PC钢管桩工法在武汉地区深基坑工程中的应用

▍摘要摘要：本文以武汉某软土深基坑工程为实例，考虑复杂环境条件的影响，运用“天汉软件”二维计算模型，结合Flac3D岩土有限元软件建立三维等比例数值模型，进行分析计算工作，通过施工实际监测数据验证数值结果，验证了PC工法的安全性及合理性。项目在保证深基坑周边环境安全，完成既定工程目标的同时，实现了基坑支护构件全回收，达到了岩土工程的低碳排放、绿色环保的目的。该工程为指导类似项目设计及施工提供宝贵经验。关键词：PC钢管桩工法；复杂环境；软土深基坑；变形控制；全回收；绿色低碳▍引言我国关于“双碳”的国家总体政策将“推进城乡建设和管理模式低碳转型、大力发展节能低碳建筑、加快优化建筑用能结构”，在建筑领域提出了城乡建设绿色低碳发展的顶层要求。要建设髙品质绿色建筑，大力推广超低能耗、近零能耗建筑，发展零碳建筑；实现工程建设全过程绿色建造。这是我国城乡建设领域目前出台的国家级顶层碳达峰碳中和工作意见，是城乡绿色发展工作开展的思路纲领“。基坑工程虽然是临时工程，但其依然具有对资源能源消耗量大与产生污染物多等特点,而且在其支护及开挖过程中对生态环境与周边环境造成一定程度的影响，因此需要对基坑支护设计方案的工艺选型进行合理优化，以达到在确保工程安全的前提下，实现绿色、节能、环保的总体目标。传统明挖深基坑多采用SMW工法桩、钻孔灌注桩、地下连续墙等支护形式，随着城市建设发展及土地资源紧张、地下空间拓展的需要，深基坑项目越来越多且低碳环保要求日益严格，传统围护结构施工工艺在经济性、安全性及环保要求方面饱受诟病。PC钢管桩工法（PrefabricatedCompositeSteelPipe）是通过焊接在钢管桩上的锁扣与一个或多个拉森桩连接形成钢质连续墙。使用锁扣连接拉森桩和钢管桩的改进方式即PC工法桩工艺已于2015年在国内首次应用于杭州大华饭店改造工程G20峰会配套项目，同年该工艺获得了浙江省省级工法称号。作为一种新型绿色围护工艺，具有施工速度快、无需等待龄期、围护结构刚度大、止水效果好、可全回收重复利用、设备占地空间小、无噪声无泥浆等诸多优点。然而由于尚无针对该工法的国家、省市级规范标准进行指导，目前对于环境敏感的深基坑支护工程中应用较少。本文介绍了一例深基坑工程，周边环境极其敏感，基坑边线紧贴国防光缆、机场髙速挡墙等重要保护对象，地质条件以软〜流塑状软土层为主、基底含水层呈髙承压性。本文通过“天汉软件”计算，结合Flac3D岩土有限元软件建立等比例三维数值模型，并通过施工实际监测数据三者相互验证，实现了PC钢管桩工法在复杂条件下的成功应用，为指导类似工程设计施工提供宝贵经验。PC钢管桩工法简图见图1。▍1工程概况1.1项目背景及周边环境项目位于武汉市东西湖区，本工程为管道改迁工程，工程目标是将现状地面下埋深约11m处的一根DN1020钢制污水管进行下弯改迁，以避让与其斜交拟实施的盾构（直径4.25m）,使盾构能够顺利穿越。由于现状钢制污水管为服务该片区约15万居民的生活污水唯一排放主管，直接关系着附近居民的正常生活，相关管理部门要求改迁断管时间不得超过2天，围护结构施工及基坑开挖期间，不得影响现状钢管的通水功能。管道下弯改迁完成后，需将所有支护体系全部回收，以保证后期盾构施工顺利穿越。管道开挖改迁位置位于现状临时便道下方，基坑周边环境紧张，西临现状明渠，明渠岸坡上敷设有国防光缆距离基坑内边线仅1.24m；基坑东临汉飞大道机动车道，路边埋设有现状悬臂式挡墙，挡墙墙趾距离基坑内边线仅0.9m。基坑与周边环境相对位置关系如图2。1.2重难点分析基坑平面呈规则矩形，基坑平面尺寸为10m长x7.5m宽，开挖深度为地面以下11.91~12.91m，基坑重要性等级为一级，根据边界条件，梳理本工程重难点如下：（1）为确保周边居民正常生活排水，本基坑需要在最短时间内完成管道的改迁工作,如何确保基坑施工及开挖过程中，维持原有污水管的排水功能，是方案需要考虑的重点问题。