PHC管樁應用于深基坑工程局限性實踐探析

陳淑芳

(福建省水文地質工程地質勘察研究院 福建漳州 363000)

0 引言

預應力管樁具有單樁承載力高、施工速度快、工程造價低、不污染周圍環境等優點，被廣泛應用于基礎工程中，以承受豎向荷載為主。而在基坑支護工程中，圍護樁主要承受土體水平作用力，這就要求樁身具有足夠的抗彎能力，如何將傳統管樁的優點應用在基坑支護工程中，同時克服自身抗彎性能不足的缺點，成為一項極具價值的研究[1]。

基于此，本文以福建漳州港某深基坑工程為例，通過設計方案的比選、設計與工程實際應用效果幾個方面，探討預制管樁在深基坑工程中的應用及其局限性，為類似工程提供經驗參考，并對管樁生產、設計應用等環節提出建議，擴大管樁在基坑工程中的應用范圍[2]。

1 工程概況

1.1 項目概況

該工程位于漳州市招商局漳州開發區，擬建地下室大部為二層地下室，局部一層地下室，其中負一層地下建筑面積約38 000m2；負二層地下建筑面積約29 000m2。基坑開挖深度二層地下室為8.0～9.6m；一層地下室為4.1m～7.2m。

1.2 地質概況

根據該工程地勘報告，基坑支護影響范圍內巖土分層如下：①雜填土，②淤泥，③粉質粘土，④土狀強風化花崗巖。上層滯水穩定水位埋深為3.12m～4.95m。擬建場地地貌類型屬于殘坡積臺地和沖洪積階地的過渡地帶，原為沿海養殖場，整體呈北高南低趨勢，通過回填厚2.0m～9.0m，平均為6.73m雜填土后整平而得，雜填土主要成分為塊石、碎石和粘性土等，塊石、碎石等硬質物含量約占60%～90%。塊石、碎石粒徑一般為10cm～30cm，最大可達100cm以上，雜填土以下有淤泥等軟弱土層，地質條件較復雜。

2 主要基坑支護技術問題

(1)擬建場地位于南濱大道以南，寨山六路以東，寨山五路以西，除南側為該工程的二期用地外，其它各側基坑邊坡頂邊線均受已建成的道路限制，而地下室開挖深度較深，基坑如出現較大變形將嚴重影響到周邊道路及埋設于道路下管線安全。

(2)由于該工程的地質情況較復雜，基坑開挖面積較大，深度較深，雜填土層較厚，且塊石、碎石等硬物質含量約占60%～90%，在這種硬物質含量很高且厚的地層中鉆孔、成樁普遍存在成孔難、易塌孔等技術難題，且基坑底部有軟弱下臥土層、水位較淺等不利條件，基坑支護結構作為臨時設施又要比較經濟，這對該基坑工程設計和施工都提出嚴峻的挑戰。

3 基坑支護設計

3.1 設計方案比選

與該工程類似的基坑工程中，漳州地區運用較多且可行的支護體系方式主要有以下幾種：

(1)排樁+內支撐

優點是：技術成熟，超前支護，基坑開挖對周邊建(構)筑物影響小，可靠性高。缺點是：工程造價高，工期長。該基坑同時存在一層地下室與二層地下室，基坑深度差別較大，面積大且不規則，支撐體系布置困難，選用此方案成本高且設計困難。

(2)沖(鉆)孔灌注樁+錨索

優點是：施工技術成熟，樁直徑、樁長、配筋率可靈活調配，適用各類地層，抗彎強度可很好得到保證。缺點是：工程造價高，場地內存在較厚雜填土，硬物質含量高，沖(鉆)孔灌注樁成孔、護壁困難，易形成夾泥層、蜂窩、空洞等病害，造成樁身質量隱患；另外，鉆孔中需制備大量泥漿，也不利于環保[3]。

(3)PHC管樁+錨索

優點是：與灌注樁相比，PHC管樁具有能夠批量生產、施工速度快、造價相對較低、不產生泥漿等特點。缺點是：管樁對地質條件要求較高，不適合應用在含有大塊石的雜填土、堅硬土層和風化巖等地質條件下，受抗彎強度、樁長限制，其支護深度一般不大。而該工程場地內存在較厚且塊石含量較高的雜填土， 若想采用管樁作為圍護樁，必須先將上部填土挖出才能進行管樁施工，或者采用引孔施工，但是引孔造價相對較高，價格優勢不明顯。

