装配式结构在基坑工程中的应用研究现状及展望

陈富强，李卓勋，李长江

（1、广东省水利水电科学研究院 广州510635；2、广东省岩土工程技术研究中心 广州510635；3、广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心 广州510635；4、华南理工大学土木工程系 广州510641）

0 引言

随着城市化进程的加快，广州市建设了一大批地下空间、地铁、地下综合管廊工程、深层隧道排水工程、珠三角水资源配置工程等重大工程项目。根据《广州市城市总体规划（2011～2020）》，到2020 年将开发规模约为9 000 万m2的市域地下空间。珠江新城地下空间为广州市目前最具代表性的地下空间开发，因其整体建筑面积很大，约50 万m2，成为已建成并投入使用的最大地下空间。未来广州三大面积较大的地下空间有：金融城地下空间，共设地下5 层，总占地面积213.6 万m2；番禺万博商务区地下空间，共设地下4层，总建筑面积179.87 万m2；广州南站地下空间，总占地面积20.42 万m2。截止2019 年1 月，国内超过30个城市开通地铁，上海、北京、广州地铁运营里程分别达705 km、636 km 和478 km，广州8 条新建地铁线有望2022 年建成。根据2016 年6 月出台的《广东省城市地下综合管廊建设实施方案》，到2020 年，广东省建成至少1 000 km 的城市地下综合管廊，广州正在建设的综合管廊有8 条，总长97 km，占全省总长度的的一半以上，包括广花公路管廊、天河智慧城管廊、南沙明珠湾区灵山岛尖、福山产业园以及广州中心城区地下管廊等，广州市中心城区地下综合管廊工程为全国距离最长、规模最大的管廊，投资超60 亿。《广州市中心城区深层隧道排水系统规划》提出广州将在地下40 m 建设总长86.42 km 的深隧排水系统，提供调蓄容积165.2 万m3，并结合竖井建造5 座排涝泵站。珠江三角洲水资源配置工程从广东省内西江水系取水，向珠江三角洲东部地区尤其是粤港澳大湾区供水。珠三角水资源配置工程输水线路需要穿越珠三角中心城区，采用了深埋盾构的施工方式，建造在地下平均纵深40～60 m，输水线路总长度113.2 km。

随着工程建设的增多，基坑工程越来越多，规模越来越大，挖深越来越深，超大规模基坑群越来越多，如佛山新城CBD 基坑（占地面积约20 万m2）、南沙金茂湾基坑（占地面积约24 万m2）、珠海横琴科学城（一期）基坑（占地面积32.19 万m2）等，周边环境越来越严，对基坑支护工程的要求（即安全可靠、技术先进、经济合理、保证周边环境安全、降低能源消耗和可持续发展）越来越高［1-4］。基坑工程传统技术一般采用灌注桩、地下连续墙和钢筋混凝土支撑，基坑完成回填后，这些都留在了原地或变成了建筑垃圾，存在工业化程度低、生产效率低、作业条件差、施工质量不易控制、建造过程泥浆排放量大、能源和资源消耗大、环境污染严重等突出问题。近年来，随着国家鼓励和推行装配式结构，装配式结构在基坑工程中的应用也越来越多，比如装配式预应力鱼腹梁内支撑、预应力混凝土板桩等，但相对上部结构而言，装配式结构在基坑工程中的应用和研究还比较少，设计方法、施工操作等方面也还很不成熟，还有广阔的发展空间。其实，装配式结构在基坑工程的发展前景应比上部结构更好，因为基坑工程中的支护结构一般都是临时结构，可以不用考虑抗震问题，研究相对而言更简单些。本文将从装配式挡土结构、装配式内撑技术、装配式锚拉技术、装配式栈桥方面介绍工程的应用研究进展，在此基础上，结合我国建筑工业化发展现状，探讨了基坑工程中装配式结构应用发展中的几个关键问题分析，最后对装配式结构在基坑工程中的应用进行了展望。

1 装配式挡土结构应用研究现状

基坑工程中传统的挡土结构一般有灌注桩、地下连续墙、重力式水泥土墙、型钢水泥土搅拌墙、钢板桩和预制桩等。近年来，在传统技术的基础上，发展了一些新型挡土结构。

钢板桩支护应该算是最早的装配式结构在基坑工程中的应用，在国内外的建筑、市政、港口、铁路等领域都有悠久的使用历史。一般用拉森钢板桩和工字钢钢板桩，钢板桩支护结构有传统的悬臂式结构和单撑（单锚）及多撑（多锚）式结构，以及近年发展的组合钢板桩支护结构和双排钢板桩结构等形式。国内出现了许多种组合钢板桩型式（见图1、图2），HZ/AZ 组合钢板桩、CAZ 组合钢板桩、H 型钢和U 型钢板桩的HUC 组合钢板桩、钢板桩和H 型钢形成组合钢板桩，HSW 工法（H shaped steel & Steel sheet pile Wall）和H 型钢和钢板形成组合钢板桩，HPW 工法（H-shaped steel&steel Plate Wall）等。在组合钢板桩方面，国内大量业内人士开展了系列的研究和工程应用［5-15］。

