宋 杰

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

國內(nèi)城市軌道交通明挖深基坑圍護(hù)體系主要由圍護(hù)樁（墻）、支撐、腰梁、中間立柱等部分組成。支撐及腰梁等主要采用鋼構(gòu)件，大部分已實現(xiàn)預(yù)制拼裝化。圍護(hù)樁（墻）則主要以地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、鉆孔咬合樁、型鋼水泥土攪拌樁（SMW）等為主，其共同缺點是：工廠預(yù)制化程度偏低，以工地現(xiàn)場施工為主，施工作業(yè)條件差；工程產(chǎn)生大量的噪聲、振動、揚塵，且廢料、廢棄泥漿等需要處理外運，影響城市環(huán)境；鉆孔、鋼筋籠制作等施工場地面積大，施工進(jìn)度慢，工程造價高等。因此，有必要開展城市軌道交通深基坑圍護(hù)樁預(yù)制化方面的研究。目前，國內(nèi)預(yù)制樁主要有方樁、管樁等類型，大都應(yīng)用于民建及橋梁基礎(chǔ)工程中，在深基坑工程中應(yīng)用很少，僅在天津、連云港等個別地區(qū)民建基坑中有過實際應(yīng)用。這些實施案例以開挖深度 5m 左右淺基坑為主，地質(zhì)條件多為軟土地層，樁型大多采用預(yù)應(yīng)力高強混凝土空心管樁（PHC），或在SMW 工法樁內(nèi)插小截面方樁。個別案例最大開挖深度達(dá) 10m，采用密排大截面方樁加內(nèi)支撐體系。城市軌道交通基坑工程開挖深度大多在 9～20m，且周邊環(huán)境控制保護(hù)要求很高，采用預(yù)制樁作為基坑圍護(hù)樁的案例及相關(guān)研究鮮有報道。本文以國內(nèi)首批采用預(yù)制樁基坑圍護(hù)的城市軌道交通試點車站之一——濟(jì)南市軌道交通 R2 線任家莊站為例，介紹其基坑工程方案比選、設(shè)計計算及施工情況，并分析預(yù)制樁在城市軌道交通深基坑工程中的應(yīng)用前景。

1 工程概況

任家莊站系濟(jì)南市軌道交通 R2 線一期工程西端的一個標(biāo)準(zhǔn)站，車站主體結(jié)構(gòu)型式為明挖地下 2 層、單柱雙跨鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度標(biāo)準(zhǔn)段約16.4m，端頭井約 17.9m。車站位于劉長山路下方，站位北側(cè)地塊為在建商業(yè)施工臨時用房，南側(cè)為已建成綠地商務(wù)公寓和待建綠地商業(yè)廣場，周邊建（構(gòu)）筑物距離車站主體基坑普遍在 30m 以上。場區(qū)主要保護(hù)管線為基坑南側(cè)平行整個基坑的 2m×2m 供電管廊，距離基坑約 2.4～4.8m。

場區(qū)地質(zhì)條件相對較好，自上而下依次為①1素填土層、⑧1黃土層、⑨1粉質(zhì)黏土層、⑩1粉質(zhì)黏土層、⑩2黏土層、[14]2黏土層、[16]1粉質(zhì)黏土層、[16]2黏土層、[21]2中風(fēng)化石灰?guī)r等，坑底位于⑩1粉質(zhì)黏土層和⑩2黏土層中。

場區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水。潛水主要賦存于⑨1及⑩1粉質(zhì)黏土層中，水位埋深約 10.20～14.30m，受季節(jié)及大氣降水影響較大，含水量有限，富水性一般。巖溶裂隙水主要賦存于[21]2中風(fēng)化石灰?guī)r中，具承壓性，水頭標(biāo)高位于地面以下約15.6m。經(jīng)核算，基坑開挖到坑底時抗承壓水穩(wěn)定性滿足要求。

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選

結(jié)合本站地質(zhì)條件及濟(jì)南地區(qū)經(jīng)驗，車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)常規(guī)方案采用鉆孔灌注樁+止水帷幕，同時考慮了采用預(yù)制方樁作為基坑圍護(hù)樁的新方案，兩方案圍護(hù)樁間距均采用 1500mm，插入比 0.45～0.5，支撐道數(shù)為 3 道，立柱樁均采用φ1000mm鉆孔灌注樁，其余設(shè)計參數(shù)比較見表1，造價及工期比較見表2。

