預制樁在城市軌道交通深基坑工程中的應用研究

宋 杰

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

0 引言

國內城市軌道交通明挖深基坑圍護體系主要由圍護樁（墻）、支撐、腰梁、中間立柱等部分組成。支撐及腰梁等主要采用鋼構件，大部分已實現預制拼裝化。圍護樁（墻）則主要以地下連續墻、鉆孔灌注樁、鉆孔咬合樁、型鋼水泥土攪拌樁（SMW）等為主，其共同缺點是：工廠預制化程度偏低，以工地現場施工為主，施工作業條件差；工程產生大量的噪聲、振動、揚塵，且廢料、廢棄泥漿等需要處理外運，影響城市環境；鉆孔、鋼筋籠制作等施工場地面積大，施工進度慢，工程造價高等。因此，有必要開展城市軌道交通深基坑圍護樁預制化方面的研究。目前，國內預制樁主要有方樁、管樁等類型，大都應用于民建及橋梁基礎工程中，在深基坑工程中應用很少，僅在天津、連云港等個別地區民建基坑中有過實際應用。這些實施案例以開挖深度 5m 左右淺基坑為主，地質條件多為軟土地層，樁型大多采用預應力高強混凝土空心管樁（PHC），或在SMW 工法樁內插小截面方樁。個別案例最大開挖深度達 10m，采用密排大截面方樁加內支撐體系。城市軌道交通基坑工程開挖深度大多在 9～20m，且周邊環境控制保護要求很高，采用預制樁作為基坑圍護樁的案例及相關研究鮮有報道。本文以國內首批采用預制樁基坑圍護的城市軌道交通試點車站之一——濟南市軌道交通 R2 線任家莊站為例，介紹其基坑工程方案比選、設計計算及施工情況，并分析預制樁在城市軌道交通深基坑工程中的應用前景。

1 工程概況

任家莊站系濟南市軌道交通 R2 線一期工程西端的一個標準站，車站主體結構型式為明挖地下 2 層、單柱雙跨鋼筋混凝土箱型結構，基坑開挖深度標準段約16.4m，端頭井約 17.9m。車站位于劉長山路下方，站位北側地塊為在建商業施工臨時用房，南側為已建成綠地商務公寓和待建綠地商業廣場，周邊建（構）筑物距離車站主體基坑普遍在 30m 以上。場區主要保護管線為基坑南側平行整個基坑的 2m×2m 供電管廊，距離基坑約 2.4～4.8m。

場區地質條件相對較好，自上而下依次為①1素填土層、⑧1黃土層、⑨1粉質黏土層、⑩1粉質黏土層、⑩2黏土層、[14]2黏土層、[16]1粉質黏土層、[16]2黏土層、[21]2中風化石灰巖等，坑底位于⑩1粉質黏土層和⑩2黏土層中。

場區地下水主要為第四系孔隙潛水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水。潛水主要賦存于⑨1及⑩1粉質黏土層中，水位埋深約 10.20～14.30m，受季節及大氣降水影響較大，含水量有限，富水性一般。巖溶裂隙水主要賦存于[21]2中風化石灰巖中，具承壓性，水頭標高位于地面以下約15.6m。經核算，基坑開挖到坑底時抗承壓水穩定性滿足要求。

2 基坑圍護結構方案比選

結合本站地質條件及濟南地區經驗，車站主體基坑圍護結構常規方案采用鉆孔灌注樁+止水帷幕，同時考慮了采用預制方樁作為基坑圍護樁的新方案，兩方案圍護樁間距均采用 1500mm，插入比 0.45～0.5，支撐道數為 3 道，立柱樁均采用φ1000mm鉆孔灌注樁，其余設計參數比較見表1，造價及工期比較見表2。

由表1、表2 可見，預制樁方案通過采用大標號混凝土，可在抗彎剛度基本匹配的情況下，采用相對較小的截面。預制樁方案造價比鉆孔樁方案貴約 382 萬元，分析其原因，主要是由于預制樁在城市軌道交通深基坑圍護中較少采用，其生產廠家及設備有限，自身單價及沉樁等費用相對偏高所致。若經推廣采用、充分市場競爭后，則造價可進一步降低。預制樁方案較鉆孔樁方案工期可縮短約 20%。

比選表明，任家莊站滿足工廠化預制、綠色文明施工、施工速度快等條件，因此主體基坑圍護樁選擇采用預制樁方案。

3 基坑圍護結構設計與計算

3.1 基坑圍護結構設計

車站主體結構基坑設計使用年限為 2年，基坑安全等級為一級，環境保護等級為一級，即基坑開挖期間控制地面最大沉降量≤0.1%H、圍護結構最大水平位移≤0.14%H（H為基坑開挖深度），坑底抗隆起安全系數≥1.8，抗傾覆安全系數≥1.25。