綜上分析：該工程地質情況較復雜，基坑開挖面積較大，深度較深，基坑工程設計時考慮到各坑段的地質情況、周邊條件和施工可行性，若在基坑東、西、南側采用第二種方案進行支護，測算造價約為2500萬元；若采用第三種方案，其預算造價約為230萬元。從經濟合理性及類比周邊基坑設計施工經驗，且考慮到基礎工程樁采用管樁，最后確定采用第三種方案。具體支護方案：在圍護樁施工前，先將上部雜填土挖除，再分別采用管樁+錨索、土釘墻、分級放坡等多種支護形式配合。該方案既可大大節約工程造價、節省工期、保證工程質量，又可不干擾土方開挖與地下室施工。具體基坑支護平面布置如圖1所示。

圖1 基坑支護平面布置圖

3.2 支護方案的主要設計思路及設計特色

(1)由于雜填土層較厚，且塊石、碎石等硬物質含量約占60%～90%，施工前先將水位以上的雜填土挖除，然后在基坑底部周邊挖排水溝和集水坑排水，擬在打排樁的樁位處提前挖出塊石，按設計坡度進行刷坡和噴射砼護面施工，利用南側二期用地修設坡道，使打樁施工設備能進入到基坑內施工，以最大限度地減少在雜填土層中的打樁成本。

(2)為使預應力管樁的抗彎強度能滿足抵抗土壓力，控制土體變形的要求，基坑支護工程在支護管樁頂部設置一層預應力錨索，局部剖面設置兩層預應力錨索，由于冠梁標高以下仍有2m～3m雜填土層，因此該基坑支護設計建議采用空氣潛孔錘偏心跟管鉆具跟管鉆進到雜填土以下地層，然后再用普通的鉆孔設備施工，有效地解決了雜填土層中施工預應力錨索時無可避免的成孔難、易塌孔等技術難題。

(3)在硬物質含量高的雜填土中施工攪拌樁、旋噴樁等常規的樁間土支護方法，基本上是不可行的，基此，該基坑支護工程采用注漿錨管土釘墻作為樁間擋土支護形式，同時用泄水管將填土層中少量的滯水引出，并通過排水溝排掉，給樁間土的支護和排水探尋到一個比較可行的方案。

3.3 典型剖面計算

3.3.1設計方案簡介

該工程的主要支護剖面——6-6剖面為例進行計算分析，支護剖面如圖2所示，基坑支護方案如下：

圖2 典型支護剖面圖

(1)基坑上級放坡高度為5m，坡比為1∶1.0，坡面內掛14#2″×2″鐵絲網，表面采用厚度為50mm的C20噴射混凝土護面。

(2)圍護樁采用PHC500-100-AB管樁，樁間距為900mm，樁長為10m。

(3)拉錨結構采用注漿預應力錨索，鉆孔直徑110mm，錨桿體采用φ15.2的全粘接鋼絞線，豎向設置兩排，第一排設置在冠梁上，第二排在錨索錨頭處設置20#槽鋼拼接腰梁，距第一排豎向間距為2.60m，錨索橫向間距為2.70m。

(4)管樁內采用C30無收縮細石混凝土填芯，填芯長度不小于2m。

(5)樁間土設置一排錨管φ48×3.0，豎向間距為1.50m，長度為2.0m，坡面內設φ8@200×200鋼筋網，表面采用C20噴射混凝土，厚度為100mm。

3.3.2設計方案計算

基坑支護設計計算，采用北京理正軟件設計研究院的深基坑支護結構軟件F-(SPW7.0版)，計算參數如表1所示。

表1 巖土體基坑支護計算參數表

開挖至坑底后，計算結果如圖3內力位移包絡圖、表2內力取值表所示。

圖3 內力位移包絡圖

表2 內力取值表

3.3.3PHC管樁設計

從圖3及表2可看出，排樁最大位移為15.72mm，根據工程經驗，滿足要求；樁身最大彎矩Mmax=106.53kN·m(取內力設計值)，根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)：PHC500-100-AB型管樁的抗裂彎矩檢驗值Mcr=121kN·m，極限彎矩檢驗值Mu=200kN·m，該樁Mmax=106.53kN·m

4 施工效果及監測結果分析

該工程自2013年12月初開始開挖上級土方，至2014年3月下旬基坑土方開挖完成，歷時約4個月，合計開挖土方約310 000m3。因土方開挖、工程樁施工、基坑支護等工序能穿插進行，一定程度上縮短了施工工期。

