基坑围护中的预制拼装钢筋混凝土构件选型及应用技术研究

周玉石

1. 上海城地建设股份有限公司 上海 200062；2. 上海城地岩土设计有限公司 上海 200062

近些年，随着城镇化进程的不断推进，市政配套工程及房地产迎来了蓬勃发展的机会。考虑到对地下空间的合理开发利用，基坑开挖深度不断加深。目前上海地区结合海绵城市深隧工程，基坑开挖深度已向60 m挺进。与此同时，国家大力倡导绿色建造，在建筑全寿命周期内最大限度地节约资源。在软土地区，基坑工程投资占比高，节约资源降低造价的需求也同样迫切。

根据不完全统计，2层地下室深度基坑（开挖深度在10 m左右）仍占基坑总量的绝大多数，钻孔灌注桩结合水泥土搅拌桩止水帷幕是此类深度基坑最为广泛的围护体系之一。深刻分析可知，钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩的竖向围护体系各部分功能是明确的：钻孔桩承担侧向土压力，水泥土搅拌桩负责隔断基坑与外界的地下水联系或减少相应影响。由于工艺较为简单，工程应用实例众多，积累了丰富的工程经验，但随着工程建设体量的不断增加，问题也逐渐暴露出来。

在软土地区，钻孔灌注桩通常是采用泥浆护壁的方式成孔的，施工过程中产生大量泥浆，对环境污染严重；钢筋笼现场制作、混凝土水下浇筑，质量控制依靠技术工人，难度大；桩体所采用的钢筋和混凝土的设计强度通常不高，且施工时下笼及灌注环境较为恶劣，钢筋混凝土夹泥后影响桩身强度。作为止水帷幕的水泥土搅拌桩目前应用范围最广的有双轴水泥土搅拌桩和三轴水泥土搅拌桩2种，这2种技术均存在材料消耗大、搅拌均匀性差、 质量控制难、环境污染大、施工效率低等问题。如针对该类围护体系提出安全可靠、造价可控、环保绿色的替代性围护方案将会带来显著的社会及经济效益[1]。

1 采用预制构件的新型围护体系概述

针对传统围护体系的不足，不少工程技术人员进行了新的探索研究。而在这些新的解决方案中，采用预制构件作为受侧向土压力的支护构件成为了研究热点。张鹏等[2]提出了采用预应力工字形桩来替代钢筋混凝土圆桩或SMW工法，并进行了桩体的抗弯性能研究；黄广龙等[3]论述了采用预应力管桩作为支护结构承受水平向侧压力，充分发挥其较强的抗弯性能；周文苑等[4]针对预应力混凝土矩形支护桩进行了受弯性能试验，研究了该类桩的受弯破坏特征、裂缝开展情况和受弯承载力等问题；刘帆等[5]就后张法预应力混凝土工字形桩的力学性能进行了试验，对比了理论计算和试验结果；刘小乐等[6]为改善预应力混凝土管桩抗剪能力差的现状，使其能广泛应用于支护工程中，从管桩的抗剪承载力计算公式入手，对目前的研究现状进行分析和总结；周建凡[7]系统地论述了PHC管桩基坑围护的可行性、沉桩挤土效应分析及对基坑的影响，并结合案例进行实例化分析；刘洋[8]详细地论述了PCMW挡墙的设计计算与施工方法，并利用有限元对工程案例进行模拟；杨抗[9]详细地论述了T（工）形围护工法并对围护结构材料进行了受力分析。

采用预制构件来承担侧向土压力，具有以下优势：构件工厂化生产，较现场制作钢筋笼、水下灌注混凝土具有更好的质量可靠性；植入土中后无需养护，较现浇混凝土在工期方面可以节约近1个月的时间；矩形、H形、工字形截面较圆形截面受力更为合理，钢筋混凝土用量均有较大节约，造价具有较强优势。但预制构件单独并不能形成围护结构，需要与适当的止水构件结合形成竖向围护体系。

