“桩墙合一”技术在深基坑工程中的应用

2021-06-07汪军李大华张自光

安徽建筑大学学报 2021年1期

汪军，李大华，张自光

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601）

国内对于围护桩与主体结构外墙相结合的设计与施工方法最早由刘引兰提出于1998 年，得出两者共同受力，大大减少工程费用的良好效果。2001 年到2012 年期间，左人宇、耿建勋、王卫东等人陆续通过有限元软件三维模拟的方法，结合具体工程案例，得出“桩墙合一”技术中围护桩承受大部分的荷载，极大减小了墙体厚度和经济成本，验证了该技术的合理性。西方发达国家提出基坑支护桩与主体结构相结合的概念要提前65 年，并在日本东京都本社大厦工程中率先得到应用。之后，“桩墙合一”地下空间设计方法被越来越多的国家和地区采用，例如英国伦敦的Bell Connon、韩国首尔的Seoul-1、新加坡海事博物馆、台北101 大厦裙楼等，取得了良好的经济效益。

但国内对于该研究还处于起步阶段，各地区对于围护桩、主体结构的受力机理与计算方法不尽相同，尚缺乏一套系统完整的理论计算方法，国外学者目前较少对该结构设计进行深入研究。本文对于“桩墙合一”结构设计方法在合肥地区的实际工程应用的论述，一是丰富了国内以及合肥地区对于该项新型支护设计形式的应用研究，二是高精度还原实际情况，以实际当中的准确全过程监测，研究桩、墙“二合一”之后位移变形以及对周边环境安全性的影响。希望可以为“桩墙合一”结构设计在以后工程实际中的广泛应用做出努力。

目前，传统的深基坑支护应用形式是采用围护桩+内支撑，在主体结构由基坑底部向上施工的过程中，逐步拆除水平支撑和格构柱，围护桩也不再承担土体的水平应力，主体结构完成后，围护桩将被丢弃在土层中。这样传统的支护形式与支护设计造成了很大的资源浪费，也对环境造成污染，建设成本将会增加。而深基坑“桩墙合一”结构形式作为目前较为先进的施工方法，在工程建设中已有应用，大大减少了环境污染、资源浪费以及建造成本。它是将围护桩作为永久结构来进行结构设计，在施工主体结构完成以后仍然作为受力构件，将围护桩与地下室外墙通过传力板带连接起来，传力板带一般布置在主体结构每一层的楼板的位置，结构上缩小地下室外墙的厚度，减小围护桩与墙体间的距离，使得围护桩与墙体紧贴，应用在实际工程中将会产生巨大的社会经济效益。

本文基于合肥市某雨水调蓄池深基坑工程，详细阐明了“桩墙合一”技术的设计细节以及施工方法，利用该工程实际监测数据进行分析，论证“桩墙合一”结构设计的合理性，同时证明了“桩墙合一”这一新技术在实际工程应用的可操作性。

1 工程背景

1.1 工程概况

合肥市某新建雨水调蓄工程，东、西、北面均毗邻河道，南面靠近公路，总新建容积约为40 000 m³的调蓄池、排涝泵站和面积约为26 480 m的景观绿化，以及防洪墙约107 m。周边环境如图1。其中涉及到的基坑开挖有雨水调蓄池1 座、排涝泵站1 座。此雨水调蓄工程基坑为异形基坑，主体矩形基坑与西南侧放空泵房基坑同步施工，主体基坑平面尺寸为88.2 m×58.34 m，开挖深度为18.4～19.7 m，安全等级为一级；西南侧放空泵房基坑凸出12.1 m×33.9 m，开挖深度19.7～21.2 m，安全等级为二级。

图1 雨水调蓄池环境总平面图

1.2 工程地质条件

根据地质勘探报告，异形基坑的主要土质有：①素填土，松散～稍密，层厚1.40～4.30 m；②粘土，硬塑～坚硬状态，层厚1.00～4.20 m；③粉质粘土，可塑状态，局部坚硬，0.8～5.2 m；④粉质粘土夹粉土，软塑状态，层厚1.30～7.30 m；⑤细砂夹粉土，稍密～中密状态，层厚0.50～7.90 m；⑥强风化砂岩，密实状态，厚度为0.50～1.90 m，⑦中风化砂岩，铁钙质胶结状态，胶结一般，厚度为1.60～26.80 m。各土层参数见表1。工程场地稳定性较稳定，岩土工程条件较好，不良地质作用不发育，且场地为不液化场地，无软土震陷现象。

