預制鋼管樁圍護結構應用研究

饒 倩

（上海黃浦江越江設施投資建設發展有限公司，上海市 200093）

0 引言

隨著我國經濟的發展，城市化進程的加速，在土地資源日趨緊張的今日，利用或改造地下空間迫在眉睫。

目前，地下空間的開發多集中在淺層空間（地下0～15 m），主要采用明挖法和非開挖工法實施。明挖法具有工藝成熟、適應性強等優點，當基坑開挖深度不深時，應用廣泛。

常見的基坑圍護體系有鋼板樁、鉆孔灌注樁、型鋼水泥土攪拌樁（SMW）、地下連續墻等結構。鋼板樁具有輕型、施工速度快的特點，基坑施工結束后可拔除，循環利用性好，但剛度較小，變形大，一般適用于開挖深度不大、周邊環境保護要求不高的基坑工程；型鋼水泥土攪拌樁即為受力結構，又做隔水帷幕，內插型鋼可回收，軟土地區開挖深度一般不大于13 m，且施工機械平面尺寸大、高度高，對施工場地有較高要求；鉆孔灌注樁適用性廣、工藝簡單、噪聲小、不存在擠土效應，但環保性較差，會成為地下障礙物，不利于城市地下空間的全方面開發；地下連續墻適用于于開挖深度較大、對環境保護等級要求高的基坑工程，墻體剛度大、施工安全性高，通常在其他圍護結構無法滿足要求時采用，但工程費用巨大。

因此，很有必要研制一種快速施工、綠色環保、滿足多種要求的基坑圍護結構。近年來，一種新型圍護結構——鋼管樁，由于其承載能力大、規格多、樁長易調整、循環利用浪費少、施工速度快等諸多優點，在各種工程中得到了應用：寶蘭客專王家溝隧道飽和黃土軟弱地基加固措施[1]即采用鋼管樁加固。

為此，有必要從承載性能、工程可行性等角度研究鋼管樁的特點，可為相似工程所借鑒。

1 工程概況

本文以上海市武寧路快速化改建工程為背景，擬開挖基坑工程為10 m 寬、10 m 深條形基坑，共設兩道支撐：第一道鋼筋混凝土支撐：800 cm×800 cm，第二道鋼支撐規格：D 609×16。

由上至下依次發育的土層為：①1-1雜填土、②1褐黃～灰黃色粉質黏土、②3-1灰色黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、③灰色淤泥質粉質黏土、④灰色淤泥質黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉質黏土、⑥暗綠～草黃色粉質黏土、⑦1草黃～灰黃色粉砂、⑦2灰黃～灰色粉砂、⑧1灰色粉質黏土、⑧2-1灰色粉質黏土夾粉土。相關力學參數及層厚見表1。

表1 土層參數表

為研究比較各種圍護結構的差異性，本文選取三種圍護結構做比較：預制鋼管樁（φ1 m×20 mm）、鉆孔灌注樁（φ1 m）、型鋼水泥土攪拌樁（密插型鋼HN 700×300×11×24）。

2 圍護結構模擬分析

2.1 有限元計算軟件

本次數值模擬采用M idas-GTS（-NX）[2]軟件進行分析。GTS-NX（New experience of Geo-Technical analysis System）是一款針對巖土領域研發的通用有限元分析軟件，可進行二維和三維的有限元模擬分析，全方位真實模擬多種施工工況。

2.2 力學參數及本構模型選取

圍護結構、混凝土支撐及鋼支撐等結構，一般處于彈性受力狀態，本文采用各向同性彈性模型模擬[3]。

描述土體的本構模型（應力-應變關系）有很多：摩爾庫倫模型、DP 模型、HS 模型[4]等，其中，HS模型為等向硬化彈塑性模型，可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，采用MC 破壞準則，適合于對多種土類的破壞和變形行為的描述。本文根據上海地區多為軟土以及基坑開挖卸載等特點，選取HS 模型作為土體的本構模型，如圖1 所示。