如果要将预制构件进一步应用到基坑工程中，应以安全、经济、低污染、施工速度快为原则，从生产环节、设计环节及施工环节进一步进行系统化研究。

2 新型围护结构的需求分析

新型围护结构应该具有以下特性：围护系统组成的各个构件应质量可控；构件的生产、运输、施工都应便捷；相对于同深度的传统围护结构具有造价优势；整个生产、施工全过程低污染，环保绿色。

依据以上原则，对新型围护结构做了如下分析：

1）围护受侧向力构件应采用预制钢筋混凝土构件，这样可以有效地控制板材的质量。但对截面的形式、采用的钢筋类型及混凝土的强度级别应做深度讨论。预制构件均存在生产、运输的问题，长度通常不得大于15 m，但15 m并不能满足新型围护结构的需要，因此，应考虑合理的接桩形式。

2）止水帷幕施工在满足止水要求的同时，应保证预制钢筋混凝土构件能顺利植入到位，因此应选用一种高效、质优、价廉的水泥土搅拌技术。

在确定了需求后，笔者对新型围护结构的构想如下：采用质优价廉高效的水泥土搅拌桩作为止水帷幕，搅拌后的软化水泥土可方便预制构件植入。预制构件截面宜选用受力合理且混凝土用量小的类型；构件中的钢筋应采用高强钢筋。相对型钢，预制构件截面较大，植入水泥土的过程中阻力较大，应采用适当的设备辅助进行沉桩。考虑生产、运输的原因，桩材长度单根不大于15 m，为了满足基坑需求，应考虑快速接桩。

为实现以上构想，首先应对预制构件所采用的钢筋进行选择，其次对截面形式进行讨论，并对桩材及接头进行性能测试，再次应对工艺所需设备进行选择及工艺流程进行设计和优化。

3 预制构件性能试验

3.1 混凝土强度及钢筋类型的确定

混凝土预制构件生产厂家在生产过程中通过蒸汽养护可让混凝土构件在较短时间内达到设计强度。对于混凝土设计强度等级为C60的预制构件，脱模后自然养护即可达到出厂强度。但设计混凝土强度等级为C80以上的构件，脱模后需再进入高压釜进行高温蒸汽养护。在高压釜内高温蒸汽养护，每米构件成品成本增加6～8元，且随着生态环境部“煤改气、煤改电”要求落地，进一步增加了高温蒸汽的成本。因此，在考虑生产环节及基坑工程实际需求的前提下，新型围护结构中预制构件混凝土强度等级被定为C50。该强度易于达到，且完全满足基坑工程要求。

围护体系构想中钢筋混凝土构件截面选用H形，该截面受力合理且节约混凝土的用量。但H形截面翼缘宽度不宜过大，钢筋布置空间小。预应力混凝土用钢棒（PC钢棒）直径小，但强度高，有利于布置钢筋，另一方面考虑到预制构件厂PC钢棒使用较多，如采用PC钢棒作为受力主筋，设备改造少，有利于节约生产成本。我们需要考虑的是PC钢棒是否满足基坑工程使用要求，因此需对其进行性能测试。

3.2 PC钢棒在纯弯构件中的性能试验

为了探讨和验证在临时性工程中用PC钢棒代替常规钢筋作为混凝土梁受弯主筋的可行性，笔者委托专业机构进行了PC钢棒配筋和普通三级钢配筋的预制混凝土梁静力加载试验。

3.2.1 试验内容、要求及方法

1）进行3根梁（包括2根PC钢棒配筋和1根普通三级钢配筋的预制混凝土梁）的单调静力荷载，荷载的施加方法和试验中荷载、位移和裂缝的量测均按照GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》中的规定进行。在2根PC钢棒配筋梁中，一根为端头焊接锚固（1#），另一根为镦头锚固（2#）。

2）测量内容包括荷载、位移和裂缝宽度等，由此得到其结构性能参数。

3）根据试验数据处理结果，分析在临时性工程中用PC 钢棒代替常规钢筋作为混凝土梁受弯主筋的可行性。

4）PC钢棒配筋和普通钢配筋的预制混凝土梁截面尺寸均为250 mm×500 mm，长度为6 000 mm（图1、图2）。

图1 PC钢棒预制混凝土梁

图2 普通三级钢预制混凝土梁

5）试件按照GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》的规定选定支座形式，试件一端为固定铰支座，另一端为滚动铰支座，跨度为5 100 mm，每端预留450 mm，采用三分点加载，用1个千斤顶通过分配梁对试件进行加载。

