預制混凝土板樁與型鋼復合結構在坑中坑支護中的創新應用

劉茂林 周 莉 陳騰龍 周星中

1. 廣城建設集團有限公司 浙江 溫州 325000；

2. 華地恒工程咨詢有限公司 浙江 溫州 325000

近些年來，隨著地下空間工程的不斷開發，超大超深基坑不斷涌現，其中不乏大量的坑中坑基坑[1-4]。坑中坑部位一般是基礎中的電梯井、集水井或基礎設備等附屬結構所在，其標高一般比大面基礎低2～3 m（也有不少超深坑中坑的案例，如上海環球金融中心工程[5]、武漢中心大廈工程[6]等的坑中坑降深均超過了6 m）。這些坑中坑的存在導致基坑坑底不再是簡單的平面，給基礎施工帶來了一定的復雜性，在基礎支護設計時必須考慮到這一點。對于坑中坑基坑的設計，吳銘炳等[7]認為其設計難點在于基坑計算深度的取值，忽視坑中坑影響，勢必會使設計偏于不安全；而若取坑中坑的最大深度，則將使設計過于安全，造成造價浪費。為此，吳銘炳等在文章中進一步總結了不同基坑工況下的計算深度取值經驗，并強調了信息化施工之于施工安全的必要性。

基坑的支護結構一般是臨時性的結構物，在保證施工安全的前提下，盡可能地節省支護措施費用是一個必須考量的問題，因此，要強調合理設計，對于坑中坑的設計，亦不例外。鄭定芳等[8]根據基坑的坑中坑深度和地質條件，分別對水泥攪拌樁、松木樁加內支撐、鋼板樁加內支撐以及其他形式的支護等進行了介紹，認為針對不同的工程條件，應因地制宜地選擇安全可靠、經濟合理的支護形式。張威[9]總結了坑中坑設計時應考慮的各種因素，列舉了幾類坑中坑支護形式的設計案例，并討論了這些支護方案的特點與適用條件。

在具體的基坑支護形式方面，近些年出現了一些新型的支護手段，相關學者專家等也進行了相關研究。如在三軸深層攪拌樁里內插預應力管樁的雙排PCMW工法樁[10]、HUC組合鋼板樁[11]、PC工法組合鋼管樁[12]等。本文在上述相關支護形式研究的基礎上，根據案例工程的實際特點，考慮施工進度與安全因素，通過幾種新型支護設計方案的整體比選，最終確定出一種適用于坑中坑支護施工的新型支護方案—預制混凝土板樁與型鋼復合結構，并在工程實踐中成功應用，取得了良好的綜合效益，值得在業內推廣介紹。

1 工程概況

杭州運河中央公園（二期）項目工程主要包括1個1 200座的通用劇院和1個400座的多功能小劇院，項目總用地面積約 86 000 m2，總建筑面積約69 000 m2。工程場地的自然地面相對標高約為－2.80 m，基坑大面的開挖深度約為9.7 m。該工程新穎的結構體系和優美的建筑外觀，將成為橋西版塊地標性建筑。

本工程由于集水井、電梯井等建筑功能設置所形成的坑中坑總計共44個，坑中坑的坑底降深為1.5～2.2 m，其中的38個坑中坑均采用放坡開挖，其余6個坑中坑位于基坑西北段，由于該區第2層土層為淤泥質黏土或淤泥層，土質很差，故需考慮支護，需支護的坑中坑具體情況如表1所示。

表1 6個坑中坑具體情況

2 坑中坑施工難點

1）工程量大，工期緊。本工程地下室總面積為50 522 m2，合同要求在200 d內所有建筑物結構完成至±0 m，工期緊、任務重，須保證坑中坑的施工進度。

2）地質條件差，施工風險大。本工程基坑開挖深度9.7 m，需要支護的坑中坑深度為2.2 m，坑中坑位于淤泥質黏土或淤泥土層，支護處理措施不當，坑中坑的側壁易產生滑移和坍塌，會使主體結構的工程樁產生側移，從而危及整個基坑的安全。

