预制混凝土板桩与型钢复合结构在坑中坑支护中的创新应用

刘茂林 周 莉 陈腾龙 周星中

1. 广城建设集团有限公司 浙江 温州 325000；

2. 华地恒工程咨询有限公司 浙江 温州 325000

近些年来，随着地下空间工程的不断开发，超大超深基坑不断涌现，其中不乏大量的坑中坑基坑[1-4]。坑中坑部位一般是基础中的电梯井、集水井或基础设备等附属结构所在，其标高一般比大面基础低2～3 m（也有不少超深坑中坑的案例，如上海环球金融中心工程[5]、武汉中心大厦工程[6]等的坑中坑降深均超过了6 m）。这些坑中坑的存在导致基坑坑底不再是简单的平面，给基础施工带来了一定的复杂性，在基础支护设计时必须考虑到这一点。对于坑中坑基坑的设计，吴铭炳等[7]认为其设计难点在于基坑计算深度的取值，忽视坑中坑影响，势必会使设计偏于不安全；而若取坑中坑的最大深度，则将使设计过于安全，造成造价浪费。为此，吴铭炳等在文章中进一步总结了不同基坑工况下的计算深度取值经验，并强调了信息化施工之于施工安全的必要性。

基坑的支护结构一般是临时性的结构物，在保证施工安全的前提下，尽可能地节省支护措施费用是一个必须考量的问题，因此，要强调合理设计，对于坑中坑的设计，亦不例外。郑定芳等[8]根据基坑的坑中坑深度和地质条件，分别对水泥搅拌桩、松木桩加内支撑、钢板桩加内支撑以及其他形式的支护等进行了介绍，认为针对不同的工程条件，应因地制宜地选择安全可靠、经济合理的支护形式。张威[9]总结了坑中坑设计时应考虑的各种因素，列举了几类坑中坑支护形式的设计案例，并讨论了这些支护方案的特点与适用条件。

在具体的基坑支护形式方面，近些年出现了一些新型的支护手段，相关学者专家等也进行了相关研究。如在三轴深层搅拌桩里内插预应力管桩的双排PCMW工法桩[10]、HUC组合钢板桩[11]、PC工法组合钢管桩[12]等。本文在上述相关支护形式研究的基础上，根据案例工程的实际特点，考虑施工进度与安全因素，通过几种新型支护设计方案的整体比选，最终确定出一种适用于坑中坑支护施工的新型支护方案—预制混凝土板桩与型钢复合结构，并在工程实践中成功应用，取得了良好的综合效益，值得在业内推广介绍。

1 工程概况

杭州运河中央公园（二期）项目工程主要包括1个1 200座的通用剧院和1个400座的多功能小剧院，项目总用地面积约 86 000 m2，总建筑面积约69 000 m2。工程场地的自然地面相对标高约为－2.80 m，基坑大面的开挖深度约为9.7 m。该工程新颖的结构体系和优美的建筑外观，将成为桥西版块地标性建筑。

本工程由于集水井、电梯井等建筑功能设置所形成的坑中坑总计共44个，坑中坑的坑底降深为1.5～2.2 m，其中的38个坑中坑均采用放坡开挖，其余6个坑中坑位于基坑西北段，由于该区第2层土层为淤泥质黏土或淤泥层，土质很差，故需考虑支护，需支护的坑中坑具体情况如表1所示。

表1 6个坑中坑具体情况

2 坑中坑施工难点

1）工程量大，工期紧。本工程地下室总面积为50 522 m2，合同要求在200 d内所有建筑物结构完成至±0 m，工期紧、任务重，须保证坑中坑的施工进度。

2）地质条件差，施工风险大。本工程基坑开挖深度9.7 m，需要支护的坑中坑深度为2.2 m，坑中坑位于淤泥质黏土或淤泥土层，支护处理措施不当，坑中坑的侧壁易产生滑移和坍塌，会使主体结构的工程桩产生侧移，从而危及整个基坑的安全。