这些组合钢板桩结构可以充分发挥钢板桩、H 型钢的优点，结构刚度大，兼有挡土止水功能，施工快捷、简单、质量易控制，可循环利用，节约成本。

双排钢板桩围堰结构是将钢板桩围护结构呈两排打入岩土中，顶部依靠（钢筋混凝土或钢）拉杆相连，内部填充砂土形成一定宽度的墙体，如图3 所示。

图1 组合钢板桩示意图Fig.1 Combined Steel Pile Schematic

图2 工法示意图Fig.2 Construction Method Diagram

图3 双排钢板桩示意图Fig.3 Schematic Diagram of Double Row Steel Sheet Pile

近年来，预应力混凝土方桩和管桩在基坑工程中的应用也越来越多。PHC 管桩的抗弯性能是用作支护桩的重要指标，具体指标有PHC 管桩的抗裂弯矩、设计弯矩和极限弯矩，江苏省《预应力混凝土管桩（苏G03-2012）》图集中各种型号PHC 管桩的抗裂弯矩值、设计弯矩值和极限弯矩值等指标详见图集列表。四川省工程建设标准设计《混合配筋预应力混凝土管桩：DBJT20-60（图集号川13J167-TJ）》，图集中有混合配筋预应力混凝土管桩的抗弯承载力设计值、抗剪承载力设计值、抗裂弯矩标准值和极限弯矩标准值等。常规管桩或方桩只配备了预应力钢筋，抗弯能力较低，桩身延性较差，易发生脆性破坏。预应力复合配筋桩加配非预应力钢筋，极限弯矩随着综合配筋率的提高而增大，且存在较强的相关性，增加一倍配筋率，极限抗弯承载力提高约30%，延性提高10%～30%。水泥土搅拌桩内插入混合配筋预应力预制桩， 形成挡土止水复合围护结构。在相同抗弯刚度的前提下，预应力预制桩只消耗钻孔灌注桩30%～50%的钢材和25%～30%的混凝土，节约造价约25%以上。支护形式除了常规的垂直支护外，还发展了倾斜桩支护。倾斜预制支护桩支护技术，倾斜预制桩支护可在6～12 m 深度的基坑中替代传统内支撑技术，实现地下综合管廊的工业化建造，已在多项工程中成功应用。倾斜桩及其组合支护形式，可以在桩身弯矩减小的同时有效地控制桩身位移及坑外土体沉降，技术优势显著。预制桩设计一般应选用单节桩，因为多节桩有节头，抗侧力会大大降低，易对基坑的安全产生隐患，今后如能解决管桩接头的抗侧力问题，则多节桩将能在基坑支护中得到更多的应用［16～20］。

预制钢筋混凝土板桩具有强度高、刚度大、施工简易、质量有保证等优点，其外形可以根据需要设计制作，槽榫结构可以解决接缝防水，通常情况下，不必考虑拔除问题，所以在基坑工程中也有一定范围的应用。但是国内长期以来受到锤击设备能力以及吊装、运输的限制，预制板桩的尺寸和长度不大，导致在基坑中的应用有限，所以钢筋混凝土板桩应用和发展一直较缓慢。近年来，沉桩设备发展和支撑形式多样化，沉桩方法除锤击外又新增了液压沉桩、高压水沉桩，支撑方式也从简单的悬臂式、锚碇式发展到斜地锚和多层内支撑等各种形式，这些促进了钢筋混凝土板桩的应用。在标准化设计方面，上海某公司编制了企业图集《先张法U 形预应力混凝土板桩（图集号ZPZQG-BZ001 2010）》。

