管桩结合双半圆支撑体系在基坑工程中的应用

许 冠 曾 婕 成怡冲 王洁栋 吴才德

（浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江宁波 315012）

0 引言

先张法预应力管桩（以下简称预应力管桩）指的是采用先张法预应力工艺，并掺加高效减水剂，经过高速离心成型和蒸汽养护而成的空心圆筒体细长混凝土预制构件[1]。按照混凝土强度等级又分为普通预应力混凝土灌桩（代号为PC，混凝土强度等级不低于C50）和预应力高强度混凝土管桩（代号为PHC，混凝土强度等级不低于C80）。常用的预应力管桩外径有400 mm、500 mm、550 mm 和600 mm 等规格，按预应力管桩的抗弯性能分为A 型、AB 型、B 型和C 型[2]。预应力管桩常规的施工方法有静压法、锤击法以及插入水泥搅拌墙中形成复合支护墙的方法。

随着国家产业结构的调整，粗放式、高耗能的传统基坑支护结构与施工技术逐渐向低排放、少污染的方向发展[3]，预应力管桩采用工厂化生产，且具备绿色环保的优势。此外，预应力管桩桩身混凝土强度高，再加上使用了高强度、低松弛的预应力钢筋使桩身具有较高的有效压力，从而提高了其抗弯和抗拉性能，将其应用于支护工程中在经济上更具有竞争性[4]。因此，预应力管桩在基坑工程中应用的越来越多[5-10]，但预应力管桩大范围挤土施工对土体造成扰动，可能影响后期基坑的安全性。

宁波地区常用的支撑体系有对撑、角撑和圆环撑等。相比于对撑和角撑体系，圆环支撑体系具有较强的整体性，内力分布更均匀，适用于形状不规则基坑[11-12]；此外，圆环支撑体系可较大程度减少支撑覆盖面积，节约成本费用，方便土方开挖和地下室施工，极大地提高出土效率，节约施工工期[13-14]。但是圆环顶部刚度较小，需采取有效的加强措施。

本文结合宁波民和·惠风和畅文化产业园项目，开展了预应力管桩结合双半圆内支撑体系的工程应用研究，对不同支护体系及不同支护桩的优缺点进行了对比分析，并介绍了预应力管桩和双半圆内支撑体系的设计和施工要点，分析了基坑监测数据，验证了预应力管桩结合双半圆内支撑体系的可靠性。

1 工程概况

民和·惠风和畅文化产业园项目总用地面积34896 m2，总建筑面积117957 m2，其中地上建筑面积88614 m2，设有一层地下室，地下建筑面积29343 m2。基坑周圈开挖深度为5.5 m，局部坑中坑开挖深度达到7.0 m。

基坑周边环境较复杂。南侧和西侧紧邻现状道路和市政管线。南侧杨帆路距离地下室侧壁6 m，杨帆路上由近到远分别埋设有电力管线、给水管和雨水管；西侧院士路距离基坑边约20 m，院士路上由近到远分别埋设有电力管线、电信管和给水管，基坑周圈管线情况见表1。施工道路、材料堆场和临时用房设置在基坑的东侧和北侧，东侧施工道路距离基坑最近约6.5 m，临时用房距离基坑15 m，北侧材料堆场距离基坑边最近约5 m，施工道路距离基坑边约15 m。基坑西侧为本工程临设用地。基坑与周边环境相对关系见图1。

表1 基坑周圈既有管线情况一览表

图1 基坑与周边环境相对关系图

2 工程地质情况

根据岩土工程勘察报告，基坑支护范围内土层主要包括2-1 层淤泥质黏土、2-2 层淤泥质粉质黏土、3-1 层含黏土粉砂和3-2 层含黏土粉砂。基坑坑底落在2-1 层淤泥质黏土中。3 层含黏土粉砂为微承压含水层，赋水性和透水性较好，有一定的水量，勘察期间实测水位埋深2.0 m，渗透系数为1.2×10-6cm/s，经计算，基坑抗突涌稳定性满足规范[15]要求。土层物理力学参数见表2，地层分布见图2。