3.2.2 试验结果分析

1）普通配筋梁的极限荷载对应的跨中挠度与PC钢棒梁的基本接近（表1）。

表1 预制钢棒梁试验数据汇总

2）PC钢棒梁的裂缝发生、裂缝发展和分布的情况与普通配筋梁比较接近，没有显著的差别。

3）PC钢棒梁1#试件的破坏形式与普通配筋梁基本相似，PC钢棒梁2#试件由于发生受弯主筋（钢棒）拉断，其破坏形式稍有不同；根据以上3个试件的试验结果，可认为PC钢棒梁受弯性能与普通配筋混凝土梁相似。分析PC钢棒梁2#试件主筋拉断的原因可能在于PC钢棒张拉过度。

4）根据试验结果，3个试件均未发生受拉纵筋（PC钢棒和普通钢筋）锚固破坏。

5）根据GB/T 5223.3—2005《预应力混凝土用钢棒》的有关规定，试验中所使用的PCB 12.6-1420-35-L-HG型PC钢棒，其公称抗拉强度为1 420 MPa，建议按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》相关规定，此类PC钢棒抗拉强度设计值取不大于1 006 MPa。

3.3 H形预制构件桩材性能试验

为了验证H形截面预制构件桩材的性能，笔者委托专业机构进行了预制构件的三分点加载试验。构件混凝土强度级别选用了C50，钢筋选用了φ12.6 mm的PC钢棒，钢棒抗拉强度设计值取了公称抗拉强度的70%，即994 MPa。考虑到PC钢棒在纯弯工况性能试验中钢筋拉断的情况，在制作预制构件时，PC钢棒仅做拉直操作，方便箍筋布设及满足起吊即可，最大限度地释放钢筋的延性。试验分别针对预制构件单桩及接头进行测试。

1）进行3根6 000 mm×300 mm×650 mm的梁的测试（图3），编号分别为4#、5#、6#。

2）测量内容包括荷载、位移和裂缝宽度等，由此得到其结构性能参数。

3）根据试验数据处理结果分析在临时性工程中H形截面桩材的受力性能。

测试结果（表2）显示桩材均为剪切破坏，下一阶段试验进一步增加箍筋直径，提高配筋率。

图3 H形预制混凝土桩截面

表2 H形钢筋混凝土预制梁试验数据汇总

3.4 预制H形围护桩接头性能试验

3.4.1 接头的抗弯试验

在H形围护桩接头试验中，吸取前段试验的经验，进一步增加了箍筋直径，且对接头形式进行了深入设计。

1）进行3根3 000 mm×300 mm×650 mm的梁的测试，编号分别为4-1#、4-2#、4-3#。每根梁由2节长3 m的桩利用快速钢连接头进行连接（图4）。

图4 H形预制混凝土梁接头示意

2）测量内容包括荷载、位移和裂缝宽度等，由此得到其结构性能参数。

3）根据试验数据处理结果分析在临时性工程中H形截面桩材接头的受弯性能（表3）。

由于反力装置在第1根梁试验中发生了一定变形，在调整后恢复试验，且加载千斤顶行程已到极限，接头抗弯试验并未进行到破坏阶段。但根据试验所测数据，接头抗弯能力已满足要求。

表3 H形钢筋混凝土预制梁接头抗弯试验数据汇总

3.4.2 接头的抗剪试验

H形预制构件HCS-850B接头试件的抗剪试验目的是研究接头在静力荷载下的受力状态、传力性能，测试接头的极限抗剪承载力，分析试件的剪力-剪切位移试验曲线变化规律，并观察其破坏形态（图5）。

图5 进行接头试验的H形预制混凝土桩接头处截面

本试验共进行2组H形预制构件HCS-850B接头试件的抗剪试验，试件的区别为接头处是否安装具有抗剪能力的定位销，第1组试件在接头处不安装定位销，第2组试件在接头处安装定位销。

