中心城區(qū)軟土地層深基坑的動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法研究

吳小建 張阿晉

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

目前，上海軟土地區(qū)開挖深度5～15 m的深基坑圍護結(jié)構(gòu)常用形式主要有：鋼板樁、型鋼水泥土攪拌樁（SMW工法樁）、鉆孔灌注樁、咬合樁等傳統(tǒng)施工工藝，由于傳統(tǒng)施工技術(shù)及工程隊伍較為成熟，在現(xiàn)有基坑工程建設(shè)中應用較多。

但是，隨著近年來工程建設(shè)領(lǐng)域綠色化、信息化、裝配化概念的不斷深入，傳統(tǒng)施工工藝的諸多不足越來越受到業(yè)界的關(guān)注，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：施工效率低、周轉(zhuǎn)利用率不足；工程廢棄物多，環(huán)境污染嚴重；圍護結(jié)構(gòu)功能單一，止水效果較差；支護結(jié)構(gòu)剛度小，鋼板拔出施工擾動大；施工組織難度高、綜合經(jīng)濟效益差等。

因此，在繼承傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)施工工藝優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，立足于以上海為代表的富水軟土地區(qū)5～15 m深基坑工程高效化、信息化、裝配化、綠色化建設(shè)需求，開發(fā)具備高環(huán)境保護、高止水性能及高效施工特點的新型施工工藝，形成中心城區(qū)軟土地層深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法，具有較高的社會和經(jīng)濟效益。

1 傳統(tǒng)施工工藝評析

1.1 鋼板樁

傳統(tǒng)鋼板樁具有施工速度快、工程造價低等優(yōu)點，但在軟土地區(qū)，鋼板樁僅適用于開挖深度不超過7 m的較淺基坑，當基坑開挖深度較大或當基坑緊鄰變形敏感的建（構(gòu)）筑物時，由于鋼板樁抗彎剛度小，容易導致基坑開挖變形大、環(huán)境擾動影響嚴重。同時，由于鋼板樁采用簡單的鎖扣連接，其咬合處止水效果差，基坑滲水較為嚴重，安全隱患較多。

1.2 SMW工法樁

SMW工法樁是采用水泥土攪拌樁內(nèi)插H型鋼后形成的圍護結(jié)構(gòu)。但SMW工法樁剛度較小，基坑較深或開敞暴露較長時，圍護結(jié)構(gòu)變形較大，易產(chǎn)生滲漏水問題，帶來安全隱患，且圍護結(jié)構(gòu)的變形也會影響型鋼拔出。同時，拔出施工容易帶出土體，造成空隙坍塌，極易引起二次施工擾動變形。

1.3 鉆孔灌注樁

傳統(tǒng)鉆孔灌注樁由于其剛度較大，在較深基坑中應用較為廣泛。但由于灌注樁為分離式排樁，其本身不具備止水功能，須在外側(cè)加設(shè)水泥土攪拌樁等止水帷幕，才能使圍護結(jié)構(gòu)具有止水功能。另外，鉆孔灌注樁施工過程中廢棄物較多、混凝土養(yǎng)護時間長、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境差，不符合綠色化、高效化施工要求，其工程應用正受到越來越多的條件限制。

1.4 咬合樁

傳統(tǒng)咬合樁通過第二序次施工的樁與已有的第一序次的樁間進行切割咬合，形成可止水的整體圍護結(jié)構(gòu)，但咬合樁需進行二次咬合，對施工組織要求高；此外咬合樁主要采用全套管鉆機成孔，設(shè)備依賴性大，且一般施工單位缺乏經(jīng)濟實力購置多種直徑的套管，也使咬合樁的樁徑使用受到較多的限制。

2 軟土深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法

2.1 工法原理

中心城區(qū)軟土地層深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法是將具備往復動態(tài)注漿止水功能的高強度鋼管樁通過鎖扣連接形成連續(xù)的擋土止水結(jié)構(gòu)（圖1），實現(xiàn)基坑開挖過程中的按需快速止水，并通過回灌注漿功能實現(xiàn)大直徑鋼管樁的低影響快速拔除施工。該工法具有施工效率高、適用范圍廣、環(huán)境影響小、裝配化程度高及資源利用率高等優(yōu)勢，符合富水軟土地區(qū)深基坑圍護結(jié)構(gòu)高效化、信息化、裝配化、綠色化施工要求。

圖1 動態(tài)止水咬合鋼管樁示意

2.2 工藝優(yōu)點

2.2.1 剛度大、強度高，應用范圍廣

采用大直徑鋼管樁作為圍護結(jié)構(gòu)主體，整體剛度大、抗彎強度高。同等用鋼量情況下，與拉森Ⅳ鋼板樁相比，其剛度和抗彎強度可提高數(shù)倍，有效減少基坑開挖時土體卸載對圍護結(jié)構(gòu)本體及周邊環(huán)境的變形影響，可適用于周邊環(huán)境保護要求較高的深基坑工程。