標準段基坑開挖深度約 16.4m，圍護結構選用 700mm×700mm@ 1500mm預制方樁，樁長 24m，插入比 0.46，樁底位于第[14]2黏土層中。沿基坑深度方向設置 3 道支撐，其中第 1 道為鋼筋混凝土支撐，其余均為φ609mm（壁厚 16mm）鋼管支撐。中間立柱采用400×400mm預制方樁，立柱樁采用φ1000mm鉆孔灌注樁。圖1 為標準段典型圍護結構橫斷面。

表1 基坑圍護結構設計參數比較表

表2 基坑圍護結構造價及工期比較表

圖1 標準段圍護結構橫斷面圖（單位：mm）

端頭井基坑開挖深度約 17.9m，圍護結構選用700mm×700mm@ 1300mm預制方樁，樁長 27m，插入比 0.50，樁底位于第[16]2黏土層中。沿基坑深度方向設置 4 道支撐，其中第 1 道為鋼筋混凝土支撐，其余均為φ609mm（壁厚 16mm）鋼管支撐，第 3 道鋼支撐設置換撐。

3.2 典型橫斷面計算

圍護結構計算采用“荷載-結構”模式，按施工順序分工況逐階段計算，側向水、土壓力按朗金主動土壓力，計算采用北京理正深基坑 7.0 版的排樁（方樁）計算模塊。以標準段為例，典型圍護結構斷面計算結果包絡圖如圖2 所示。

圖2 表明，圍護方樁最大水平位移約 14.15mm（位置為坑底以上約 3m處），周邊地面最大沉降量約11mm，抗隆起驗算安全系數Kb= 3.274＞1.8，抗傾覆驗算安全系數Ks= 4.841＞1.25，均滿足一級基坑變形控制標準；圍護樁最大正彎矩 831 kN · m（坑底以上約 3m處）、負彎矩 723 kN · m（第 2 道支撐處），最大剪力554 kN（第 2 道支撐處）。

圖2 標準段圍護結構計算結果

3.3 圍護預制方樁設計

本站圍護預制方樁兼做永久使用階段抗浮樁，設計使用年限 100年，混凝土強度等級 C50，正截面裂縫寬度允許值 ≤0.2mm。圍護樁配筋由裂縫控制，主筋實配基坑內側 14 根φ28mm鋼筋（HRB400 級，下同）、外側12 根φ28mm鋼筋，箍筋實配φ16mm間距 100mm，典型配筋斷面見圖3。預制方樁間采用掛φ8mm間距 150mm×150mm鋼筋網片后噴 100mm厚 C25 混凝土擋土。

圖3 圍護方樁配筋斷面圖（單位：mm）

3.4 立柱預制方樁設計

本站中間立柱采用 400mm×400mm預制方樁，立柱樁采用φ1000mm鉆孔灌注樁，立柱與立柱樁鋼筋籠可靠連接后一起吊放。方樁混凝土強度 C50，經驗算，其承載能力滿足中間立柱承載要求，圖4 為其典型配筋斷面。

圖4 立柱方樁配筋斷面圖（單位：mm）

4 預制樁深基坑施工

4.1 預制方樁施工

（1）預制樁施工時，先用長螺旋或旋挖鉆機成孔，成孔直徑為φ1100mm，成孔作業完成后對孔內灌注水泥土漿液，漿液量確保預制樁插入后僅少量溢出。

（2）預制樁表面應明確標示坑內和坑外，施工單位核實樁坑內、外面無誤時方可施工。

（3）預制樁樁位偏差不大于 20mm，樁身垂直度偏差及轉動偏差均不大于 1/200，設計建議外放量 100mm。

（4）預制樁宜采用整體澆注方式，也可根據實際需求分段預制，分段位置宜位于基坑底以下不小于2m 處（受力較小區段）。各分段需進行等剛度連接，且連接構件需達到100年的耐久性要求。本站采用預制件廠家標準產品，預制樁分段長度為 17.5m，采用鋼結構機械嚙合式接頭，由設計提出性能要求，預制件廠家進行二次專業設計。

4.2 基坑實施效果

圖5 為預制方樁樁身及開挖到坑底后的基坑實景圖，圖6 為接頭實景圖。由圖中可見，圍護樁施工垂直度偏差較小，墻面整體較為平整，基本未發生圍護樁侵入限界等情況。圍護樁最大水平位移約 13.7mm，周邊地面最大沉降量約 10.4mm，與設計計算值較為吻合，基坑整體安全可靠。經調研，濟南地區其他采用預制樁的試點車站也同樣取得了較為理想的實施效果。

