新型组合桩围护结构在软土地基中的应用

周 丞 崔 满 王 健 朱 杰 程志翔

1. 上海诺港会展有限公司 上海 200120；2. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080

随着我国城市化发展与地下空间利用的需要，近年来建筑业基坑工程呈现用途多样化、周边环境复杂、基坑深而大的特点[1]。基坑工程与城市交通主干道、地下结构、周边建筑物的距离越来越小，基坑工程对周边环境相互影响的工程问题也日益增多[2-4]。

国内外学者针对基坑围护设计进行了积极的探索，大多采用常规的基坑围护体系，与现政策规定方向存在较大的差距，基坑围护创新设计与基础工程施工设备的更新换代将成为基础施工行业的一种新趋势。侯宪伟等[5]以上海某商业广场基坑工程为背景，对SMW工法桩结合斜抛撑的围护体系进行了详细的介绍，基坑监测结果表明：斜抛撑能够有效约束桩体上部结构变形。岳驰宇[6]从施工工艺、质量控制要点、工法优势等方面介绍了PC工法组合桩围护体系，该围护体系由钢管桩和拉森钢板桩连接而成，止水效果显著，具有良好的经济效益。张宁[7]以上海市某基坑围护工程监测数据为基础，对比分析了PC工法组合桩与SMW工法桩的力学特性，结果表明：无论是成桩效果、止水效果、变形控制效果，还是经济效益和社会效益，PC工法组合桩均优于SMW工法桩。

综上所述，既有研究在基坑围护结构的创新上仍存在较大的改进空间，一些已经出现的新型围护结构也得不到推广应用。本文结合现有基坑工程围护结构特点和工程经验，提出了一种可以替代传统基坑围护工艺的新型围护结构—型钢钢板连续墙与斜向支撑桩的组合围护结构，以世界顶尖科学家论坛会议中心项目基坑工程为背景，分析了组合围护结构的工期、经济效益、止水效果、变形特点等，对于新型基坑围护结构具有一定的探索意义，同时亦可为今后类似工程提供借鉴。

1 项目综合概况

1.1 工程概况

顶尖科学家论坛会议中心项目为世界顶尖科学家社区永久性会址，位于上海海港大道与环湖南三路路口。本项目总用地面积为8.6万 m2，总建筑面积为22.5万 m2，其中地上建筑面积为16.5万 m2，地下建筑面积为6万 m2。本项目包括会议中心、会展中心、酒店、商业等功能，北区为会议中心、剧场，地上2层，建筑高度为20 m；南区为酒店及文化艺术功能区，地上23层，建筑高度为120 m；北区会议中心、剧场区域桩基工程为φ500 mm的PHC管桩，南区酒店区域为φ800 mm钻孔灌注桩；地下室底板为筏板基础，板厚700～1 200 mm，主体工程为全钢结构。

1.2 工程地质概况

据勘察报告，本场地范围内揭露的地基土均属第四级沉积物。从结构特征、土性和物理力学性质考虑，地基土可划分7个工程地质层及若干亚层。

本项目基坑开挖深度为5.6～6.6 m，局部落深1.5～2.0 m，开挖深度范围内土层主要为①1-1杂填土、①2浜填土、①1-3层吹填土、②3-1层黏质粉土夹黏性土、②3-2层砂质粉土、②3-3层砂质粉土夹黏性土，基坑影响深度范围内涉及的地基土层除上述土层外，还包括④层灰色淤泥质黏土。浅层杂填土、吹填土、浜填土土质不均，结构松散，地基承载力较差，施工打桩设备荷重较大，可能引起打桩设备倾斜、倒塌等风险；②3-1层至②3-3层为粉砂性土，厚度较大，沉桩难度较大，具有较强的渗透性，易在地下水水头差作用下发生管涌、流砂现象；④层淤泥质黏土强度低、含水量高，具有流变特性。