3）傳統支護方案的適用性不強。對于坑中坑部位的施工，基坑圍護設計師一般會設計傳統的坑中坑圍護體系，如水泥攪拌樁、鉆孔灌注排樁、復合土釘墻、拉錨式等支護形式，但上述傳統支護的施工工藝復雜，工期將會延長，影響工程整體進度。

根據以上分析，本工程坑中坑采用傳統工藝施工的工期和安全性均較難得到保證，因此，為保證工程的安全順利進行，并完成預期節點，必須創新研發一種新的坑中坑支護形式。

3 幾種新型支護方案的比選分析

3.1 方案1：板樁＋水泥攪拌樁方案

采用板樁＋水泥攪拌樁方案時，樁與樁間通過水泥攪拌樁咬合連接，板樁與水泥攪拌樁結合部位強度高，轉角處可通過水泥攪拌樁連接，具有一定的強度，如圖1所示。

圖1 板樁＋水泥攪拌樁方案

該形式的板樁插入水泥攪拌樁中部，板樁施工定位要求高，但水泥攪拌樁整體性連接較好。同時，該方案的施工工藝復雜，需要先進行水泥攪拌樁施工，再用挖機進行板樁插入施工，使用輔助機械比較多，施工工時較長；另外，板樁轉角部位難以控制，板樁與板樁之間連接的剛度小，易發生位移變形。

3.2 方案2：異形預制板樁方案

采用異形預制板樁方案時，板樁與板樁之間通過尖角凸起插槽固定連接，實際上難以完全咬合，轉角處難以有效連接，如圖2所示。

圖2 “π”形預制板樁方案

該形式的板樁垂直度難以控制，現場施工成形難度大。板樁形狀奇特，支模復雜，容易產生局部尺寸偏差，導致2塊板樁之間不能正常咬合連接。板樁轉角部位難以控制，板樁與板樁之間連接的剛度小，極易發生位移變形。

3.3 方案3：復合結構方案

采用復合結構方案時，板樁與板樁之間通過工字鋼固定連接，施工時便于咬合連接，轉角處通過工字鋼與C型鋼組合固定，連接牢固，如圖3所示。

圖3 預制混凝土板樁與C型鋼復合結構支護方案

通過特制定位裝置，該支護形式可以較好地控制板樁施工垂直度，現場挖機施工便捷、成樁整齊。板樁形狀簡單，支模容易，所用型鋼材料也容易就地取材。通過型鋼固定連接，剛度大、抗傾覆力強，不易發生位移變形。

本工程結合施工安全性、經濟性、可以量產的適用性以及對文明施工的影響等因素，對3個方案根據其優缺點逐一分析論證，并認為：方案1的施工速度最慢，垂直度控制差，使用壽命短，工序復雜，美觀性與協調性較差，同時成本較高，安全性也一般，故不予采用；方案2雖然工序較為簡單、成本也較低，但施工速度較慢，垂直度控制差，使用壽命較短，美觀性與協調性差，且安全性較低，故也不予采用；方案3施工速度較快，垂直度控制好，使用壽命長，工序簡單，美觀性與協調性好，同時成本適中，安全性高，故最后確定該方案為最優方案。

4 復合結構施工工藝要點

4.1 預制構件設計、連接方式確定

對于板樁形狀的選擇，考慮異形板樁結構的制作工藝復雜，節點連接剛度低，而規則的矩形形狀的制作簡單，最終選擇正規矩形板樁。對于板樁之間連接方式選擇，提出2種對比形式，如表2所示。

表2 板樁與板樁連接形式比對

通過對板樁連接方式剛度、強度等方面的討論，最終決定采用型鋼組合板樁的連接方式。該連接方式強度高、變形小、堅實耐用、施工方便、利于現場實施。工藝流程為：清理地面→綁扎預制板樁鋼筋→安裝模板→澆筑預制板樁→拆模并養護→測量放線→吊裝定位→預制混凝土板樁與型鋼復合結構施工→坑內土方開挖→水泥砂漿飾面→下一道工序。