基于此，研究试件在纯剪状态下，不同接头构造形式的抗剪能力与破坏模式。

试件由桩A、B两段组成，中间为接头部分。试件A段采用地锚拉杆固定于高500 mm的型钢墩上（图6）。

图6 抗剪试件加载示意

分析第1组试件的数据曲线（图7）可以看出，第1组构件在达到屈服荷载约为760 kN后，继续加载，构件进入塑性变形阶段，随着位移的增加，荷载几乎不变，稳定在760 kN左右，出现明显的屈服平台，构件延性较好。

分析第2组试件的数据曲线（图8）可以看出，第2组试件没有明显的屈服平台，当构件达到极限荷载1 150 kN后，荷载急剧下降，而位移却没有明显增长，构件发生剪切破坏。

图7 不带定位销H形预制混凝土梁荷载-变形关系曲线

图8 带定位销H形预制混凝土 梁荷载-变形关系曲线

综合分析本次试验的试验数据及破坏现象，可得出如下结论：

1）第1组试件（无定位销）的剪切破坏发生在板桩本体，板桩本体先于接头破坏，得到板桩本体的抗剪承载力为760 kN；第2组试件（有定位销）的剪切破坏发生在接头处，得到具有定位销的接头抗剪承载力为1 150 kN。

2）第1组试件（无定位销）荷载位移曲线有明显的屈服平台，板桩本体具有较好的延性；第2组试件（有定位销）则没有明显的屈服平台，具有定位销的接头延性较差。

综上所述，具有定位销的接头抗剪承载力比板桩本体高约50%，但其延性较差，因此定位销可明显提高构件的抗剪承载力但降低了构件的延性。

3.5 预制构件桩材及接头试验总结

1）采用PC钢棒作为钢筋混凝土构件的受力钢筋是合适的，抗拉强度设计值选取994 MPa，安全余量是充足的。混凝土强度等级定为C50，适于目前阶段工厂化生产的条件。

2）采用接头处两端的L形钢板、对拉钢筋、带楔形槽钢盖板及高强螺栓组成的构件快速钢连接接头抗弯能力、抗剪能力高于桩身的抗弯、抗剪强度，可以满足工程需要。

3）H形钢筋混凝土构件桩材试验中均为剪切破坏，分析原因是箍筋配置率太低。在接头试验中通过增大箍筋直径，合理设置箍筋间距，平均抗弯能力提高约30%。

4）采用H形截面，选用PC钢棒作为受力筋，合理配置箍筋，根据现实条件确定混凝土强度等级，通过多次试验确定了L形钢板＋钢盖板的快速连接接头。通过以上诸多措施最终实现了预制快速拼接钢筋混凝土支护构件的设计，通过测算，其较圆形截面现场浇筑钻孔灌注桩节约造价达27.8%。

4 预制钢筋混凝土构件围护应用设备研究

新型的围护结构需要具有挡土及止水的功能，且施工过程中应确保挡土构件具有较高的垂直度；止水帷幕应质量良好、对各种土性具有良好的适应性，且造价应具有优势。为进一步完善预制构件围护体系，我们应首先确定专用施工设备，然后对施工流程进行设计和优化，最后应确定施工的各项参数及质控要求。

4.1 土体软化及止水帷幕设备的选取

软土地区基坑工程止水帷幕多选用双轴水泥土搅拌桩、三轴水泥土搅拌桩及强制搅拌式五轴水泥土搅拌桩。

双轴水泥土搅拌桩自20世纪70年代引入国内一直沿用至今，理论上施工深度可达到18 m。水泥掺量通常为13%～15%，水灰比0.55左右。由于机械动力较小，搅拌及喷浆技术落后，故成桩的质量较难控制。

三轴水泥土搅拌桩在20世纪90年代从日本引进，施工工艺中水灰比取值较双轴大，通常为1.5～2.0，水泥掺量为20%～22%，水泥土浆液流动性好。该种搅拌桩浆液搅拌均匀，止水效果较好，且搅拌深度可达33 m。