圖1 HS 模型應力-應變關系圖

圍護、支撐等結構及土體力學參數及本構模型見表2。

表2 各結構參數及本構模型表

2.3 施工工況

為降低不同變量影響，本文分析的不同圍護結構僅類型及直徑不一致（水泥土攪拌樁不考慮水泥土受力），圍護結構樁長、支撐、開挖埋深等均相同。

基坑開挖模擬步驟如下：

步驟1 如圖2 所示，土體自重應力平衡；

圖2 土體應力平衡

步驟2 如圖3 所示，分別施做不同圍護結構；

圖3 施做圍護結構（鋼管樁為例）

步驟3 如圖4 所示，開挖至第一道支撐底，施做第一道混凝土支撐；

圖4 開挖，架設第一道支撐

步驟4 如圖5 所示，開挖至第二道支撐底，施做第二道鋼支撐；

圖5 開挖，架設第二道支撐

步驟5 如圖6 所示，繼續開挖至坑底。

圖6 開挖至坑底

2.4 模型建立

最終可建立三種圍護結構的有限元模型，如圖7至圖9 所示。

圖7 鋼管樁有限元模型圖

圖8 鉆孔灌注樁有限元模型圖

圖9 型鋼水泥土攪拌樁有限元模型圖

3 承載性能分析

從圍護結構的水平變形、地表沉降、支撐內力三個方面出發，分析比較不同圍護結構的承載性能。

3.1 圍護結構水平變形

基坑圍護結構水平變形受結構剛度影響較大，通過軟件計算得到圍護形式的水平位移分布圖，如圖10 所示。

圖10 圍護水平位移對比圖（單位：mm）

從圖10 可以看出，各類圍護結構基本呈現拋物線形的變形形態，坑底附近水平位移達到最大值；且鋼管樁的水平位移最小，并不會導致圍護結構水平位移的增大。

從墻體水平位移角度考慮，鋼管樁能滿足相關水平位移控制要求。

3.2 支撐內力

圍護結構剛度大，則支撐所受內力相對較小；圍護結構剛度小，則支撐所受內力較大。為此，所選圍護結構必須確保支撐的安全可靠。通過計算得到，不同圍護結構兩道支撐所受軸壓力大小見表3。

表3 支撐軸壓力

從上表可以看出，鋼管樁圍護結構并不會導致支撐內力的突變，不論混凝土支撐、鋼支撐，內力均無明顯變化。在采用鋼管支撐時，只需按照普通支撐設計方法設計即可確保安全可靠。

3.3 地表沉降

受基坑開挖影響，坑外地表會發生沉降。若所選圍護結構導致地表沉降過大，就會導致周邊建筑物發生傾斜，甚至倒塌等問題。因此，有必要研究鋼管樁對地表沉降的影響，即研究坑外地表沉降曲線分布。

根據工程實踐經驗，沉降曲線分為凹槽形和三角形沉降[5]。通過有限元軟件計算得到，不同圍護結構的坑外地表沉降曲線，具體如圖11 所示。

圖11 坑外地表沉降對比圖（單位：mm）

從上圖可看出，不同圍護結構的坑外地表最大沉降發生位置離基坑水平位移約0.7H（基坑開挖深度）～0.8H；若采用鋼管樁圍護結構，坑外地表最大沉降可比SMW 減小約70%，比鉆孔灌注樁減小約20%，采用鋼管樁圍護結構并不會導致坑外地表沉降增大。

因此，從坑外地表沉降角度考慮，鋼管樁能夠滿足相關控制要求。

4 工程實施性

4.1 施工高效性

施做鉆孔灌注樁圍護結構時，需要進行綁扎鋼筋籠、挖孔、吊裝、澆筑混凝土、止水帷幕施工等多個施工步驟，工序較繁瑣，施工效率相對較低；施做SMW 工法樁時，需要進行重復攪拌、插入型鋼、等待漿液硬化等施工步驟，施工效率并不太高。

相對而言，預制鋼管樁是一種更加快速、更加經濟的選擇，在江浙滬中已得到大量應用，如圖12 和圖13 所示。

圖12 預制鋼管樁

圖13 圍護結構施做圖

杭州阿里巴巴西溪園區四期項目，采用了鋼管樁作為圍護結構，由ICE 公司的416L 型液壓振動錘施工插拔，實現了幾分鐘打入一根鋼管樁的施工效率。

預制鋼管樁之間存在鎖扣，可通過內插鋼板樁，實現圍護止水的效果，并不需要另外施做止水帷幕，如圖14 所示。

圖14 鋼管樁與鋼板樁連接圖

因此，采用預制鋼管樁在施工技術上是可行的。

4.2 綠色環保性

鉆孔灌注樁圍護結構由鋼筋混凝土組成，會永久地遺留在地下，若未來地下空間規劃變更，會成為影響后續建筑物施工的障礙物，不利于地下空間的可循環利用，綠色環保性較差；SMW 工法樁內插型鋼可拔除以重復利用，相對較綠色環保，但在施工過程中需要大量泥漿，而施工場地的泥漿處理往往難以達到文明施工的要求。

施做預制鋼管樁圍護結構時，可通過拔除預制鋼管，實現盡可能降低對后期建筑物的影響，并可達到反復利用、降低造價的目的；且整個施工過程中基本不存在泥漿濕作業，更容易達到文明施工的目標。

4.3 質量可控性

鉆孔灌注樁以及SMW 工法樁均需在施工現場完成，施工質量不易保證，且在地下成樁，無法檢驗施工質量。預制鋼管樁可在工廠內加工，施工質量易于保證，且加工效率最高。

5 結語

通過有限元分析以及工程實例研究，得出以下結論：（1）預制鋼管樁在承載性能上可行，鋼管樁圍護在圍護結構水平變形、支撐內力、地表沉降三個方面的性能與普通圍護無明顯差異；（2）預制鋼管樁在工程實施性上具有較好的優勢：施工快速高效、綠色環保、質量可控、易于加工。預制鋼管樁能較好地滿足工程需求，是一種安全可靠、綠色環保、施工快速的圍護結構。