2.2.2 擋土止水一體化，節(jié)地效果好

采用空心鋼管樁形式，充分利用材料強度，可承受坑外較大的主動土壓力。同時，由于鋼管樁自帶“三合一”注漿鎖扣，使其成為集擋土止水功能于一體的圍護結(jié)構(gòu)，相比鉆孔灌注樁分離式排樁加外側(cè)止水帷幕的形式，其對圍護結(jié)構(gòu)施工空間要求小。此外，該工藝施工簡單，無需額外的施工臨時場地（如鋼筋加工、泥漿存儲等），其節(jié)地效果顯著。

2.2.3 動態(tài)跟蹤注漿、止水效果好

相鄰鋼管樁之間通過陰陽鎖扣的咬合及鎖扣內(nèi)注漿，使圍護結(jié)構(gòu)具有良好的止水功能。陽鎖扣為“三合一”多功能鋼鎖扣管，可同時具有導向管、注漿管、鎖扣管的功能，可根據(jù)土層情況及地下水滲流實況進行針對性的動態(tài)跟蹤注漿止水；對有滲透隱患的區(qū)域或已有滲漏現(xiàn)象的區(qū)域，可進行二次反復注漿，止水效果較好。

2.2.4 裝配組合施工效率高

本工藝為裝配式圍護結(jié)構(gòu)，圍護樁運輸至現(xiàn)場并作好檢驗等準備后，即可打入施工，現(xiàn)場無鋼筋綁扎及混凝土澆灌養(yǎng)護，施工效率較傳統(tǒng)鋼筋混凝土類的圍護有較大提高，配合鋼管樁免共振沉樁施工工藝，施工效率成倍提高，且最大限度降低了對周邊環(huán)境的擾動影響。

2.2.5 符合綠色化施工理念

鋼管樁圍護結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)全材料周轉(zhuǎn)使用，且無泥漿等廢棄物排放，其環(huán)境保護效應顯著。鋼管拔出時形成的土間空隙可自動實現(xiàn)漿液回灌，避免周邊建筑物的下沉開裂及市政生命管線的損壞等，環(huán)境影響較小，符合綠色化建設(shè)理念[1-3]。

2.3 工藝流程

軟土深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻工法施工工藝主要包括以下幾部分內(nèi)容：圍護結(jié)構(gòu)施工、圍檁及支撐系統(tǒng)施工、降水及土方開挖、地下結(jié)構(gòu)及支撐拆除施工、圍護結(jié)構(gòu)拔出施工等。

其具體施工流程如下：定位放線→挖導向槽→安裝導向架→施打第1根鋼管樁→鎖扣對齊咬合，依次施打其余鋼管樁，并利用多功能鎖扣注漿管進行跟蹤注漿止水→逐層開挖，依次設(shè)置壓頂梁、圍檁及水平支撐→施工地下室，并回填密實地下室外墻與圍護結(jié)構(gòu)之間的空隙→拔除鋼管樁，邊拔除邊對拔除時形成的土間空隙進行注漿回灌。

3 軟土深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼管樁低影響施工技術(shù)

隨著我國城市的快速發(fā)展，中心城區(qū)深基坑工程建設(shè)面臨著周邊保護建（構(gòu)）筑物眾多、各類市政生命管線縱橫交錯、施工場地狹小、建設(shè)工期緊張等制約因素。尤其是在上海等軟土地區(qū)，工程涉及地層基本為飽和含水流塑或軟塑黏土層，該地層具有孔隙比大、壓縮性高、含水量豐富、抗剪強度低及靈敏度高等特點，進一步加大了工程施工對周邊環(huán)境的擾動影響，給深基坑工程圍護結(jié)構(gòu)施工工藝比選提出了更高的要求。

傳統(tǒng)鋼管樁沉樁方式主要有以下3種：靜壓法、錘擊法和振動法。靜壓法施工設(shè)備龐大、笨重，轉(zhuǎn)場施工不易，要求邊樁中心到已有建筑物有一定的距離；壓樁能力受到一定限制，且存在明顯的擠土效應。錘擊法施工存在振動影響大、噪聲污染嚴重、施工質(zhì)量控制難度高、沉樁順序受限及擠土效應嚴重等問題，傳統(tǒng)振動法沉樁施工具有環(huán)境擾動影響大、資源消耗嚴重、施工效率提升幅度有限等缺點，已不再適用于人口密度大、周邊環(huán)境復雜的城市核心區(qū)深基坑工程施工。