4.2 現場進行板樁的澆筑預制

1）由于預制板樁形狀標準，故規格可以統一為160 mm×800 mm×4 500 mm，支模方便，模具也可重復循環使用，可以一次成形。

2）頂部鋼筋設置一定尖角坡度形狀，并且在端部與頂部分別設置鋼筋加密區，增強預制板樁整體剛度，提高坑中坑圍護的整體安全性（圖4、圖5）。

圖4 預制板樁鋼筋模板

圖5 制作預制板樁

3）轉角部位的型鋼，采用工字鋼與C型鋼焊接連接（圖6），提高預制板樁在轉角部位的強度。

圖6 轉角工字鋼與C型鋼組合焊接

4.3 支護結構施工

在平整場地預制完成板樁構件（圖7）后，先在現場進行測量放線，并按放線點位于坑中坑四周邊沿開挖定位導溝，以利于板樁的準確定位。在該定位導溝內配合特制的定位支架進行組合支護結構的插入施工，本工程特制的定位支架如圖8所示，現場吊裝如圖9所示。

圖7 成品預制板樁

圖8 特制定位支架示意

圖9 預制板樁吊裝示意

在基坑內進行板樁插入施工時，先將預制板樁垂直吊裝至特制定位支架上的2個定位板間（間距與板厚匹配），再采用現場挖機將預制板樁和相應的型鋼壓入圍護土層中，通過型鋼將預制板樁連為整體的板墻。預制板樁與導溝間則通過上述特制的定位支架進行固定，可以保證板樁的施工垂直度和側向偏移度，最后進行冠梁（壓頂梁）的施作及板樁內壁水泥砂漿飾面，如圖10、圖11所示。

圖10 預制板樁成樁示意

圖11 預制板樁現場成樁

本工程西北段的6個坑中坑挖深為1.5～2.2 m，經對板樁預制長度以及配筋等的計算，且完成試件制作后，通過組裝后破壞試驗，證明組合圍護結構滿足使用要求，因此現場可不設置支撐。同時，綜合考慮工期、安全性以及施工成本等因素，本工程中的板樁與型鋼未做拔除處理。

4.4 實施效果

本工程共有6個電梯井坑中坑，采用預制混凝土板樁與型鋼復合結構進行支護施工后，與傳統水泥攪拌樁圍護做法相比，可節約18個工時，成本從傳統的97 545.6元減少到39 877.4元。預制混凝土板樁與型鋼復合結構在坑中坑圍護施工中的成功應用，為本工程創優目標的實現打下了堅實的基礎。預制混凝土板樁利用混凝土余料制作，符合國家綠色施工“四節一環保”要求，在項目檢查中得到監理和建設方的一致好評。

該預制混凝土板樁與型鋼復合結構支護形式的做法，可以達到簡單、快速、安全、經濟效益明顯的效果，且能利用混凝土余料，符合國家倡導的綠色施工、降耗減排的政策要求，在建筑工程標準化施工中具有良好的推廣應用前景。

5 結語

隨著城市用地的日益緊張以及城市更新產業的迅速發展，在我國的建筑深基坑施工領域，“深、大、緊、近、群”的特點[13]將會越來越突出，帶有各種大小不一、深淺不同的坑中坑的深基坑工程已是業內常態。針對新的工況條件和制約因素，相應的基坑支護設計形式也不斷得到發展與改進，并出現了更合理、安全性更高、適用性更好的新型支護形式，本文所介紹的預制混凝土板樁與型鋼復合結構就是其中之一，其板樁在現場整體預制而成，通過工字鋼將2塊預制板樁依次連接起來，施工便利性與支護剛度可以同時得到保證，轉角處則通過工字鋼與C型鋼的簡單焊接即可完成連接，操作便捷，安全性高，適用性好。

基坑內部的坑中坑施工對整個基坑工程的安全和進度有著重大的影響，支護處理不當，可能會引起基坑側壁的滑移與坍塌，選擇合理的坑中坑支護形式對工程造價、進度、質量與安全等均有相當程度的影響，因此，對于其支護形式的研究具有重要的實際意義。本文提出的預制混凝土板樁與型鋼復合結構支護技術，在工程案例中得到了成功實施，具有較好的推廣借鑒價值。