2 基坑支护设计与工艺特点

2.1 基坑支护设计概况

本工程基坑开挖面积为63 989 m2，自然地坪相对标高－0.5 m，普通区域挖深6.6 m，塔楼区域挖深8.3 m，周长1 014 m。基坑西北侧为海港大道，东北侧为环湖南三路，采用HUW组合钢板桩＋PIS工法桩斜撑。基坑南侧为新建DK路，DK路尚未施工，现为滨海滩涂待建区域，采用重力坝形式。根据本项目场地工程地质、水文地质、周边环境条件以及项目建设单位施工要求，本工程基坑围护结构东北和西北侧采用HUW＋PIS工法桩新型组合围护结构，局部为φ609 mm×16 mm钢管角支撑与混凝土角支撑，如图1所示。HUW工法由H700 mm×300 mm×13 mm× 24 mm型钢和1 268 mm×14 mm或865 mm×12 mm的U型钢组合，间距1.6 m或1.2 m，桩长18 m；PIS工法斜桩（350 mm×450 mm预制桩）桩长34 m或29 m，间距3.2 m或4.8 m。

图1 HUW＋PIS工法桩新型组合围护结构

东南侧和西南侧采用重力坝搅拌，前排为φ700 mm@500 mm的五轴搅拌桩，后排为φ700 mm@500 mm的双轴搅拌桩，坑内采用φ700 mm@500 mm的双轴搅拌桩加固，顶部设置200 mm厚钢筋混凝土压顶板，坝宽≥5.2 m，第1、2排内插H500 mm型钢加强。坝体内插φ48 mm×3 mm@ 1 000 mm钢管，基坑内降水采用70 mm小口径真空管井＋轻型井点。

2.2 主要施工工艺特点

针对场地较差的施工条件与工程地质情况，为保证基坑工程结构安全及稳定性，同时响应国家推行“四新技术，四节一环保”的号召，现场建设单位提出施工快速便捷、经济合理的施工要求。因此，型钢钢板连续墙与斜向支撑桩组合围护结构施工模式成为首选方案，其主要优势有以下几点：

1）工程可靠度高，围护结构构件竖向的型钢钢板连续墙为连续、整体钢板桩墙，具有刚度大、止水挡土效果好的优点，保证了支护体系的整体性，能抵挡基坑外更多的主动水土压力。斜向支撑桩为工厂化预制桩运转现场，确保了斜向支撑桩构件的可靠性，场地地层⑤、⑦层的密实度，有助于增强350 mm×450 mm预制支撑桩桩端阻力和桩侧桩间土摩阻力，提高了斜向支撑桩的承载力。

2）施工工效快，竖向围护桩与斜向支撑桩交叉流水施工，围护体系一次成形，土方开挖阶段不受水平支撑或斜抛撑的影响，围护结构养护时间较短，竖向型钢钢板连续墙与斜向支撑桩无养护时间，大大减少了基坑施工工期，提高了施工效率。

3）本工艺打破常规施工技术，创新出一种较为新型实用的基坑支护形式，相关的施工总结及资料参考价值较高，具有一定的创新性。

4）该围护结构清洁、节能、低碳、环保，资源循环使用，无污染排放，是一种节能的可持续发展的绿色基坑施工技术。

3 施工工艺流程及质量保证控制

本工程选用HUW＋PIS工法桩新型组合围护结构作为基坑支护体系，基坑开挖施工工序如图2所示，包括HUW工法桩施工、PIS工法桩施工、圈梁施工、分层分块开挖至坑底、垫层及底板施工、地下结构施工、基坑回填及钢桩拔出注浆这7道工序。

3.1 HUW工法桩

3.1.1 施工工艺流程

施工准备、场地平整→施工放样→沟槽开挖→放置定位向架→型钢、板桩插打→移动定位架→将型钢、板桩送至设计标高→下一循环施工

3.1.2 技术质量要点

1）依照定位架槽口靠自重力依次插满H型桩，然后起吊振动锤夹紧H型钢桩顶端并依次匀速振动型钢至定位架上层0.6～0.8 m时，停止振动，施工时每一个H型桩预留的高度应高低不等，形成上下错位，便于U型板桩的施工。