图2 基坑范围内典型地质剖面图

表2 土层物理力学参数

3 基坑支护设计

3.1 基坑的特点和难点

通过工程概况和地质条件分析，本工程存在以下特点和设计难点：

（1）基坑周边环境复杂

周边紧邻重要市政道路、燃气管线、电力管线和给水管线等，基坑开挖要考虑对周边环境的影响，基坑变形控制要求高。

（2）基坑开挖面积大，地下室形状不规则

基坑开挖面积大，达到30000 m2，地下室形状不规则，支撑体系的布置难度大。

（3）分布有深厚软土层

本工程位于软土地区，基坑支护结构范围内分布11 m 厚的的流塑状淤泥质土，作用在支护结构上的水土压力大，控制变形难度大。

（4）基坑周边用地紧张

红线内可利用的场地较少，基坑周边不满足坑外大量卸土条件，支护结构的选型受限。

（5）基坑开挖体量大，出土效率较低

基坑开挖面积大，开挖深度较深，土方量大，软土层较厚，若采用常规的对撑+角撑体系，存在挖土效率低的问题。

3.2 基坑支护方案选型

针对本项目的特点和难点，支护设计采取了以下几个方面的方案比选。

（1）支护结构选型比较分析

地下室基坑周圈开挖深度为5.5 m，土体物理力学性质较差，基坑周边可利用的场地较少，且周边环境变形控制要求较高，适用于本基坑的支护结构形式主要包括排桩+1 道支撑和排桩+2 道锚索。支护体系比选见表3。由表3可知，排桩+1 道支撑支护体系优点为安全性高，控制变形能力强，缺点为造价较高；排桩+2 道锚索优点为造价相对较低，缺点为控制变形能力较弱，二者施工周期相差不大。因此，本基坑工程选取排桩+1 道支撑的支护结构形式。

表3 支护体系比选表

（2）支护桩桩型比较分析

本基坑工程为一层地下室，可采用的支护桩桩型包括钻孔灌注桩、SMW 工法桩和预应力管桩，对三种桩型比较分析见表4。由表4可知，钻孔灌注桩和预应力管桩造价相对较低，两者相比，预应力管桩施工效率高，但施工对周边环境影响较大。综合考虑，为了能够较好地控制和减小对临近市政道路和地下管线的影响，在基坑的西侧和南侧采用钻孔灌注桩；为提高整体施工效率，在基坑北侧和东侧采用预应力管桩。

表4 支护桩桩型比选表

（3）支撑体系比较分析

基坑开挖面积大，支撑体系需综合考虑安全、施工便利和工程投资等各方面因素，对支撑的布设要求较高。相比常规对撑+角撑支撑体系，对撑+半圆环支撑体系一方面具有较强的整体性，使得内力分布较均匀，有利于对支护结构变形的控制；另一方面减少了支撑覆盖面积，节约了成本费用，方便土方开挖，极大地提高了出土效率。

3.3 基坑支护设计

（1）平面支撑体系设计

平面支撑采用对撑+半圆环的支撑体系，支撑平面图见图3。

图3 支撑平面布置图

两个半圆环内支撑直径均为125 m，圆环弧顶及拱脚区域采取多种措施以确保安全，包括：（1）圆弧和拱脚位置设置钢筋砼板带，加强这些区域的整体刚度；（2）适当增加拱脚支撑刚度，增加圆环的约束；（3）适当增加圆环的宽度和配筋，确保圆环受力可靠；（4）基坑东侧坑外设置桩、钢筋砼梁板结构形成施工平台，同时也对东侧弧顶起到了加固作用。围梁和支撑结构混凝土强度等级为C25，具体内支撑构件尺寸和截面见表5。

表5 内支撑尺寸及截面表

（2）竖向支护体系设计

围梁及支撑面标高降到自然地坪以下1.5 m 处，一方面改善墙身内力分布，减少墙身变形，另一方面也给挖土施工作业提供了足够的空间。典型支护剖面见图4。

图4 基坑典型支护剖面图

（3）支护桩设计

根据基坑计算，支护桩长度13～15 m，嵌固比约1∶2，墙底进入3-1 层含黏土粉砂层，满足各项稳定性计算要求。基坑西侧和南侧采用钻孔灌注桩，桩径600 mm，桩体纵向受力钢筋按内力包络图沿墙体纵向分段配置，此法大大减小了桩体的配筋量，提高了钻孔灌注桩的经济性。基坑东侧和北侧采用预应力管桩，桩型分别为PC 600 AB 130-14 和PC 550 AB 110-14（其中“PC”表示普通预应力管桩，600 和550 表示桩外径，AB 为管桩型号，130 和110 为管桩壁厚，“14”表示桩长）。预应力管桩相关构造示意图与工艺参数分别见图5和表6。预应力管桩和围梁或连梁连接见图6。

