預制高強混凝土薄壁鋼管樁在基坑支護中的應用

田 野 張 濤 陳 國 宋 志 柳 瑤 高 雨

1. 中建三局集團有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430070；2. 湖北中建三局建筑工程技術有限責任公司 湖北 武漢 430070

隨著國家對綠色建筑及建筑工業化發展要求的逐步提高，建筑工業化水平不斷提升，很多預制支護結構在基坑工程領域不斷發展。

預制混凝土管樁作為一種常規的工程樁也被引入到基坑工程領域，但預制混凝土管樁抗彎、抗剪能力有限，導致其在基坑工程中應用時往往不能滿足工程需要。

TSC樁，即預制高強混凝土薄壁鋼管樁，是在采用牌號為Q235B或Q345B的鋼板（鋼帶）經卷曲成形后焊接制成的鋼管內澆筑混凝土，經離心成形，混凝土抗壓強度不低于80 MPa，且具有承受較大豎向荷載和水平荷載能力的新型基樁制品[1]。

TSC樁的抗彎、抗剪承載力顯著提高，施工時穿透能力、抗錘擊能力強。作為一種新型支護結構，TSC樁的應用可擴展預制樁在基坑支護中的使用范圍，提高基坑支護預制化水平和現場施工文明程度，從而促進基坑工程領域建筑工業化的發展。

目前，TSC樁應用于基坑支護的研究主要是分析樁體工程力學性能及變化規律。

陳龍等[2]、富坤等[3]分析了TSC樁抗彎試驗與數值模擬結果，提出可采用有限元方法分析TSC樁的抗彎承載力。

陳輝[4]分析了TSC樁在超高層建筑基礎中的應用。趙升峰等[5]給出了預制混凝土管樁在基坑工程中的應用實例。

顏榮華等[6]、黃廣龍等[7]通過理論或試驗的方法，分析了預制樁受力或破壞機理，提出了預制樁抗彎或抗剪承載力計算公式。

為滿足建筑工業化發展的要求，預制支護結構在基坑工程中的應用越來越多，隨著基坑開挖深度的加大，預制管樁抗彎、抗剪承載力較小的缺陷成為制約工程應用的關鍵，TSC樁在基坑支護中的應用相對較少，其工程性能相較于傳統預制混凝土管樁顯著提高。本文以武漢剝蝕堆積壟崗地貌三級階地碎石土地層為背景，研究TSC樁在武漢碎石土地層中的應用，結合支護設計、監測結果，分析TSC樁支護特性，以期為類似工程提供借鑒。

1 TSC樁截面特性

TSC樁可分為Q235B的Ⅰ型和Q235B的Ⅱ型，截面外徑400～1 200 mm，壁厚90～150 mm，單節樁長一般為15 m，最大單節樁長可達40 m（圖1）。選取幾種典型TSC樁，其抗彎性能如表1所示。

圖1 TSC樁及其尺寸示意

表1 TSC樁抗彎性能

根據支護樁撓曲微分方程可知，彈性模量E和截面慣性矩I是影響基坑計算位移的主要因素，其中彈性模量E由樁體材料確定，截面慣性矩I由截面形狀決定。從TSC樁截面特性（表2）可知，TSC樁具有優于同等樁徑混凝土灌注樁的抗彎剛度，通過外包鋼板可提高樁體彈性模量，從而有利于TSC樁更好地減小基坑變形，提高支護的安全性。

表2 TSC樁截面特性

2 基坑方案設計

2.1 工程概況

背景工程位于武漢經濟技術開發區硃山湖以南，鄂江左線堤上路以北處。工程設置2層地下室，基坑開挖深度11.25 m，涉及TSC樁支護段長度約80 m，基坑距離紅線約11 m，紅線外為通行道路。結合周邊環境，考慮工程進度要求，擬對南側基坑采取TSC樁懸臂式支護。

2.2 地層參數

表3 巖土物理力學參數

2.3 支護結構計算

采用彈性土壓力理論，選典型支護剖面采用TSC樁作為豎向支護結構，樁徑600 mm，樁壁厚110 mm，鋼管厚10 mm，單根樁長15 m，間距1 m，基坑支護剖面如圖2所示。基坑重要性等級為一級，支護樁截面積為0.18 m2，慣性矩0.005 538 m4，樁間距1.0 m，樁頂放坡高4.25 m，支護樁懸臂7.0 m。根據周邊環境情況，地面超載取為25 kPa。經計算，得到內力及位移曲線如圖3所示。

