具体施工时，可参照以下措施进行：开挖初期，跳仓距离宜按10 m左右划分为一段，即先沿支护纵向挖除一段10 m左右长度的土体并施工配筋垫层，随后跳开10 m左右进行下一段土体及配筋垫层的施工，如此重复跳仓施工。待相邻2块配筋垫层达到一定强度后，进行中间区域的土体及配筋垫层施工。若此期间基坑监测情况良好，可适当将跳仓距离调整为10～20 m。

3 施工关键控制点

3.1 钢管加工

钢管分段处焊接长200 mm的φ351 mm×10 mm外套管，最下端的钢管端部桩尖焊接密实，保证其强度及封闭性，所有焊缝高度≥8 mm，焊条采用E43型。钢管底部沿轴向开设直径为6～8 mm的注浆孔，同一截面高度均匀分布4个孔，于管体外侧用橡胶带作为止回阀将同截面注浆孔扎牢封闭；随后将约束囊袋覆裹于钢管外侧并用钢箍固定，以约束管外泥浆形成注浆扩大体（图3）。

图3 钢管加工示意

3.2 打设钢管

软弱地层条件下钢管易于贯入，无需借助钻机引孔即可直接依靠机械手将钢管插入土体预定深度。但由于机械手自身振动明显，沉桩初期由于土体对钢管侧壁的握裹力不足，钢管入土角度难以控制（图4）。

图4 现场打设钢管

需注意的是要先将钢管端部打入一定深度，检查管体是否发生偏斜，如有偏差应及时纠偏，确认无误后再继续沉桩。

3.3 钢管注浆

由下而上分段进行约束式注浆，注浆管两端各有1个封闭气囊，起到双向密封的作用，保证上下密封良好，达到定位注浆的目的。

注浆最终完成的标准为：单根钢管水泥用量不少于设计值或最终注浆压力不小于2 MPa。

4 工艺特点

4.1 工艺简便灵活

相较于传统的钢筋混凝土支撑而言，无需表层卸土、支撑施工、养护及拆除等繁琐工序。支护体系形成后即可开挖到底。根据施工现场场地的特点可选择多种支撑形式（图5），设计灵活，施工方便。

图5 钢支撑设计形式

4.2 施工工期短

常规方案支撑系统的施工涉及到水平混凝土支撑及立柱、立柱桩施工，以及后续支撑破除。

新技术方案支撑系统的前撑式注浆钢管支撑与围护桩一起施工，基本同步施工完成。后续挖土亦可实现坑内大面积土方整体开挖。具体到本工程，比起常规支撑方案，新技术方案节约工期25～30 d。

以开挖深度12 m基坑为例，前置式钢管注浆支撑方案与钻孔灌注桩＋2道支撑相比：节约造价约25%、节约工期约43%、节约能耗约20%。

4.3 经济效益显著

对于挖深12 m以内的基坑，基坑面积越大，本工艺成本优势越明显，通常可节约造价15%～25%。但当钢管长度达到一定规模后，所需的强度往往难以满足，无法兼顾成本和强度要求。

4.4 变形控制效果佳

奉贤科技绿洲园区位于长江三角洲入海口东南前缘，其地貌属于滨海平原地貌类型，坑底以下对基坑及围护结构有影响的地基土层主要为③层灰色淤泥质粉质黏土、④层灰色淤泥质黏土及⑤层灰色黏土。结合上海地区常规重力坝施工经验，重力坝在③～⑤地基土层中变形较大，不易控制。

新技术方案注浆钢管支撑顶端锚固于支护体系压顶梁之中，底部通过注浆扩大体锚固于深层土体中，坑底又有配筋垫层的加持，增强了支护结构的整体性及抗变形能力。

4.5 静载试验

根据设计要求，选取2套前置式注浆钢管做静载试验，加载数据如表1所示，由加载数据知，卸载以后注浆钢管出现回弹现象，最大回弹量4.62 mm。由Q-s曲线及s-lgt曲线（图6）可以看出最大沉降量为32.47 mm，单桩最大承载力达到800 kN。最大承载力满足设计要求，也为前置式注浆钢管支撑在上海地区应用提供设计依据。

表1 加载试验结果

图6 Q-s曲线及s-lg t曲线

4.6 工艺不足与优化建议

4.6.1 工艺不足

内拉式前置式注浆钢管施工需穿越地下室底板与外墙，虽然于底板和外墙接触处设置止水钢板，但还是存在渗水、漏水的隐患。

目前上海地区地基基础均采用各类管桩、方桩及其他桩型，且桩间距较密，钢管施工时易与既有各类桩冲突。

4.6.2 优化建议

针对内拉式前置式注浆钢管，通过计算采取比较经济、安全可靠的结构组合方式，如三轴深层水泥搅拌桩结合混凝土灌注桩、前置式注浆钢管组合型式，在底板及外墙施工时尽可能将前置式注浆钢管拆除或部分拆除，尽可能不穿越底板及地下室外墙。

5 结语

经过探索和实施，前置式注浆钢管支撑工程顺利完成，不仅完成了预期目标，也赢得了良好的社会与经济效益。基坑施工结束后，前置式注浆钢管支撑可实行回收利用，采用无支撑设计，节省了大体量的支撑结构，成本降低，低碳环保。无内支撑设计方便了挖土机械的施工，大大提升了挖土效率，能明显提升施工速度，便于挖土结束后主体结构的快速施工，节省工期。