（2）本项目实施的最终目的是使盾构顺利通过，所以管道改迁完毕后，盾构穿越范围围护结构需要全部回收，否则将成为地下障碍物，影响盾构施工。（3）本项目总体工期要求紧张，如何在保障安全的前提条件下，加快施工进度、控制成本是本次设计需解决的首要问题。（4）本项目地质条件较差，基坑侧壁及基底分布有约7.0m厚软〜流塑状淤泥质粉质黏土，开挖深度最大达13m左右，属深基坑，保证基坑的安全实施是本项目顺利实施的关键。（5）基坑周边环境条件复杂。对于本工程而言，周边重要保护对象主要为机场髙速髙架、汉飞大道、现状挡墙、国防光缆等，支护结构体系需要将周边敏感建（构）筑物水平变形及地面沉降均控制在允许范围内。（6）场地条件紧张，施工空间十分受限，基坑位于现状唯一一条临时便道正下方，施工期间无法行程环道，这对施工组织带来很大的考验。支护选型时需综合考虑施工机械占位可行性、土方开挖及外运、施工材料临时堆场等诸多因素，以保证支护方案的切实可行。▍2工程地质及水文地质条件2.1工程地质条件场地位于武汉市东西湖区，临近机场河明渠。地貌单元属长江北岸I〜II级阶地，地势较平坦，场地上部为近代人工填土层（Qml）、第四系全新统冲积（Q4al）—般黏性土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土；中部为第四系上更新统冲洪积（。3出说）砂土层；下伏基岩为三叠系（T）中风化白云岩。勘察揭露地层由上至下分述如下：①杂填土（Qml）、③1粉质黏土（Q4al）、③3淤泥质粉质黏土（Q4al）＞③4粉质黏土（Q3al）＞④粉细砂（Q4al）、⑧中风化白云岩（K-E）,各土层相关物理力学指标参数见表1。2.2水文地质条件场地地下水可分为三种类型：上层为赋存于①杂填土层中的上层滞水，主要接受大气降水和地表散水垂直入渗的补给，无统一自由水面，水位及水量随季节性大气降水及周边生活用水排放的影响而波动，勘察期间测得其稳定水位埋深为0.5〜2.0m。中层孔隙承压水赋存于④粉细砂，水量较大，与长江有密切的水力联系，4〜6月份勘察实测水位髙程为11.5~15.25m之间；下层为基岩裂隙水，水量贫乏，对工程影响不大。典型工程地质剖面见图3。▍3基坑支护结构设计3.1总体方案比选从安全性、经济性、施工工期及便捷性等方面对可供选择的三种方案进行了综合比选:方案一：PC工法桩结合竖向三道内支撑；方案二：直径1.0m钢筋混凝土灌注桩结合竖向两道内支撑；方案三：直径0.85m三轴搅拌桩内插300X700H型钢SMW工法桩结合竖向三道内支撑。方案一PC工法桩方案，围护结构刚度能够满足安全及稳定性要求，无弃土及泥浆排放，对场地要求低，基坑回填后围护桩可全部回收，满足工程要求。方案二灌注桩方案，围护结构刚度大，位移控制效果好，但现场场地受限，桩机取土后的土方堆弃场地协调较为困难；灌注桩需要等待混凝土龄期，该方案施工工期较长；灌注桩将成为地障，影响后期盾构穿越。方案三SMW工法桩方案，由于H型钢刚度较弱，本项目基坑开挖深度较深、土质情况差，基坑整体变形较大，不满足对周边环境的保护要求。综合考虑各方案在安全性、施工便捷性、工期等方面因素，经反复斟酌，最终确定采用方案一PC工法桩方案作为实施方案。3.2基坑支护方案本基坑场地狭窄，开挖深度深，基坑普挖深度为自然地面下11.91〜12.91m。土质条件差，周边环境敏感，对基坑位移变形控制要求髙。基坑围护结构选用PC钢管桩工法，采用©820mm,壁厚t=14mm钢管桩，桩长22〜23m；桩间采用U400X170型拉森钢板桩，桩长L=15m,防止基坑侧壁渗漏及流土。为使支撑构件拆装便捷，竖向设置三道钢管内支撑，内支撑均采用©609mm,壁厚t=16mm活络头钢管，围標釆用双拼H型钢。平面支撑布置釆用角支撑形式，在有效控制基坑变形的前提下，能够确保后期微型挖掘机能够在基坑内顺利作业。由于钢管桩与拉森钢板桩均为锁扣连接，在支护桩平面布置时需按照围护构件尺寸相应模数布置，以确保支护桩之间均能够通过锁扣严密咬合。