表1 地基土物理力学性质指标

1.3 水文地质条件

工程场地三面环水，最近处离河水仅1.5 m，勘察期间测得河水面标高11.82 m，水深约0.5～2.5 m，河中淤泥层厚度约1.5～2.5 m。场地地下水十分丰富，与临近河水具有一定的水力联系，广泛分布于各层地质土层当中，主要分类有上层滞水、层间水、孔隙水和基岩裂隙水。

上层滞水主要分布于①层素填土中，水量与大气降水联系密切，勘察期间稳定混合地下水位埋深0.20～1.10 m（高程 18.26～21.46 m），季节性变化幅度约2.0 m。地下水主要接受大气降水入渗补给，蒸发为主要排泄方式。

层间水主要分布于④层粉质粘土夹粉土中的粉土中，该层水量较少，补给及排泄以地下径流为主。

孔隙水主要为分布于⑤层细砂夹粉土和⑥层强风化砂岩中，水量丰富，具承压性，勘察期间测得承压水水位标高约13.39～13.65 m，补给及排泄以地下径流为主，与河水具有一定水力联系，地下水位年变化幅度约2.0 m，最高水位标高与场地标高持平（标高约14.5 m）。

基岩裂隙水主要位于⑦层中风化砂岩中，该层自身含水量较少，为相对隔水层，但该层与⑤层细砂夹粉土和⑥层强风化砂岩中的孔隙水具有直接水力联系，主要补给为上部孔隙水补给，补给速度与该层裂隙发育和裂隙中的充填物成分有关。

2 深基坑围护结构设计

2.1 “桩墙合一”结构设计

雨水调蓄池基坑方案计划采用大直径冲孔灌注桩排桩作为围护结构，排桩直径达到Φ1200 mm,总长度达23 m，为了保护桩间土体，在桩间加上一排高压旋喷桩，高压旋喷桩亦采用大桩径，直径达到Φ1200 mm，长度为9 m，如此大刚度的围护排桩如果只作为临时的围护结构，将造成极大的资源与材料的浪费，因此本工程考虑到围护排桩可以继续作为挡土挡水的地下受力结构发挥作用，采用基坑围护新技术“桩墙合一”（图2）。

应用于此工程实例的“桩墙合一”技术，充分发挥围护桩的后期作用以及可利用性，与常规的处理方式不同的是，新技术应用之后，“桩”与“墙”之间通过传力板带连接在一起，桩墙间距由设计变更之前的2 m 减小至1.4 m 左右，使排桩与外墙处于一种紧贴的状态，基坑主体结构外墙厚度也由设计变更之前的1200 mm 缩小为900 mm，根据后面的监测结果显示，主体结构外墙厚度和桩墙间距仍有很大的缩减空间。围护桩与主体结构侧墙相结合的结构设计方法将临时的围护结构变为永久结构，在正常使用阶段也将继续承担地下水、土的水平向压力，成为永久的挡土止水结构。

图2 “桩墙合一”围护结构剖面图

2.2 “桩墙合一”节点设计

根据工程的土质、水文地质条件，雨水调蓄池临河建造，地下水位较高，水流量丰富，根据这一实际情况，采用混凝土搅拌墙做止水帷幕，此外在围护桩的外侧设置高压旋喷桩与围护结构进行咬合，防水效果极佳。考虑到此项工程所发挥的作用，据此不设置保温结构。围护桩与调蓄池外墙之间保留足够的空间，以供后续的挂网喷浆、素混凝土填实以及地下室外墙施工建造。具体的节点设计如图3、图4。

2.3 “桩墙合一”传力板带设计

传力板带是此项新技术的核心设计，桩墙之间为素混凝土填实，材料刚度相比于围护桩与主体外墙来说较小，在正常运转时受到土体的侧向压力以及水压力，荷载很难传递至主体外墙，并且在这种情况下，围护结构可能会有较大的横向侧移，导致结构破坏，安全性与可靠度受到威胁。因此设计传力板带放置在地下结构每一层的楼板处，刚性的传力结构大大提高了结构稳定性，地下室底板实际上与传力板带起到相同的作用，两者共同连接围护桩与地下室的外墙。传力板带的详细配筋以及设置位置如图5 所示。