由表1、表2 可見，預(yù)制樁方案通過采用大標(biāo)號混凝土，可在抗彎剛度基本匹配的情況下，采用相對較小的截面。預(yù)制樁方案造價比鉆孔樁方案貴約 382 萬元，分析其原因，主要是由于預(yù)制樁在城市軌道交通深基坑圍護(hù)中較少采用，其生產(chǎn)廠家及設(shè)備有限，自身單價及沉樁等費用相對偏高所致。若經(jīng)推廣采用、充分市場競爭后，則造價可進(jìn)一步降低。預(yù)制樁方案較鉆孔樁方案工期可縮短約 20%。

比選表明，任家莊站滿足工廠化預(yù)制、綠色文明施工、施工速度快等條件，因此主體基坑圍護(hù)樁選擇采用預(yù)制樁方案。

3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

3.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

車站主體結(jié)構(gòu)基坑設(shè)計使用年限為 2年，基坑安全等級為一級，環(huán)境保護(hù)等級為一級，即基坑開挖期間控制地面最大沉降量≤0.1%H、圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.14%H（H為基坑開挖深度），坑底抗隆起安全系數(shù)≥1.8，抗傾覆安全系數(shù)≥1.25。

標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度約 16.4m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用 700mm×700mm@ 1500mm預(yù)制方樁，樁長 24m，插入比 0.46，樁底位于第[14]2黏土層中。沿基坑深度方向設(shè)置 3 道支撐，其中第 1 道為鋼筋混凝土支撐，其余均為φ609mm（壁厚 16mm）鋼管支撐。中間立柱采用400×400mm預(yù)制方樁，立柱樁采用φ1000mm鉆孔灌注樁。圖1 為標(biāo)準(zhǔn)段典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面。

表1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)比較表

表2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)造價及工期比較表

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）

端頭井基坑開挖深度約 17.9m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用700mm×700mm@ 1300mm預(yù)制方樁，樁長 27m，插入比 0.50，樁底位于第[16]2黏土層中。沿基坑深度方向設(shè)置 4 道支撐，其中第 1 道為鋼筋混凝土支撐，其余均為φ609mm（壁厚 16mm）鋼管支撐，第 3 道鋼支撐設(shè)置換撐。

3.2 典型橫斷面計算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模式，按施工順序分工況逐階段計算，側(cè)向水、土壓力按朗金主動土壓力，計算采用北京理正深基坑 7.0 版的排樁（方樁）計算模塊。以標(biāo)準(zhǔn)段為例，典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面計算結(jié)果包絡(luò)圖如圖2 所示。

圖2 表明，圍護(hù)方樁最大水平位移約 14.15mm（位置為坑底以上約 3m處），周邊地面最大沉降量約11mm，抗隆起驗算安全系數(shù)Kb= 3.274＞1.8，抗傾覆驗算安全系數(shù)Ks= 4.841＞1.25，均滿足一級基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)；圍護(hù)樁最大正彎矩 831 kN · m（坑底以上約 3m處）、負(fù)彎矩 723 kN · m（第 2 道支撐處），最大剪力554 kN（第 2 道支撐處）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

3.3 圍護(hù)預(yù)制方樁設(shè)計

本站圍護(hù)預(yù)制方樁兼做永久使用階段抗浮樁，設(shè)計使用年限 100年，混凝土強度等級 C50，正截面裂縫寬度允許值 ≤0.2mm。圍護(hù)樁配筋由裂縫控制，主筋實配基坑內(nèi)側(cè) 14 根φ28mm鋼筋（HRB400 級，下同）、外側(cè)12 根φ28mm鋼筋，箍筋實配φ16mm間距 100mm，典型配筋斷面見圖3。預(yù)制方樁間采用掛φ8mm間距 150mm×150mm鋼筋網(wǎng)片后噴 100mm厚 C25 混凝土擋土。

圖3 圍護(hù)方樁配筋斷面圖（單位：mm）

3.4 立柱預(yù)制方樁設(shè)計

本站中間立柱采用 400mm×400mm預(yù)制方樁，立柱樁采用φ1000mm鉆孔灌注樁，立柱與立柱樁鋼筋籠可靠連接后一起吊放。方樁混凝土強度 C50，經(jīng)驗算，其承載能力滿足中間立柱承載要求，圖4 為其典型配筋斷面。