强制搅拌式五轴水泥土搅拌桩采用独特的“上下式喷浆”，即在搅拌叶片上下各设置1个喷浆口，通过钻杆正转与反转来打开和关闭[10]。

正转向下掘进时，下部喷浆口打开，上部喷浆口关闭，浆液从底部喷出，通过搅拌叶片可以进行充分搅拌，提升反钻时关闭下部喷口，打开上部喷浆口，喷出的水泥浆液进行第2次充分搅拌。通过以上的施工操作，机械一上一下完成了2次喷浆搅拌的动作，水泥土搅拌更加均匀，质量更好。五轴水泥土搅拌桩水泥掺量13%～15%，水灰比为0.8～1.2。

通过对比分析，笔者选用强制搅拌式五轴水泥土搅拌桩作为土体软化及止水帷幕的工艺。

4.2 预制钢筋混凝土构件植入设备的选取

在通过水泥土搅拌桩软化土体后，预制钢筋混凝土构件需植入至设计标高。但构件截面面积较大，植入过程中需选用辅助设备来进行。目前预制桩沉桩一般采用锤击、振动、压入3种方法：

1）锤击法：利用桩锤下落时的瞬时冲击机械能，克服土体对桩的阻力，使其静力平衡状态遭到破坏，导致桩体下沉，达到新的静压平衡状态，如此反复地锤击桩头，桩身也就不断地下沉。该法施工速度快，机械化程度高，适应范围广，现场文明程度高，但施工时有挤土、噪声和振动等公害，对城市中心和夜间施工有所限制。

2）振动法：利用一个大功率电力振动器（振动锤），沉桩时，把振动锤安装在桩顶上，利用振动力以减小土对桩的阻力，使桩能较快地沉入土中。

3）压桩法：是借助于桩架自重及桩架上的压重，通过滑轮换向把桩压入土中。压桩法的特点主要有：

① 施工时无冲击力，产生的噪声和振动较小，施工应力小，可减少打桩振动对地基的影响。

② 桩顶不易损坏，不易产生偏心沉桩，精度较高。③ 能在施工中测定沉桩阻力，为设计施工提供参数，并预估和验证桩的承载能力。

④ 由于专用桩架设备的高度和压桩能力受到一定限制，较难压入30 m以上的长桩，但可通过接桩，分节压入。

⑤ 机械设备的拼装和移动耗时较多。

考虑到静压方式无噪声，且不易影响桩头质量，新型围护植桩宜采用静压方式。常规的静压桩机压桩位置位于机械的中部，但基坑围护桩施工均离红线较近，常规压桩设备无法满足要求。

针对现场实际的需要及工艺的需求，笔者同设备生产厂家共同研制了全自动遥控机器人边桩机。该设备完全满足基坑工程植桩需求，纵横向行走、吊桩、压桩全程遥控控制，操作简单，操作人员可远离吊桩区域，最大限度地保证施工安全，智能化操作，节省人工。设备兼有传统静力压桩机的无振动、无噪声等优点，又比高频振动锤更高效节能，压桩速度更快、质量更高。构件植入过程，有夹具的控制，垂直度可控制在1/500以上。

4.3 工艺的流程设计

4.3.1 施工流程

预制拼接钢筋混凝土构件围护体系施工流程应考虑施工场地大小、周围环境等因素，搭接施工的相邻围护构件施工间歇不应超过16 h，如超过应进行复搅操作。施工过程中应合理设计施工流程，确保安全。具体施工流程为：测量放样→开挖沟槽→设置导向定位型钢→强制搅拌五轴搅拌机就位，校正桩机水平和垂直度→启动自动化后台拌浆→下部喷浆口喷浆，切割土体下沉至设计桩底标高→关闭下部喷浆口，打开上部喷浆口喷浆，提升至地面→移机至第2幅→全自动遥控机器人边桩机调平→H形钢筋混凝土构件第1节起吊定位→校核H形钢筋混凝土构件垂直度→植入第1节混凝土构件→H形钢筋混凝土构件第2节起吊定位→利用快速钢连接接头连接构件→植入第2节混凝土构件→下一循环。