至2014年12月20日基坑土方回填完成，經專業的監測單位對工程基坑的變形進行監測，坑頂最大累計水平位移量25mm，樁身最大累計水平位移量15mm，最大累計沉降量5 mm，均未超出預警指標；各個監測點的錨索拉力都未超過其軸向拉力設計值，滿足相關設計與規范要求。從基坑變形監測結果看，該基坑在土方開挖及基坑使用期間總體穩定，未出現過基坑險情。

5 管樁作為基坑圍護樁的局限性及改進方向探討

(1)受管樁施工工藝的限制，管樁對地質條件要求較高，如若應用在含有大量塊石的雜填土層、堅硬土層和風化巖等地質條件下，存在穿透力弱、易爆樁等缺點，但該工程實踐表明，該缺點并非不可克服。該工程場地內存在較厚的硬物質含量高的雜填土，采用先放坡開挖基坑，盡可能挖除雜填土中的塊石，再用錘擊方式施工管樁的方式，解決了管樁不適宜用在塊石占比較高的雜填土中的施工問題，放坡完局部還有2m～3m雜填土，可以利用挖掘機開挖清除塊石，然后采用錘擊樁也能較為順利地打入管樁，無需進行引孔。

(2)抗裂彎矩小是管樁在基坑工程中運用的局限性之一，該工程選用PHC500-100-AB型管樁，抗裂彎矩僅為121 kN·m，與灌注樁相比，管樁的抵抗彎矩過小，不適合應用于基坑深度較深，土壓力較大的工程，但該工程通過增設錨索降低管樁的樁身所承受的彎矩，這種樁錨支護方式是一種比較好的復合支護方法，選擇合理的復合支護方法，也是提高管樁在基坑工程中應用的有效技術途徑。同時，也可通過管樁樁芯補強技術，即利用管樁的內徑空間，在樁芯內現澆鋼筋混凝土，形成樁芯樁，與原管樁形成一個整體共同工作，從而提高管樁的抗彎強度。

市場上也存在抵抗彎矩較大的管樁，如預制高強鋼管混凝土管樁(SC樁)、混合配筋預應力混凝土管樁(PRC樁)等通過與鋼管結合或增加配筋等方式增強管樁的抗彎抗剪性能，但這幾種樁型在漳州地區的基坑支護工程中還不多見且價格上不占優勢。廠家應加強生產工藝技術創新，通過增加配筋和合理運用預應力等方式，生產出抗彎能力好又經濟的預應力管樁，從而促進其在基坑支護工程中的推廣應用。

(3)管樁的樁長受運輸條件限制，一般不超過15m，管樁接口一般不具備可靠的抗彎性能，所以就決定了管樁只能應用于基坑深度較淺的工程中，這也是管樁在基坑工程中運用的局限性之一。加強對管樁抗彎接頭的研究，可使其突破樁長的限制。管樁接頭機械連接技術現已推廣應用，該連接方式不僅可以傳遞壓力，也可承受彎矩、剪力及拉力；同時，也可配合管樁樁內填芯補強等方式提高接頭的抗彎抗剪性能，但機械連接接頭成本較高，且其是否能承受基坑水平荷載還有待今后研究試驗和工程實踐。

6 結語

通過不同支護形式的對比，結合該工程的實際應用及對管樁局限性的淺析，作出以下總結：

(1)基坑支護設計方案的選擇對工程造價的影響非常大，有時甚至會翻倍。基坑工程通過選擇合理的復合支護方案，可以取得很好的經濟效益，且能大大縮短工期。

(2)現階段預應力管樁在基坑支護工程的應用中，存在對地質條件要求高、抗彎能力較弱、樁長短且不適宜接樁等缺點，導致其只適用于深度較小的基坑工程中，適用范圍有很大的局限性。

(3)通過對管樁局限性的淺析，可以從以下方面進行改進，以促進預應力管樁在基坑工程中的推廣應用：①可以通過選擇合理的復合支護方式或采用樁芯補強技術等方式，從設計應用上調整方案，擴大管樁在基坑支護工程中的應用范圍；②管樁生產廠家應加強生產工藝技術創新，通過增加配筋和合理運用預應力等方式，生產出抗彎能力好又經濟的預應力管樁；③加強對管樁接頭的研究，從而突破樁長的限制，使管樁更好的運用于較深的基坑工程中。