图3 “桩墙合一”节点示意图

图4 挂网喷浆节点示意图

图5 楼板处传力板带配筋示意图

3 施工工艺

这一设计方法主要涉及围护结构施工：围护桩+高压旋喷桩+止水帷幕，地下室外墙施工以及传力板带连接结构施工，现阐述该工程“桩墙合一”设计的主要的施工技术。

3.1 围护桩施工

该工程项目场地地质条件较好，采用钻孔灌注桩即可达到设计强度要求。钻孔灌注桩施工前利用短螺旋钻开孔，埋设钢护筒深入土体，孔内注入泥浆稳定液后下长螺旋钻，清除下来的土体随着钻杆的螺旋叶片上升排出，钻至设计标高，验孔完成后，下入钢筋笼，为避免沉渣对桩体的影响下入导管进行二次清孔，之后灌注混凝土形成钻孔灌注桩（图6）。

图6 钻孔灌注桩现场施工效果

本工程场地位于合肥市区，周边建筑物密集，采用钻孔桩的施工方法，可达到无震动、无噪音、无挤土的目的，对周边环境的影响降至最低；钻孔灌注桩具有施工桩径大，单桩承载力强的优点，该工程围护桩桩径达到1.2 m，桩径大，所需承载力较大，钻孔桩工艺有着明显的技术优势。

3.2 传力板带施工

开挖至基坑底部后，往上浇筑结构至第2 榀内框架，待中板、侧墙和框架达到设计强度100%后，在第2 榀内框架板处的侧墙与围护桩之间浇筑传力板带1；浇筑至第1 榀内框架,待侧墙和框架达到设计强度100%后，在第1 榀内框架板的侧墙与围护桩之间浇筑传力板带2。传力板带的施工布置情况如图7 所示。

图7 桩墙间连接件传力板带示意图

传力板带在施工时采用焊接的方法，在主体结构外墙与楼板施工完成前，将围护桩面向坑内的保护层凿除，传力板带的钢筋与围护桩的钢筋焊接牢固后，浇筑混凝土，形成一个整体。

4 工程监测分析

基坑监测是工程施工阶段非常重要的内容，可以检验该工程所使用的技术、结构设计的合理性与正确性，从而保证工程的施工安全和使用安全。为检验“桩墙合一”结构设计方法在深基坑中的应用是否安全合理，该雨水调蓄池工程通过对围护桩的水平位移、沉降等数据的监测，与预警值进行对比，分析结构的稳定程度是否把控在合理的范围内。监测项目（表2）及总体监测的点位布设如图8所示。

其中通过监测围护桩的水平侧移和基坑周边沉降情况来观察“桩墙合一”技术应用后的效果。围护桩水平侧移监测：利用测斜管和测斜仪，桩顶每20 m 布置一道监测点，土层深处的桩身每40 m布置一道监测点；基坑开挖阶段，监测频率为1 次/d，地下主体结构施工阶段，依据不同深度处施工，监测频率从2～10 次/d 不等，出于对监测难度的考量，深度越深频率越低。基坑周边沉降监测：利用水准仪在基坑四周每25 m 布设一道监测点；监测频率与监测围护桩水平位移一致。监测控制指标如表3 所示。

表2 监测项目说明

图8 监测点布置平面图

表3 监测预警值

图9 围护桩测斜监测

基坑监测数据从基坑开挖开始，结束于基坑底板浇筑完成。由监测结果（图9）可知，开挖至基底时，桩身水平侧移在开挖时期有明显增大，在开挖到基坑底部的时候桩身的侧移量达到最大值，其中桩身P2 的水平侧移量最大为14.8 mm；从基坑底板绑扎钢筋至基坑主体结构完成阶段，底板浇筑完成时，在原来的偏移基础上也发生了较大变化，基坑主体结构底板附近仍然发生了最大的水平侧移，最大值达到21.8 mm。根据监测结果分析，桩身侧移没有超过预警值，监测数据均在合理的范围内，并且相对于规范规定的预警值，各个桩身的偏移值相对较小，证明了“桩墙合一”设计后的围护桩更加安全可靠。

该雨水调蓄池基坑工程面积较大，在开挖或者地下主体结构施工过程中可能会对周边的建筑物产生影响，因而对基坑四周地表沉降进行监测。根据监测结果显示（见图10），基坑施工过程中，周边土体有沉降和隆起现象，最大沉降值为10.2 mm,最大隆起值为4.8 mm（+为沉降，-为上升），均在有效可控的范围内，依据此监测数据可以说明，该工程的基坑围护结构和设计方法是合理可靠的。