预制地下连续墙目前正成为国内外地下连续墙研究和发展应用中的一个新方向，预制地下连续墙是按常规的施工方法成槽后，在泥浆中先插入预制墙段、预制桩等预制构件，然后以自凝泥浆转换成槽用的护壁泥浆，或直接以自凝泥浆护壁成槽插入预制构件，以自凝泥浆的凝固体填塞墙后空隙和防止构件间接缝渗水，形成地下连续墙。采用预制地下连续墙技术施工的地下墙墙面光洁、墙体质量好、强度高，并可避免在现场制作钢筋笼和浇混凝土及处理废浆。综合考虑运输、吊放设备能力限制和经济性等因素，预制地下连续墙常设计为空心截面（见图4），根据计算内力包络图确定设计截面、开孔面积和截面空心率，并进行竖向受力主钢筋和水平钢筋的配筋设计［21，22］。

图4 预制地下连续墙墙段典型截面Fig.4 Typical Section of Prefabricated Diaphragm Wall Section

钢管桩作为围护结构，钢管桩直径及间距通常为壁厚18 mm 和20 mm，φ900@1 000、φ1 000@1 200、φ1 100@1 300［23-24］。

大直径钢圆筒（钢管桩）技术在港珠澳大桥西人工岛和深中通道西人工岛的快速填筑中得到了很好的应用。港珠澳大桥西人工岛钢圆筒平面布置如图5a 所示，钢圆筒沿人工岛岸壁前沿线布置，岛内设置分隔围绕堰，分为西小岛和西大岛，西小岛圆筒个数17 个（含4 个分隔围堰），西大岛圆筒个数为44 个，总数为61 个，钢圆筒直径22 m，壁厚16 mm。深中通道西人工岛平面形状为风筝形，西人工岛分为西小岛和西大岛，西小岛钢圆筒个数为14 个，西大岛钢圆筒个数为43 个，总共57 个。钢圆筒直径为28 m，壁厚19 mm，钢圆筒平面布置如图5b 所示［25-28］。

图5 钢圆筒平面布置Fig.5 Layout Plan of Steel Cylinder

总而言之，在装配式基坑工程支护技术中，装配式挡土结构发展最快，挡土构件的类型也最多，最有发展前景。未来的研究和发展方向，可在预制构件接头止水止淤、节头连接、标准设计、图集、永临结合工程等方面开展工作。

2 装配式支撑技术应用研究现状

传统的装配式内支撑是钢支撑（主要是圆钢管和H 型钢等），这种钢支撑的水平间距一般比较密（一般不宜大于4 m），相对来说机械挖土不太方便。近年来，装配式预应力鱼腹梁内支撑得到了较好的应用，因其能够控制基坑变形及保护周边环境、缩短工期，且能为基坑施工创造较大空间，减少环境污染及实现支护结构构件的循环利用，从而实现高效、绿色环保和节能减排的目的。装配式预应力鱼腹梁钢支撑体系由不同功能的标准件和辅助件构成，如图6 所示［29-40］。

图6 装配式预应力鱼腹梁内支撑平面布置Fig.6 Layout Plan of Internal Support of Prefabricated Prestressed Fish Web Beam

装配式大跨度预应力钢支撑技术特点为：鱼腹式钢支撑、组合式钢支撑，由标准钢构件组成，使用螺栓装配，通过对撑、角撑或鱼腹式梁等杆件施加预应力，实现基坑围护结构的变形控制，是一种装配式、易拆卸、可重复使用的支撑体系。相比传统钢支撑的优势：现场装配螺栓连接，无需焊接，大大增加了挖土空间，显著缩短基坑施工工期，材料全部可回收重复使用，降低造价，预应力鱼腹梁、组合对撑可调节预应力，控制基坑变形。体系组成：水平支撑为对撑、角撑、鱼腹梁、腰梁、连接件等；竖向支承为立柱、立柱桩、托梁。在上海、江苏、浙江、广东、江西等地区逾百项工程中应用，基坑最大面积约5 万m2，对撑最大长度190 m［41，42］。

装配式型钢斜抛撑在基坑支护工程中也得到了应用。装配式型钢斜抛撑是由双拼H 型钢、缀板、加压端、端头板、承台、锚固板及管桩等构件组成，其中加压端可以施加相应的预应力，自动控制基坑工程变形，并保护周边施工环境［43，44］。

张明聚等人［45，46］为了解决常用基坑内支撑刚度不足、拆装不便等问题，针对明挖地铁车站基坑工程特点提出装配式钢管混凝土内支撑体系，包括标准直撑、短接直撑及连接节点等。根据该支撑体系受力和结构特点，推导了各组成部分的内力计算公式；依据钢管混凝土规范和压杆稳定欧拉公式，建立了钢管混凝土支撑、围檩等部件的承载力计算方法；通过混凝土材料的配合比设计及工作、物理、力学性能检测试验，配制出了具有轻质、微膨胀和自密实性能的CL50高强混凝土作为钢管混凝土内支撑的填充材料；以北京地铁某车站基坑工程设计资料为依据，对其标准段进行了详细的支撑体系设计，并对基坑变形、稳定性和支撑受力进行了验算。研究结果表明：所提出的内支撑体系设计计算方法合理可靠，所设计的装配式钢管混凝土内支撑体系，能满足该基坑工程内支撑体系受力和基坑稳定的要求.

