低净空厂房内树根桩基坑围护设计

黄光爵

(上海市建筑科学研究院 上海 200032)

0 引言

树根桩是一种小直径钻孔灌注桩，在20世纪30年代初由意大利Fondedile公司首创，因其桩基形状像“树根”而得名，它具有机具简单、施工方便、施工振动和噪声小、对墙身和地基土几乎不产生应力等特点[1]，可在狭小的空间内实现基坑的挡土功能。

高压旋喷桩是由日本在20世纪70年代初期最先开发的地基加固技术，后在基坑工程中用于挡水和减少地基变形效果显著，解决了许多复杂基坑工程中难题，确保了工程安全[2]。

某厂房因工艺升级需求增加设备而改建厂房，但既有厂房内部净空、净距较小，常见的基坑园护方法难以胜任，后创意性地采用了“树根桩+旋喷桩”围护方法，既有效地控制了基坑变形，又减少了工程拆费用，取得工程经济、绿色、环保的良好效应。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

该工程为某产业技术平台新增设备基础工程，在厂房内部开挖基坑。厂房柱网15m×9m，净高约9m。该厂房建筑为预制管桩基础，原来无地下室，于2009年交付使用。后因生产工艺升级需要在厂房中增加设备基础，基坑开挖深度最深为4.01m。设备基础结构剖面示意图如图1所示。基坑边线离厂房建筑基础最近1.37m。

图1 设备基础剖面示意图

1.2 地质情况

依据勘察资料，地质按年代和力学性质自上而下土质包括：

第①层填土，平均厚度2.23m。第②层粉质黏土夹粘质粉土，平均厚度1.24m，可塑。第③层淤泥质粉质黏土，平均厚度8.08m，流塑。第④2层粘质粉土夹淤泥质粉质黏土，平均厚度3.35m。第⑤1层淤泥质粉质黏土，平均厚度4.16m，流塑。第⑤4层粉质黏土，平均厚度4.42m，软塑。第⑥层粉质黏土，平均厚度2.98m，可塑。该基坑围护设计土层参数参见表1。

表1 基坑围护设计土层参数表

2 基坑围护设计与施工

2.1 设计施工难点

基坑总面积不大，但基坑底面处在淤泥质粉质黏土上，土体物理力学指标低。新增设备基础离厂房柱子较近，基坑开挖时厂房柱子为重点保护对象。厂房内部净空低，施工场地狭小，厂房其余区域还在进行生产活动，新增基础的施工不能破坏厂房原有结构，常见围护技术难以在如此条件下实现挡土、止水的功能要求，基坑工程施工中受到许多不确定因素的影响，存在一定工程风险，因此需要特别考虑。

该项目为室内基坑，施工净空和净距均较小，存在施工操作方面的难点。基坑若采用放坡开挖是不合适的，土钉墙支护方案也应排除在外，只能采用垂直开挖方案，但常规的钻孔灌注桩、钢板桩和水泥土搅拌桩设备均无法正常进行围护和止水帷幕的施工。虽然厂房为钢筋混凝土框架结构，基础为预制管桩独立基础，但厂房内部还在进行生产活动，对变形较敏感，一旦围护或止水不当将易对厂房建筑物和生产活动产生不良影响。

2.2 树根桩设计与施工

施工条件的限制致使常规钻孔灌注桩、钢板桩等大型设备均无法施工，经过充分调查和思考，并结合过往的工程经验，最终想出了树根桩围护方案，不论从现场施工看还是从工程造价看，都具有很强的操作性。树根桩的优点在于，由于口径较小，可使用小型钻机，故所需施工场地也较小，一般平面尺寸1m×1.5m及净空高度2.5m即可施工，且施工噪音及振动小，不会给原有建筑物的稳定性带来危险[3]。按现行规范和常用软件计算，采用树根桩围护的基坑稳定性计算可同于一般钻孔灌注桩。树根桩长8.5m，插入比1.12，可满足基坑开挖稳定性要求。另外，厂房净高约9m，若树根桩钢筋笼过长，施工不便，钢筋笼还可以分节施工，厂房上方还有行车，为树根桩钢筋笼的吊装提供了便利。因此，树根桩围护方案便确定为该项目的最终方案。

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)，树根桩直径通常为150mm～300mm。该基坑开挖4.01m，采用常规的桩径难以满足基坑变形控制要求，因此需要对桩径进行调整，最终桩径扩大至500mm，桩间距布置为700mm。如此，树根桩抗弯及抗剪能力得到了较大提升。经启明星软件计算，每根围护桩最大水平位移13.3mm，最大弯矩113.2kN·m，最大剪力52.8kN，而每根桩抗力系数为1.28～61.12，能满足基坑及周边环境的安全和变形要求。在树根桩桩顶设有压顶冠梁，使之形成一个整体，同时局部阳角处设置支撑以更好地控制基坑变形。混凝土强度等级为C30，采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥。