4.3.2 施工参数

1）强制搅拌式五轴搅拌桩设备直径与轴距应与预制钢筋混凝土构件尺寸相匹配。φ800 mm@500 mm五轴桩对应H650 mm×300 mm板桩；φ950 mm@600 mm五轴桩对应H850 mm×400 mm板桩。

2）宜采用P.O 42.5水泥，水泥掺量宜取13%～15%，根据土层的情况，水灰比可在0.8～1.2之间合理选取。在特别软弱的淤泥和淤泥质土中应适当提高水泥掺量。建议水灰比1.2。搅拌桩28 d无侧限抗压强度标准值不小于0.8 MPa。

3）搅拌桩喷浆搅拌下沉速度宜控制在0.5～1.5 m/min，提升搅拌速度宜控制在1.0～1.5 m/min，并保持匀速下沉或提升。提升时不应在孔内产生负压造成周边土体的过大扰动，搅拌次数和搅拌时间应能保证水泥土搅拌桩的成桩质量。具体选用的速度值应根据成桩工艺、水泥浆液配合比、注浆泵的工作流量计算确定，搅拌次数或搅拌时间应确保水泥土搅拌桩成桩质量。

4）H形钢筋混凝土构件在搅拌桩施工完毕后3 h内插入，要求桩体偏差不大于20 mm，标高误差不大于100 mm，垂直度偏差不大于0.5%。

5）高强螺栓应拧紧，接头连接应可靠。

5 工程案例

5.1 工程概况

上海某工程基坑平面呈不规则形状，基坑面积约4 147 m2，围护结构周长约306 m；一般区域基坑开挖的深度为5.65 m（承台6.55 m）、局部落深区域开挖深度6.75（承台7.65 m），根据上海市工程建设标准DG/T J08-61—2010《基坑工程技术规范规定》，基坑工程安全等级为三级。

项目周边环境较为复杂，北侧为已建2层楼的构筑物，南侧为变电站、电缆沟等，西侧为某科研院所内中央大道，东侧为已建1层建筑物。基坑周边建筑及地下管线较多，相对较复杂。

5.2 设计方案

基坑深度为5.95～6.95 m，围护结构采用H形板桩水泥土搅拌墙，5φ800 mm@500 mm水泥土搅拌桩内插H650 mm×300 mm板桩，板桩间距800 mm，插入深度7.45 m，围护结构插入比1∶1.19，深坑区域插入深度8.55 m，围护结构插入比1∶1.23。

6 结语

传统的钻孔灌注桩结合水泥土搅拌桩止水帷幕围护体系虽然应用案例众多，成功经验丰富，但存在环境污染严重、材料浪费大、施工速度慢、质量控制难等诸多问题。本文旨在通过试验方式选取合理的材料、确定最优的构件截面及合理的接头形式，在考虑施工现场实际需求的情况下定制研究专项围护构件及施工设备，形成了可替代传统围护的新型预制拼装钢筋混凝土构件围护体系，具有较好的应用优势[11-12]：

1）构件工厂化生产，质量稳定、可靠，根据设计要求可实现定制。

2）连接接头安全可靠，钢筋混凝土构件可快速拼装，方便生产、运输及现场施工。

3）H形构件的截面形式合理，钢筋混凝土的配置满足基坑工程需求，节约大量建筑材料。

4）考虑土体软化、止水及造价等多方面因素，选用五轴水泥土搅拌桩来进行施工，安全、可靠、快速且适应市场。

5）根据实际需求，定制了全自动遥控机器人边桩机来植入桩体，施工速度快、桩体垂直度高、无噪声。

6）通过优化施工流程，整个围护体系施工工艺质量可控，有效提高工艺质量的稳定性。

7）H形预制拼接钢筋混凝土构件围护结构造价相对于传统钻孔灌注桩方案有大幅的降低，是相对更为环保、绿色的工法。

工艺通过多项工程的验证，安全可靠，如能全面替代传统方案将会带来显著的社会及经济效益。