圖5 預制方樁及基坑實景圖

圖6 預制方樁接頭實景圖

5 預制樁深基坑工程應用前景分析

5.1 與永久主體結構疊合利用

5.1.1 圍護預制樁與結構側墻形成疊合墻

由于預制樁混凝土強度等級高、樁身質量好，除可用于車站主體及附屬基坑圍護結構外，也可考慮樁內預留鋼筋連接器，與車站主體結構側墻連接形成疊合墻體系（圖7）。常規地下 2 層車站側墻為 700mm厚，承受側向水土壓力，為豎向承載單向板（墻）體系。若采用預制樁疊合側墻體系，則結構類型轉變為密肋板（墻）體系，豎向預制樁為肋梁，以豎向受彎為主，側墻則為以水平承載為主的單向板（墻），且凈跨度僅 800mm，因此可有效減薄側墻厚度。經計算并考慮構造、防水等要求，取 500mm即可。對標準地下 2 層車站，經造價測算，采用疊合墻后側墻單項造價可減少約 200 萬元。

5.1.2 中間立柱預制樁與結構框架柱形成復合柱

中間立柱位置可設置在結構框架柱中心，并預埋連接錨筋，永久使用階段包在結構框架柱內作為芯柱，可提高框架柱整體承載性能，并節省一定混凝土量。

以上疊合做法在濟南試點車站正在實施，具體實施效果有待車站竣工后及長期運營中進一步驗證。

圖7 圍護預制樁與側墻疊合示意圖

5.2 需要研究優化的方向

5.2.1 研究使用更多類型的預制樁

預制樁按材料可分為普通混凝土樁和預應力混凝土樁，按構造可分為實心樁和空心樁。目前在民建、橋梁等工程中普通混凝土樁的最大截面尺寸可達800mm×800mm，預應力混凝土空心管樁最大直徑可達 1200mm。預制樁的沉樁深度可達 80m 以上。已少量應用于基坑工程的預制樁主要為普通混凝土實心方樁（正方形、長方形截面）和預應力高強混凝土空心管樁（PHC），后續可進一步研究使用圓形、T 型等截面預制實心樁、預應力混凝土空心方樁（PHS、PS）等樁型。

5.2.2 預制樁沉樁工藝優化

預制樁沉樁工藝主要有錘擊法、靜壓法、震動法、射水法、預鉆孔法及中掘法等，其中以靜壓法用得最多。本站預制樁采用鉆機預成孔后插入預制樁的工藝，形成一定的附加工程量和棄土，因此，優化預制樁沉樁工藝是值得研究的方向。在場地條件較好的地段，可考慮采用靜壓法省去預成孔，但需研究如何提高垂直度控制能力，減少擠土效應，以及選擇合適的圍護樁外放量，以防圍護樁侵入限界。

5.2.3 預制樁分段連接接頭優化

由于城市軌道交通圍護樁大多按永久構件設計，預制樁連接接頭的受力性能、耐久性要求較高，應優先選擇整根預制。但限于運輸條件和吊運困難，工廠預制樁樁長一般不超過15～16m，采用分段預制將較為普遍，接頭位置應優先考慮設置在坑底以下受力較小區段。對于接頭設置在基坑開挖深度范圍內的情況，目前尚無應用案例，應進一步研究優化接頭型式及位置，以確保整個樁身受力性能和耐久性的完整。

5.2.4 預制樁與主體結構疊合利用的節點處理及防水措施優化

疊合利用能有效降低工程整體造價，在方案比選中更具性價比，但應深入研究預制樁與結構側墻、預制立柱與后澆框架柱新舊混凝土結合面處理、連接方式等細節設計。采用疊合側墻時全外包防水無法實現，因此，應對側墻與樁連接節點防水處理措施開展進一步研究并進行試驗驗證。

6 結論及建議

（1）本站設計計算和實施效果表明，預制樁用于常規地下 2 層車站主體 16～18m 深基坑工程是完全可行的。本站預制樁方案造價比常規鉆孔樁方案略貴，但主要是由于預制樁在城市軌道交通深基坑圍護中較少采用所致，經推廣采用、充分市場競爭后，則造價可進一步降低。預制樁還可應用于車站附屬結構 8～11m 深基坑、明挖區間隧道深基坑以及中間立柱等位置。

（2）除用于深基坑圍護結構外，預制樁也可與結構側墻形成疊合墻，中間立柱預制樁可與結構框架柱形成復合柱，以進一步降低工程整體造價。

（3）預制樁用于城市軌道交通深基坑工程尚處于起步階段，相關設計經驗及研究工作較少，存在前文所述多個需要研究優化的方向。建議在后續設計、施工中繼續加強相關研究，并優先選擇地質條件、周邊環境相對較好的車站試點，進一步積累經驗予以完善。

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