2）对位调整H型桩间距，先靠自重力沉桩入土。当入土后不再沉桩时，开始用振动锤振动U型板桩，振动过程中速度不能快，应保持一定的速率下沉。

3）施工完前一架子桩后，在定位架的最后一根H型桩预留2 m高（便于下一架子套桩施工）。第2架施工套上预留的H型桩，按前步骤依次插打HUW工法桩，以此循环向前推进施工。施工时控制偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于1%。

3.2 PIS工法桩

3.2.1 施工工艺及流程

PIS工法主要由围护桩、斜向支撑桩、顶圈梁三部分构成，三者流水施工，一次性完成，施工便捷。基坑开挖基本不受支撑影响，是一种安全、经济、省时、绿色的围护工艺。斜向预制支撑桩基坑支护系统（PIS工法）作为一种新型的基坑围护结构类型，使用预制斜桩代替传统的钢筋混凝土支撑，采用专用机械设备施工，角度0～40°，支撑桩为工厂预制。斜向支撑桩施工便捷，桩端进入持力层后，可以提供较高的承载能力，有效控制基坑开挖后的侧向变形。

3.2.2 施工方法和技术质量要点

1）工程施工前卸桩由起重机采用两点起吊，平移至桩架前，然后再由卷扬机单点起吊，用钢丝绳绑在桩上部约0.293L（L为桩长）处，垂直喂入抱箍。

2）每次喂桩后，需要先控制抱箍倾斜至设计角度，压桩时启动压桩油缸，当桩入土至50 cm时，再次校正桩的倾斜角度和平台的水平度，保证桩的纵向垂直偏差不超过0.5%，然后启动压桩油缸，把桩徐徐压下；控制施压速度，一般不宜超过3 m/min。压桩应连续，同一根桩中间间歇时间不宜超过30 min。

3）焊接时预埋件表面应保持清洁；上下桩节之间的间隙应用铁片填实焊牢；焊接时应采取措施，减少焊接变形，焊缝要求连续饱满；上下节桩的中心偏差不得大于5 mm，节点弯曲矢高不得大于桩长的1‰，且不大于20 mm。

4 应用成效分析

4.1 工期分析

本基坑围护工程采用型钢钢板连续墙与斜向支撑桩相结合基坑围护形式，施工上是围护桩、支撑桩、圈梁一次成形流水施工，由传统的顺序施工方式改变为交叉流水施工作业，从施工组织模式上大大提高施工效率。

HUW工法工业集成化程度高，桩体均为预制化装配式钢材，与现场浇筑桩、搅拌桩相比，有效地减少了钢筋笼制作、混凝土浇捣、桩身养护等环节，大大加快了施工进度。

本基坑围护工程支护体系为一次流水施工完成，相比较传统斜抛撑或混凝土内插支撑施工工艺减少施工养护、拆除工况，初步估计采用斜向支撑桩的形式至少节省工期30 d。

4.2 经济效益分析

本施工工艺符合绿色环保低碳理念，HUW工法钢板桩可以回收利用，PIS斜桩采用工厂预制，整体节约造价，经济效益良好。

4.3 止水效果分析

HUW工法钢板桩因施工后形成钢板连续墙，起到了较好的止水效果。对于钢板桩搭接处，H型钢上可设置多个C形止口，通过U型板上小钢管和C形止口的紧密咬合，起到良好的止水效果。

4.4 监测变形分析

通过分析坑外地表沉降、支撑轴力、坑外水位、围护水平位移等监测数据可知，各监测项目监测值峰值均未超过报警值，这意味着预制斜向支撑桩结合型钢钢板桩连续墙工法对基坑变形控制和隔水均具有良好的效果。

5 结语

H型钢组合咬合钢板桩由带止口的H型钢和U型钢板咬合而成，可以取代传统围护结构工艺，对环境影响极小，具备止水效果好、操作便捷、经济效益好等优势。与此同时，其刚度略高于SMW工法桩。使用预制斜向支撑桩替代水平支撑，有别于传统斜抛撑概念和工艺，极大节约了施工周期及成本，可实现无障碍挖土及结构施工，既环保又安全，彻底解决因支撑拆除而产生的基坑围护悬壁的安全隐患。