图5 预应力管桩结构示意图(单位：mm)

表6 预应力管桩工艺参数

图6 管桩与围梁（连梁）连接详图（单位：mm）

4、止水帷幕设计

基坑外采用φ500 密排水泥搅拌桩作为止水挡漏土措施。

4 基坑施工与监测

为减少预应力管桩施工对周边环境及工程桩的影响，采取了以下措施：（1）合理安排管桩施工线路，控制日沉桩数量；（2）先施工管桩，再施工工程桩；（3）必要时采取取土、植桩、挖隔震沟、孔隙水压力释放孔等措施。本项目从支护桩施工开始到地下室顶板施工结束共历时约8 个月，由于基坑东侧和北侧采用预应力管桩，施工效率高，较完全采用钻孔灌注桩减少了1 个月工期。图7为施工开挖现场图。

图7 基坑开挖现场图

基坑设计布置了比较全面的基坑支护监测体系，主要监测内容有：深层土体位移、支撑轴力、地表沉降、地下水位、立柱沉降、桩顶水平位移和桩顶沉降。图8为深层土体位移监测平面布置，表7为深层土体位移最大值统计表。

图8 基坑监测平面布置图

表7 深层土体位移最大值统计表

由表7可知，因为基坑面积大，空间效应不明显，各测点深层土体位移最大值均较大。基坑东侧和北侧变形均超出了设计报警值（60 mm），这是因为基坑东侧和北侧材料堆场和施工道路距离基坑较近（未按设计要求布置），且预应力管桩的抗变形能力较钻孔灌注桩弱。预应力管桩变形虽超出报警值，但管桩表面未产生裂缝，说明桩身实际承受弯矩小于抗裂弯矩值，安全性较好。

基坑西侧的深层土体位移监测点CX14 和CX15 的变形也超出了报警值，原因分析为，基坑开挖至坑底标高后，未及时施工基础加固垫层，增加了基坑的暴露时间，导致基坑变形持续发展，此外，监测点CX14 位于圆环弧顶位置，支撑刚度相对较弱，故变形相对较大。

基坑南侧和西侧地表沉降曲线见图9。由图9可见，基坑南侧沉降最大值约为15.5 mm；基坑西侧沉降最大值约为34.5 mm，最大值发生在距离基坑最近的监测点处。基坑西侧和南侧道路上地表沉降值均小于设计报警值，管线变形和道路沉降控制效果较好。

图9 监测地表沉降曲线图

5 结论

本文结合民和·惠风和畅文化产业园项目基坑工程，介绍了预应力管桩结合双半圆支撑体系在软土深大基坑工程中的应用情况，并得出以下结论和建议：

（1）软土地区的深基坑变形控制难度大，采用排桩+1 道支撑进行支护，由于支撑体系整体性好，可较好地控制基坑支护结构变形。

（2）平面支撑采用对撑+两个半圆环撑的支撑体系，有效地减小了支撑覆盖率，提高了基坑出土效率，加快了工程施工进程。

（3）对于周边环境简单的基坑可选用预应力管桩作为支护桩，其具有造价低、工期短、无泥浆排放、绿色环保等优点，其缺点是施工过程有挤土效应，但可通过合理安排沉桩线路和顺序来降低不良影响。

（4）本项目基坑工程预应力管桩区域变形虽超出报警值，但管桩表面未产生裂缝，说明桩身实际承受弯矩小于抗裂弯矩值，预应力管桩作为支护桩使用安全性较好。

（5）基坑开挖到底后应立即施工基底垫层以封闭槽底，避免因槽底土层长时间暴露而导致基坑变形加剧。