在预制混凝土支撑方面，曹雪山和唐中军［47］发明了一种预制装配式预应力混凝土支撑及其架设方法，通过混凝土支撑梁块预制，在混凝土支撑梁施工过程中，直接将预制的混凝土支撑梁块拼装，并通过预应力锚索连接，快速形成混凝土支撑梁，从而节省混凝土支撑梁的施工时间，同时发挥混凝土支撑刚度大的特点。

在钢管混凝土支撑方面，张光桥等人［48］发明了一种可拆卸钢管混凝土支撑装置及使用方法，包括：钢管以及沿圆周方向环绕卡置于钢管上端的抱箍，所述钢管内填充有混凝土层Ⅰ，所述混凝土层Ⅰ上端沿水平方向铺设有垫层。当支撑完毕后，将抱箍拆除，之后将垫层去除，从而实现了混凝土层Ⅰ与混凝土层Ⅱ的分离，完成了整个支撑装置的拆卸。钢管混凝土支撑装置体系简单，受力明确，可操作性强，由于钢管与抱箍采用可拆卸的连接结构，因此可以循环使用，整个结构安装拆卸方便，提高了施工效率。

总而言之，从装配式支撑技术应用情况来看，发展较快、应用较多的是钢支撑，因其运输、装拆方便。随着焊接、拼接技术的进步，未来装配式钢支撑还将得到更广泛的应用。装配式混凝土支撑则应用较少，多数还处于“空想”阶段，究其原因主要是笨重，运输、装拆不便，也不环保，重复利用率不高。

3 装配式锚拉技术应用研究现状

山东某公司与山东大学联合开发的土钉墙回收技术的研究与成功应用，如图7 所示，在基坑施工结束后，把面板、土钉、腰梁龙骨拆卸下来，在后续工程中重复使用，这样不仅节约了造价，同时也节约了资源，保护了环境，造福于后代，更符合“绿水青山就是金山银山”的时代理念。装配式可回收土钉墙一般适用于含少量有机质的杂填土、粉质土、砂土、黏性土、砾砂和填土层，且基坑开挖深度不超过12 m 的边坡［49，50］。

图7 可回收土钉Fig.7 Recyclable Soil Nail

欧孝夺等人［51］提出了一种施工安全快速经济的新型基坑支护型式，即十字形装配式基坑支护结构，并对该新型基坑支护结构的结构选型、计算方法和工程应用进行探讨。依托南宁市五象新区某项目做了基坑支护现场试验，结果表明试验值与计算值相近，证明了设计方法的正确性。在该基坑支护结构下，基坑的稳定性、基坑变形、支护结构强度均满足规范要求。

宣嘉伦［52］发明了一种装配式蝶形锚杆，包括锚杆体、设置在锚杆体两端的锚具和锚固件，其特点是锚固件为蝶形板。锚固件可为单个蝶形板，也可由多个插装在锚杆下端的蝶形板组合而成。可用专用工具将组装好的锚杆直接打入土中，不需再灌注胶凝材料，因此安装物件简便、工效高、价格低廉，现场施工文明程度高，而且还可以拆除回收。

湘潭大学陈宾等人［53］发明了一种装配式锚杆框格梁，该装配式锚杆框格梁包括预制横梁，包括相对设置的第一预制横梁和第二预制横梁，预制横梁中具有套筒和钢筋，第二横梁中的钢筋延伸插入第一横梁中的套筒中；肋柱，包括相对设置的第一肋柱和第二肋柱，肋柱中均具有套筒和钢筋，第二肋柱中的钢筋延伸插入第一肋柱的套筒；装配空洞，由横梁和肋柱限制形成，以及锚杆，装配在装配空洞中，其中装配空洞由粘结物质填充，第二横梁中的钢筋延伸穿过装配空洞插入第一横梁中的套筒中，第二肋柱中的钢筋延伸穿过装配空洞插入第一肋柱中的套筒中。本申请的装配式锚杆框格梁提高了整体性和可靠性，优化了装配工艺，消除了因锚杆施工误差所带来的预制构件安装问题。