3）传统支护方案的适用性不强。对于坑中坑部位的施工，基坑围护设计师一般会设计传统的坑中坑围护体系，如水泥搅拌桩、钻孔灌注排桩、复合土钉墙、拉锚式等支护形式，但上述传统支护的施工工艺复杂，工期将会延长，影响工程整体进度。

根据以上分析，本工程坑中坑采用传统工艺施工的工期和安全性均较难得到保证，因此，为保证工程的安全顺利进行，并完成预期节点，必须创新研发一种新的坑中坑支护形式。

3 几种新型支护方案的比选分析

3.1 方案1：板桩＋水泥搅拌桩方案

采用板桩＋水泥搅拌桩方案时，桩与桩间通过水泥搅拌桩咬合连接，板桩与水泥搅拌桩结合部位强度高，转角处可通过水泥搅拌桩连接，具有一定的强度，如图1所示。

图1 板桩＋水泥搅拌桩方案

该形式的板桩插入水泥搅拌桩中部，板桩施工定位要求高，但水泥搅拌桩整体性连接较好。同时，该方案的施工工艺复杂，需要先进行水泥搅拌桩施工，再用挖机进行板桩插入施工，使用辅助机械比较多，施工工时较长；另外，板桩转角部位难以控制，板桩与板桩之间连接的刚度小，易发生位移变形。

3.2 方案2：异形预制板桩方案

采用异形预制板桩方案时，板桩与板桩之间通过尖角凸起插槽固定连接，实际上难以完全咬合，转角处难以有效连接，如图2所示。

图2 “π”形预制板桩方案

该形式的板桩垂直度难以控制，现场施工成形难度大。板桩形状奇特，支模复杂，容易产生局部尺寸偏差，导致2块板桩之间不能正常咬合连接。板桩转角部位难以控制，板桩与板桩之间连接的刚度小，极易发生位移变形。

3.3 方案3：复合结构方案

采用复合结构方案时，板桩与板桩之间通过工字钢固定连接，施工时便于咬合连接，转角处通过工字钢与C型钢组合固定，连接牢固，如图3所示。

图3 预制混凝土板桩与C型钢复合结构支护方案

通过特制定位装置，该支护形式可以较好地控制板桩施工垂直度，现场挖机施工便捷、成桩整齐。板桩形状简单，支模容易，所用型钢材料也容易就地取材。通过型钢固定连接，刚度大、抗倾覆力强，不易发生位移变形。

本工程结合施工安全性、经济性、可以量产的适用性以及对文明施工的影响等因素，对3个方案根据其优缺点逐一分析论证，并认为：方案1的施工速度最慢，垂直度控制差，使用寿命短，工序复杂，美观性与协调性较差，同时成本较高，安全性也一般，故不予采用；方案2虽然工序较为简单、成本也较低，但施工速度较慢，垂直度控制差，使用寿命较短，美观性与协调性差，且安全性较低，故也不予采用；方案3施工速度较快，垂直度控制好，使用寿命长，工序简单，美观性与协调性好，同时成本适中，安全性高，故最后确定该方案为最优方案。

4 复合结构施工工艺要点

4.1 预制构件设计、连接方式确定

对于板桩形状的选择，考虑异形板桩结构的制作工艺复杂，节点连接刚度低，而规则的矩形形状的制作简单，最终选择正规矩形板桩。对于板桩之间连接方式选择，提出2种对比形式，如表2所示。

表2 板桩与板桩连接形式比对

通过对板桩连接方式刚度、强度等方面的讨论，最终决定采用型钢组合板桩的连接方式。该连接方式强度高、变形小、坚实耐用、施工方便、利于现场实施。工艺流程为：清理地面→绑扎预制板桩钢筋→安装模板→浇筑预制板桩→拆模并养护→测量放线→吊装定位→预制混凝土板桩与型钢复合结构施工→坑内土方开挖→水泥砂浆饰面→下一道工序。