為了克服傳統(tǒng)施工工藝的諸多缺點，本工法擬采用高頻免共振沉樁施工技術(shù)。該技術(shù)利用高頻振動錘的高頻激振力使土體液化，分節(jié)打設(shè)鋼管樁；由于振動錘的振動頻率避開了土體振動頻率，避免了因共振對周邊土體造成的不良影響，同時由于其施工精度較高，有利于形成高精度連續(xù)止水結(jié)構(gòu)。鋼管樁免共振沉樁工藝具有低噪聲、無共振、無擠壓土體、施工垂直度高等優(yōu)勢，極好地解決了城市建設(shè)環(huán)境保護難題，可真正實現(xiàn)高效率、低擾動、綠色化沉樁施工。

3.2 動態(tài)跟蹤止水功能設(shè)計

為了提高連續(xù)鋼樁墻止水效果，本工法在鋼管樁兩側(cè)設(shè)置了多功能陰陽鎖扣以形成集擋土、止水功能為一體的連續(xù)鋼樁墻。該技術(shù)不僅通過特制鎖扣增加了地下水的繞流路徑，通過物理技術(shù)（如鎖扣咬合）減少了基坑滲水量；同時將陽鎖扣設(shè)計為圓形截面注漿管，焊接于鋼管一側(cè)，注漿管內(nèi)設(shè)置2個阻塞器，阻塞器可在注漿管中自由移動，根據(jù)需要將漿液限定在注漿區(qū)域的任一段范圍內(nèi)，通過對土層由下往上進行定深、分層注漿，達到分段、重復注漿的目的；注漿主劑可采用水泥，也可根據(jù)工程需要結(jié)合水玻璃，或摻入其他附加劑。

本工法多功能陽鎖扣不僅增加了地下水的繞流路徑，滿足一般基坑的防滲水要求，而且對于防滲要求較高的基坑而言，可在鋼管樁施打就位后根據(jù)水文地質(zhì)情況，進行精確、往復、跟蹤防滲注漿，對于地下水的實時安全管控具有非常重要的借鑒意義。

3.3 低擾動拔樁施工技術(shù)

為了降低傳統(tǒng)鋼管樁拔出施工對周邊環(huán)境的二次附加擾動，本工法考慮在陰鎖扣連接段設(shè)置注漿管（圖2），在鋼管樁拔出施工過程中，進行邊拔樁邊注漿施工，該連接段空腔作為鋼管拔出時的漿液回灌通道，其底部設(shè)有封堵塞，當漿液壓力達到一定值時，封堵塞被沖出，為漿液進入拔樁空隙打開通道，以達到減少拔樁施工對周邊環(huán)境影響的目的。通過低擾動拔樁施工技術(shù)，在實現(xiàn)鋼管樁近接拔出施工的同時，可充分實現(xiàn)鋼管樁的可持續(xù)、循環(huán)利用，具有較好的社會、經(jīng)濟及環(huán)保效益[4-6]。

圖2 陰鎖扣連接段注漿回灌通道

4 結(jié)語

1）在深入分析傳統(tǒng)5～15 m深基坑圍護結(jié)構(gòu)施工工藝優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本文從提高施工效率、降低施工影響、減少工程廢棄物、可持續(xù)利用等角度出發(fā)，提出了一種適用于上海等軟土地區(qū)深基坑圍護結(jié)構(gòu)動態(tài)止水施工工法。

2）該工法在結(jié)合傳統(tǒng)鋼管樁機械式鎖扣連接止水的基礎(chǔ)上，融合動態(tài)注漿止水技術(shù)，提出了一種具有動態(tài)止水效果的新型鋼管樁連接方式，具有剛度大、強度高、應用范圍廣、擋土止水一體化、裝配施工效率高、動態(tài)跟蹤注漿效果好等優(yōu)點，非常適合富水軟土地區(qū)深基坑圍護結(jié)構(gòu)近接施工，符合我國現(xiàn)階段低擾動、綠色化、高效化、信息化的工程建設(shè)理念，市場前景非常廣闊，社會、經(jīng)濟及環(huán)保效益顯著。

綜上所述：中心城區(qū)軟土地層深基坑動態(tài)止水連續(xù)鋼樁墻施工工法彌補了傳統(tǒng)基坑圍護結(jié)構(gòu)施工工藝中的諸多不足，順應了我國大中型城市地下空間大規(guī)模開發(fā)建設(shè)的總體趨勢，為基坑工程近接微變形施工提供了更多的技術(shù)選擇，為相關(guān)技術(shù)的持續(xù)開發(fā)提供了非常重要的參考價值。