总而言之，装配式锚拉技术进展还比较慢，多数还停留在纸上谈兵，还缺少工程应用。随着各地政府部门要求锚索不能出红线（比如佛山顺德）等规定，可回收锚索得到了较广泛的应用，特殊是在周边未来有地铁或其他地下空间开发的场地，可回收锚索应用较多。

4 装配式挖土栈桥应用研究现状

有些基坑工程外围场地很窄，地下室外墙距离红线很近（有些只有3 m 的距离），场内的出土、运料等交通组织较难，一般会设置施工栈桥，以解决水平方向和垂直方向的交通。挖土栈桥平台一般分为钢筋混凝土结构挖土栈桥平台、钢结构挖土栈桥平台和钢结构与钢筋混凝土结构组合式挖土栈桥平台，其中钢结构挖土栈桥平台一般由立柱、型钢梁、箱型板等组成，其平面尺寸应能满足施工机械作业要求。钢结构挖土栈桥平台一般设置在基坑边或坑内栈桥道路边。钢结构挖土栈桥平台具有可回收的优点。钢结构与钢筋混凝土结构组合式挖土栈桥平台一般可采用钢立柱、钢筋混凝土梁和钢结构面板组合而成，也可采用钢立柱、型钢梁和钢筋混凝土板组合而成。

工程应用情况方面，由马鞍山某公司研发的AHS装配式H 型钢基坑支撑体系——装配式栈桥板可替代传统的混凝土基坑支护。装配式栈桥板通过板梁一体化设计，具有很好的力学性能以及防滑、可承受大荷载、使用寿命长、可重复使用、装拆方便等优点。南京国际博览中心三期工程中采用了全钢装配式基坑支护，直接节省3 860 t 钢筋混凝土［54-56］。此外，以往在桥梁工程中应用的贝雷架，也逐渐应用到施工栈桥中。

5 基坑工程中装配式结构应用发展中的几个关键问题分析

可以预见，未来装配式结构在基坑工程中的应用会越来越多。通过疏理目前装配式结构的工程应用研究现状，发现以下几个关键问题还有待解决。

在装配式结构的设计方法和试验研究方面还要加大理论研究和试验研究，比如双排钢板桩结构、双排混凝土板桩结构以及前排墙后排桩的组合结构的设计方法研究。装配式结构一般都有接头（竖向节头），接头的受力特性也要开展相应的理论和试验研究。还有特种装配式挡土结构的研究，如装配式圆形或拱形地连墙的设计方法研究。新型内撑体系的受力与计算方法研究，如装配式预应力鱼腹梁内支撑的研究。未来应尽快形成基坑工程装配式结构设计规范或规程，用于指导设计、施工和监测等。此外，装配式结构设计与传统基坑技术设计最大的不同之处，在于应该增加施工工况（如吊装）的设计或验算。

在施工机械研发方面，国内发展较快，如国产SX50 双轮铣槽机，已实现最大成槽深80 m。宝峨MC128 铣槽机，已实现最大成槽深150 m。但是在装配式结构施工和吊装方面，还急需研发大型的打桩机、吊装车。另外，还需研发上空受限时（如有高架桥、高压线等），有限高度下的打桩、接桩技术。从以往的发展过程来看，机械设备的发展会直接影响和带动基坑工程装配式的发展。

6 结语及展望

我国基坑工程和地下工程建设规模和难度将继续增大，仍需加强在高效节能、环境低影响、智能化监控等方面新技术的创新、研发和应用，以满足各种基坑工程的需求，提升工程质量，减小环境影响，促进基坑和地下工程的可持续发展。发展预制装配式支护技术，通过技术创新，使预制装配式支护技术实现标准设计、工厂制造、装配化施工和信息化管理的目标，大量减少泥浆量排放，提高施工效率和质量，实现新技术的工业化［57］。

⑴完善基坑工程中装配式结构的设计理论、方法和试验研究。特别是特种装配式结构支护的设计方法研究，尽快出台《基坑工程装配式结构支护技术规程》，用于指导设计、施工、监测和监理。

⑵发展并推广基坑工程和地下工程领域预制装配式技术，达到预制装配式技术标准设计、工厂制造、装配化施工和信息化管理的目标，大量减少泥浆量排放，提高施工效率和质量，实现基坑工程和地下工程的工业化。

⑶开发新型智能化施工装备，基坑工程和地下工程的不断发展，在很大程度上取决于工程机械装备的不断进步。伴随着“中国制造2025”国家战略的实施，工程机械装备行业有望提供精度高、质量可靠、适应性强、施工效率高、智能化和可视化的施工设备，为各类高难度和高复杂度的深基坑工程和地下工程施工提供技术保障。