4.2 现场进行板桩的浇筑预制

1）由于预制板桩形状标准，故规格可以统一为160 mm×800 mm×4 500 mm，支模方便，模具也可重复循环使用，可以一次成形。

2）顶部钢筋设置一定尖角坡度形状，并且在端部与顶部分别设置钢筋加密区，增强预制板桩整体刚度，提高坑中坑围护的整体安全性（图4、图5）。

图4 预制板桩钢筋模板

图5 制作预制板桩

3）转角部位的型钢，采用工字钢与C型钢焊接连接（图6），提高预制板桩在转角部位的强度。

图6 转角工字钢与C型钢组合焊接

4.3 支护结构施工

在平整场地预制完成板桩构件（图7）后，先在现场进行测量放线，并按放线点位于坑中坑四周边沿开挖定位导沟，以利于板桩的准确定位。在该定位导沟内配合特制的定位支架进行组合支护结构的插入施工，本工程特制的定位支架如图8所示，现场吊装如图9所示。

图7 成品预制板桩

图8 特制定位支架示意

图9 预制板桩吊装示意

在基坑内进行板桩插入施工时，先将预制板桩垂直吊装至特制定位支架上的2个定位板间（间距与板厚匹配），再采用现场挖机将预制板桩和相应的型钢压入围护土层中，通过型钢将预制板桩连为整体的板墙。预制板桩与导沟间则通过上述特制的定位支架进行固定，可以保证板桩的施工垂直度和侧向偏移度，最后进行冠梁（压顶梁）的施作及板桩内壁水泥砂浆饰面，如图10、图11所示。

图10 预制板桩成桩示意

图11 预制板桩现场成桩

本工程西北段的6个坑中坑挖深为1.5～2.2 m，经对板桩预制长度以及配筋等的计算，且完成试件制作后，通过组装后破坏试验，证明组合围护结构满足使用要求，因此现场可不设置支撑。同时，综合考虑工期、安全性以及施工成本等因素，本工程中的板桩与型钢未做拔除处理。

4.4 实施效果

本工程共有6个电梯井坑中坑，采用预制混凝土板桩与型钢复合结构进行支护施工后，与传统水泥搅拌桩围护做法相比，可节约18个工时，成本从传统的97 545.6元减少到39 877.4元。预制混凝土板桩与型钢复合结构在坑中坑围护施工中的成功应用，为本工程创优目标的实现打下了坚实的基础。预制混凝土板桩利用混凝土余料制作，符合国家绿色施工“四节一环保”要求，在项目检查中得到监理和建设方的一致好评。

该预制混凝土板桩与型钢复合结构支护形式的做法，可以达到简单、快速、安全、经济效益明显的效果，且能利用混凝土余料，符合国家倡导的绿色施工、降耗减排的政策要求，在建筑工程标准化施工中具有良好的推广应用前景。

5 结语

随着城市用地的日益紧张以及城市更新产业的迅速发展，在我国的建筑深基坑施工领域，“深、大、紧、近、群”的特点[13]将会越来越突出，带有各种大小不一、深浅不同的坑中坑的深基坑工程已是业内常态。针对新的工况条件和制约因素，相应的基坑支护设计形式也不断得到发展与改进，并出现了更合理、安全性更高、适用性更好的新型支护形式，本文所介绍的预制混凝土板桩与型钢复合结构就是其中之一，其板桩在现场整体预制而成，通过工字钢将2块预制板桩依次连接起来，施工便利性与支护刚度可以同时得到保证，转角处则通过工字钢与C型钢的简单焊接即可完成连接，操作便捷，安全性高，适用性好。

基坑内部的坑中坑施工对整个基坑工程的安全和进度有着重大的影响，支护处理不当，可能会引起基坑侧壁的滑移与坍塌，选择合理的坑中坑支护形式对工程造价、进度、质量与安全等均有相当程度的影响，因此，对于其支护形式的研究具有重要的实际意义。本文提出的预制混凝土板桩与型钢复合结构支护技术，在工程案例中得到了成功实施，具有较好的推广借鉴价值。