圖4 立柱方樁配筋斷面圖（單位：mm）

4 預(yù)制樁深基坑施工

4.1 預(yù)制方樁施工

（1）預(yù)制樁施工時，先用長螺旋或旋挖鉆機(jī)成孔，成孔直徑為φ1100mm，成孔作業(yè)完成后對孔內(nèi)灌注水泥土漿液，漿液量確保預(yù)制樁插入后僅少量溢出。

（2）預(yù)制樁表面應(yīng)明確標(biāo)示坑內(nèi)和坑外，施工單位核實樁坑內(nèi)、外面無誤時方可施工。

（3）預(yù)制樁樁位偏差不大于 20mm，樁身垂直度偏差及轉(zhuǎn)動偏差均不大于 1/200，設(shè)計建議外放量 100mm。

（4）預(yù)制樁宜采用整體澆注方式，也可根據(jù)實際需求分段預(yù)制，分段位置宜位于基坑底以下不小于2m 處（受力較小區(qū)段）。各分段需進(jìn)行等剛度連接，且連接構(gòu)件需達(dá)到100年的耐久性要求。本站采用預(yù)制件廠家標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，預(yù)制樁分段長度為 17.5m，采用鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械嚙合式接頭，由設(shè)計提出性能要求，預(yù)制件廠家進(jìn)行二次專業(yè)設(shè)計。

4.2 基坑實施效果

圖5 為預(yù)制方樁樁身及開挖到坑底后的基坑實景圖，圖6 為接頭實景圖。由圖中可見，圍護(hù)樁施工垂直度偏差較小，墻面整體較為平整，基本未發(fā)生圍護(hù)樁侵入限界等情況。圍護(hù)樁最大水平位移約 13.7mm，周邊地面最大沉降量約 10.4mm，與設(shè)計計算值較為吻合，基坑整體安全可靠。經(jīng)調(diào)研，濟(jì)南地區(qū)其他采用預(yù)制樁的試點車站也同樣取得了較為理想的實施效果。

圖5 預(yù)制方樁及基坑實景圖

圖6 預(yù)制方樁接頭實景圖

5 預(yù)制樁深基坑工程應(yīng)用前景分析

5.1 與永久主體結(jié)構(gòu)疊合利用

5.1.1 圍護(hù)預(yù)制樁與結(jié)構(gòu)側(cè)墻形成疊合墻

由于預(yù)制樁混凝土強度等級高、樁身質(zhì)量好，除可用于車站主體及附屬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外，也可考慮樁內(nèi)預(yù)留鋼筋連接器，與車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻連接形成疊合墻體系（圖7）。常規(guī)地下 2 層車站側(cè)墻為 700mm厚，承受側(cè)向水土壓力，為豎向承載單向板（墻）體系。若采用預(yù)制樁疊合側(cè)墻體系，則結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)變?yōu)槊芾甙澹▔Γw系，豎向預(yù)制樁為肋梁，以豎向受彎為主，側(cè)墻則為以水平承載為主的單向板（墻），且凈跨度僅 800mm，因此可有效減薄側(cè)墻厚度。經(jīng)計算并考慮構(gòu)造、防水等要求，取 500mm即可。對標(biāo)準(zhǔn)地下 2 層車站，經(jīng)造價測算，采用疊合墻后側(cè)墻單項造價可減少約 200 萬元。

5.1.2 中間立柱預(yù)制樁與結(jié)構(gòu)框架柱形成復(fù)合柱

中間立柱位置可設(shè)置在結(jié)構(gòu)框架柱中心，并預(yù)埋連接錨筋，永久使用階段包在結(jié)構(gòu)框架柱內(nèi)作為芯柱，可提高框架柱整體承載性能，并節(jié)省一定混凝土量。