逆工况设计为由下至上，分层回填压实素土至各道支撑底以下0.5m后拆除相应标高内支撑。施工工序见图4、基坑支护平面布置图见图5、基坑围护典型剖面图见图6。由于在基坑在施工及开挖过程中需保持现状污水管道的正常运行，基坑侧壁与管道交汇处无法封闭，存在流土风险。设计釆取污水管道两侧精准定位钢管桩，以尽量靠近既有管道，缩小孔洞宽度，并在基坑土方开挖时随土方分层开挖，及时釆用型钢横向焊接与两侧钢管桩进行孔洞封堵的处理措施。3.3基坑开挖计算分析首先釆用“天汉软件”建立二维模型进行基坑开挖变形分析，由于钢板桩桩长设计主要考虑其防止桩间土挤出功能，计算分析时将其作为安全储备，围护结构仅考虑©820mm钢管桩刚度。基坑围护桩最大计算水平位移35.9mm，位于桩顶以下约9m处。为进一步验证数据准确性，采用有限元软件Flac3D建立三维有限元模型，对基坑开挖全过程进行模拟分析。为了较好地刻画土体破坏行为、得到较合理的结果，选用工程中广泛应用的Mohr-Clulomb破坏准备模拟岩土体的材料特性。模型尺寸采用70mx60mx50m（长x宽x深），PC工法桩采用桩单元模拟，支撑及围標构件采用梁单元模拟。东侧基坑围护桩最大水平位移15.05mm，位于桩顶以下约12m处。由于基坑西侧现状明渠地势较低，基坑东西两侧土压力不平衡，以及基坑中部软〜流塑状软土共同作用，使得基坑水平位移呈向明渠侧“鼓肚子”的趋势。基坑水平位移云图见图7。通过三维数值模拟分析结果可知，围护桩对基坑变形起到了明显的控制作用，最大位移深度位置及变形趋势与“天汉软件”计算结果基本吻合。但二维计算值较三维数值模拟计算值偏大，推测其主要原因是由于在“天汉软件”二维计算中未考虑钢板桩刚度贡献；且本基坑平面尺寸较小，二维计算中无法考虑基坑尺寸效应所致。通过两种不同形式的计算分析，总体验证了PC工法桩能够起到在基坑开挖过程中对周边环境变形的显著改善作用。计算分析结果见图83.4施工及监测结果基坑开挖施工期间，随着开挖深度的增加，围护结构侧向水平位移也逐渐增加。根据基坑的全过程监测数据显示，在基坑开挖至基底时，基坑围护桩最大水平位移16.06mm,位于桩顶以下约10m处。桩顶以下20m至桩底，水平位移逐渐收敛接近零位移点。基坑围护结构的水平位移与设计计算变形趋势基本一致，变形曲线整体呈典型的“鼓肚型”，围护结构对周边土体变形起到了有效的控制作用。计算分析结果与监测数据对比见图8。自围护桩开始施工至基坑开挖到底，施工仅使用13天时间，提前达成了工期进度目标。管道改迁完毕后，随着基坑的分层回填压实土，拆除内支撑，采用髙频振动夹钳结合跟踪注浆方式对钢管桩及钢板桩进行了全部回收。本基坑从围护桩打设、开挖、回填、围护体系回收等全过程，周边环境均安全稳定，监测数值均在允许控制范围值以内，未出现任何异常。验证了在复杂环境条件下、软土地区PC桩支护方案的可行性和可靠性。基坑实景图见图9、图10。▍4结论本文建立“天汉软件”二维计算模型，结合Flac3D岩土有限元软件建立三维等比例数值模型，计算基坑开挖各工序围护桩变形情况，并通过施工实际监测数据，综合对比验证PC桩支护方案选型的安全性及合理性，得到以下结论：(1)对于计算分析而言，二维计算方法与三维计算方法基坑变形趋势及最大位移深度基本吻合，但二维计算忽略了拉森钢板桩(短桩)对围护结构的刚度贡献，且由于本工程基坑平面尺寸小，尺寸效应明显，故二维计算结果变形绝对数值偏大，而三维数值分析在考虑以上因素后计算结果与现场监测情况更为接近。需要注意的是本基坑施工时间较短,可能存在基坑实际变形不充分的情况。PC桩施工安全性高。钢管桩均在工厂焊接预制并探伤检测完成后，整根吊装打设，整体抗弯性好，有效避免现场焊接施工质量缺陷。钢管桩与钢板桩之间采用锁扣连接,组合形成钢质连续墙体，具备挡土和止水功能，成墙品质髙。并可根据基坑开挖深度、周边环境条件对钢管桩直径及壁厚进行选择，有效控制围护结构的内力和变形。(3)绿