圖2 基坑支護剖面示意

圖3 計算內力及位移

經設計計算對比（表4），TSC樁支護結構位移滿足地方標準規程[8]，所選樁型可滿足基坑支護內力及變形要求。

表4 TSC樁設計值

2.4 TSC樁抗彎試驗

為檢驗TSC樁工程特性，參照JG/T 272—2010《預制高強混凝土薄壁鋼管樁》[1]附錄G中抗彎性能試驗方法，開展TSC樁抗彎性能試驗，檢測樁型號為TSC-Ⅰ-600-110-10-15，試驗樁長8 m，試驗裝置如圖4所示。采用位移計和應變片測試跨中及距跨中0.5 m處的樁身變形與荷載，并計算得到支護樁受彎過程中的截面彎矩，試驗數據如圖5、圖6所示。結合試驗結果及支護結構設計中計算得到的彎矩值可知，計算彎矩僅相當于約樁身極限彎矩的30%，對應TSC樁最大樁體變形小于4 mm，樁身結構強度滿足使用要求。

圖4 試驗裝置

圖5 TSC樁抗彎試驗數據一

圖6 TSC樁抗彎試驗數據二

3 TSC樁施工

參照預制混凝土管樁，TSC樁可采用靜力壓樁法，或錘擊沉樁法施工，也可在水泥土攪拌樁中采用自沉樁法施工。

本工程所述基坑地層以老黏土或碎石土為主，地層強度高、壓縮性低，采用錘擊或靜壓難以達到沉樁深度。為此，結合工程實際情況，針對碎石土地層采用預引孔沉樁法施工，即先采用旋挖機進行預引孔施工，再采用振動錘進行沉樁施工（圖7）。為保證樁體與地層貼合密實，對于樁徑600 mm的TSC樁，預引孔直徑為400～500 mm，設計樁長15 m，預引孔深度5～10 m，預引孔尺寸根據地層情況進行調整。

圖7 TSC樁預引孔沉樁法施工

3.1 施工工藝流程

針對碎石土地層，采用預引孔沉樁法施工TSC樁，施工工藝流程為：施工準備→樁位放線→導槽開挖→預引孔施工→成孔檢查→樁架垂直度校核→錘擊沉樁施工→冠梁施工→土方開挖→基坑壁錨噴護面→開挖至基底。

3.2 施工準備

根據設計預制高強混凝土薄壁鋼管支護樁型號，向廠商訂購并運至現場。正式使用前，按規范對TSC樁外觀尺寸、允許偏差、抗彎性能等進行檢驗，達標后方可使用。為保證施工機械正常行走，應對施工作業面進行整平、硬化或鋪設碎石。為更好地控制樁位，在測設樁位時可設置導槽。

3.3 預引孔

采用引孔鉆機進行預引孔施工，引孔孔徑小于設計孔徑100～200 mm，引孔深度一般不超過基底。根據后期沉樁難易程度調整引孔孔徑和深度，并盡量減少引孔施工，降低對土體的擾動。

3.4 沉樁

利用吊車或錘樁機中的卷揚機將TSC樁吊起，對準樁位，將樁體插入土中一定深度。校正樁位和樁身垂直度后，開始錘擊沉樁施工。樁頂沉樁至接近地面時，可采用專用送樁器將樁體錘送至設計標高。

3.5 冠梁施工

TSC樁與冠梁的連接如圖8所示。在設置托板及放入鋼骨架后，先澆灌樁頂設計標高以下的填芯混凝土。澆灌填芯混凝土前，應將樁內壁雜物清除干凈。澆筑用混凝土可采用微膨脹混凝土，且混凝土強度等級不得低于冠梁混凝土強度等級。填芯混凝土鋼筋骨架在頂部向冠梁內彎折，錨入冠梁的錨固長度按相應規范取值。

圖8 TSC樁與冠梁連接構造示意

4 實施效果監測

為驗證支護效果，在TSC樁支護段外側土體中設置測斜管，測斜管直徑75 mm。實測支護樁開挖至基底工況下，樁身位移結果如圖9所示。監測結果顯示，支護結構位移最大值為23.31 mm，最大位移發生在樁頂，位移控制效果基本可滿足規范規定及工程實際要求。

圖9 TSC樁支護開挖至基底實測位移

5 結語

本文以武漢剝蝕堆積壟崗地貌三級階地碎石土地層為背景，研究TSC樁在基坑支護中的應用，結合支護設計與施工及基坑監測結果，分析TSC樁支護特性。根據相關分析，得出如下結論：

1）TSC樁具有較好的抗彎剛度和較強的抵抗彎矩特性，通過工廠化制造，可提高樁體質量，并有利于加快施工進度、提高現場文明施工水平。

2）在老黏土或碎石土地層中，可采用預引孔沉樁法進行TSC樁施工，即采用旋挖鉆機預引孔，減少地層阻力，再采用振動錘擊方法將TSC樁下沉至設計標高。通過該方法的使用，進一步拓展了TSC樁的地層使用范圍，提高了基坑支護預制化水平。

3）通過樁體及土體測斜管監測，基坑位移滿足周邊環境及支護結構位移控制要求，達到了較好的支護效果，可為類似工程提供一定的借鑒。