以上疊合做法在濟(jì)南試點車站正在實施，具體實施效果有待車站竣工后及長期運營中進(jìn)一步驗證。

圖7 圍護(hù)預(yù)制樁與側(cè)墻疊合示意圖

5.2 需要研究優(yōu)化的方向

5.2.1 研究使用更多類型的預(yù)制樁

預(yù)制樁按材料可分為普通混凝土樁和預(yù)應(yīng)力混凝土樁，按構(gòu)造可分為實心樁和空心樁。目前在民建、橋梁等工程中普通混凝土樁的最大截面尺寸可達(dá)800mm×800mm，預(yù)應(yīng)力混凝土空心管樁最大直徑可達(dá) 1200mm。預(yù)制樁的沉樁深度可達(dá) 80m 以上。已少量應(yīng)用于基坑工程的預(yù)制樁主要為普通混凝土實心方樁（正方形、長方形截面）和預(yù)應(yīng)力高強混凝土空心管樁（PHC），后續(xù)可進(jìn)一步研究使用圓形、T 型等截面預(yù)制實心樁、預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁（PHS、PS）等樁型。

5.2.2 預(yù)制樁沉樁工藝優(yōu)化

預(yù)制樁沉樁工藝主要有錘擊法、靜壓法、震動法、射水法、預(yù)鉆孔法及中掘法等，其中以靜壓法用得最多。本站預(yù)制樁采用鉆機(jī)預(yù)成孔后插入預(yù)制樁的工藝，形成一定的附加工程量和棄土，因此，優(yōu)化預(yù)制樁沉樁工藝是值得研究的方向。在場地條件較好的地段，可考慮采用靜壓法省去預(yù)成孔，但需研究如何提高垂直度控制能力，減少擠土效應(yīng)，以及選擇合適的圍護(hù)樁外放量，以防圍護(hù)樁侵入限界。

5.2.3 預(yù)制樁分段連接接頭優(yōu)化

由于城市軌道交通圍護(hù)樁大多按永久構(gòu)件設(shè)計，預(yù)制樁連接接頭的受力性能、耐久性要求較高，應(yīng)優(yōu)先選擇整根預(yù)制。但限于運輸條件和吊運困難，工廠預(yù)制樁樁長一般不超過15～16m，采用分段預(yù)制將較為普遍，接頭位置應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置在坑底以下受力較小區(qū)段。對于接頭設(shè)置在基坑開挖深度范圍內(nèi)的情況，目前尚無應(yīng)用案例，應(yīng)進(jìn)一步研究優(yōu)化接頭型式及位置，以確保整個樁身受力性能和耐久性的完整。

5.2.4 預(yù)制樁與主體結(jié)構(gòu)疊合利用的節(jié)點處理及防水措施優(yōu)化

疊合利用能有效降低工程整體造價，在方案比選中更具性價比，但應(yīng)深入研究預(yù)制樁與結(jié)構(gòu)側(cè)墻、預(yù)制立柱與后澆框架柱新舊混凝土結(jié)合面處理、連接方式等細(xì)節(jié)設(shè)計。采用疊合側(cè)墻時全外包防水無法實現(xiàn)，因此，應(yīng)對側(cè)墻與樁連接節(jié)點防水處理措施開展進(jìn)一步研究并進(jìn)行試驗驗證。

6 結(jié)論及建議

（1）本站設(shè)計計算和實施效果表明，預(yù)制樁用于常規(guī)地下 2 層車站主體 16～18m 深基坑工程是完全可行的。本站預(yù)制樁方案造價比常規(guī)鉆孔樁方案略貴，但主要是由于預(yù)制樁在城市軌道交通深基坑圍護(hù)中較少采用所致，經(jīng)推廣采用、充分市場競爭后，則造價可進(jìn)一步降低。預(yù)制樁還可應(yīng)用于車站附屬結(jié)構(gòu) 8～11m 深基坑、明挖區(qū)間隧道深基坑以及中間立柱等位置。

（2）除用于深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外，預(yù)制樁也可與結(jié)構(gòu)側(cè)墻形成疊合墻，中間立柱預(yù)制樁可與結(jié)構(gòu)框架柱形成復(fù)合柱，以進(jìn)一步降低工程整體造價。

（3）預(yù)制樁用于城市軌道交通深基坑工程尚處于起步階段，相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗及研究工作較少，存在前文所述多個需要研究優(yōu)化的方向。建議在后續(xù)設(shè)計、施工中繼續(xù)加強相關(guān)研究，并優(yōu)先選擇地質(zhì)條件、周邊環(huán)境相對較好的車站試點，進(jìn)一步積累經(jīng)驗予以完善。

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