树根桩的成桩机理是[4]：在施工时先利用小型钻机在指定位置钻孔，到达设计标高后，清孔、下放钢筋笼，同时放入注浆管，再用压力注入水泥浆或水泥砂浆；边灌、边振、边拔管(升浆法)而成桩。因该工程树根桩桩径大于150mm，在放入钢筋笼后需再放入碎石，然后注入水泥浆而成桩。注浆压力0.3MPa～0.5MPa，水灰比0.45～0.55，压浆在孔口冒浆后方可停止。树根桩垂直度要求不大于0.5%。

2.3 高压旋喷桩设计与施工

场地地下水位较高，树根桩外侧需要止水，同时也必须选择相对小巧的施工设备，该工程最终选择了高压旋喷桩。工程的高压旋喷桩具体分为两种，一种布置于树根桩之间起到止水作用；另一种布置于坑内不同高差之间起到挡土作用。高压旋喷桩水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1.0，可根据现场施工情况调整。高压水泥浆压力不宜小于20MPa，离厂房基础较近的位置压力可适当调整以减小施工对厂房的影响。高压旋喷桩采用双管法，桩径500mm，垂直度要求≤0.5%。作为止水帷幕的高压旋喷桩桩长8m；作为坑内挡土结构的高压旋喷桩桩长6m，搭接150mm。

基坑围护设计平面图、剖面图如图2～图3所示。开挖后的情形如图4所示。

图2 基坑围护设计平面图

图3 基坑围护设计剖面图

图4 开挖后基坑情形

2.4 施工控制与监测

树根桩在施工过程中采用间隔跳打的施工工序和合理的工艺参数，保证紧靠围护体的既有厂房建筑不受过大扰动。控制好钻机旋转速度和压浆管喷浆压力，在注浆压浆后浆液初凝时上部用搅拌好的细石混凝土填入空隙中并振动密实，确保桩体的完整，注浆浆液中加入一定比例的早强剂，以增加水泥凝固体的早期强度，减少因施工引起的沉降。

高压旋喷桩施工时控制好提升速度、旋转速度、注浆压力、流量和浆液水灰比等，要求施工期间现场技术人员全程盯控，根据监测结果随时调整以上参数，减少施工对建筑物的影响。明确基坑土方开挖须在围护结构28d龄期过后再进行，高压旋喷桩抗压强度不得低于0.8MPa。

在施工基坑围护结构过程中，除了必要破除的室内地坪外，其他地坪均予以保留，一方面减少施工对厂房内部地坪影响的同时，另一方面有利于保留室内地坪对基坑变形控制。

施工过程进行了建筑物沉降跟踪监测，监测点平面布置图如图5所示。2017年10月11日开始打桩，12月13日基坑开挖到底，12月19日基础浇筑完成，2018年1月20日设备安装完成，监测点变形趋势图如图6所示。在所有测点中，沉降最大的是F1测点，累计沉降2.6mm，上抬最大的是F6测点，累计上抬4.9mm。结果显示，厂房建筑物在施工过程中竖向变形较小，满足规范要求。对于上抬4.9mmF6测点，进行原因分析，主要是受高压旋喷桩施工造成挤土效应的影响。

图5 监测点平面布置图

图6 监测点变形趋势图(单位：mm)

3 结语

(1)由于室内空间狭小，常规的基坑围护方法难以完成任务，极具创意的树根桩+旋喷桩的围护方法克服了这些限制，巧妙地实现了室内小净空、小净距条件下的基坑围护，该围护方法采用的设备相对较小，施工工艺较简单，场地适应性较强，在类似环境下会是个很好的应用，可为相关工程提供借鉴与参考价值。

(2)基坑工程过程中采用信息化施工，对周边环境实施了及时监测，有利于保障邻近建筑物的安全。监测结果表明，采用树根桩+高压旋喷桩的基坑围护方法在该工程中具有良好的变形控制能力，邻近建筑结构变形很小，完全满足承载力和变形要求。

(3)基坑安全性和经济性往往是矛盾的，该工程采用的树根桩+高压旋喷桩基坑围护方法很好地协调了这两者的关系。另外，基坑围护区域以外保留厂房室内地坪，这对基坑周围的土体起到限制作用，对基坑变形控制有利，也减少工程拆建费用，使工程更加经济绿色环保。