周玉石

1. 上海城地建設(shè)股份有限公司 上海 200062；2. 上海城地巖土設(shè)計(jì)有限公司 上海 200062

近些年，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，市政配套工程及房地產(chǎn)迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)會(huì)?？紤]到對(duì)地下空間的合理開發(fā)利用，基坑開挖深度不斷加深。目前上海地區(qū)結(jié)合海綿城市深隧工程，基坑開挖深度已向60 m挺進(jìn)。與此同時(shí)，國家大力倡導(dǎo)綠色建造，在建筑全壽命周期內(nèi)最大限度地節(jié)約資源。在軟土地區(qū)，基坑工程投資占比高，節(jié)約資源降低造價(jià)的需求也同樣迫切。

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2層地下室深度基坑（開挖深度在10 m左右）仍占基坑總量的絕大多數(shù)，鉆孔灌注樁結(jié)合水泥土攪拌樁止水帷幕是此類深度基坑最為廣泛的圍護(hù)體系之一。深刻分析可知，鉆孔灌注樁加水泥土攪拌樁的豎向圍護(hù)體系各部分功能是明確的：鉆孔樁承擔(dān)側(cè)向土壓力，水泥土攪拌樁負(fù)責(zé)隔斷基坑與外界的地下水聯(lián)系或減少相應(yīng)影響。由于工藝較為簡(jiǎn)單，工程應(yīng)用實(shí)例眾多，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但隨著工程建設(shè)體量的不斷增加，問題也逐漸暴露出來。

在軟土地區(qū)，鉆孔灌注樁通常是采用泥漿護(hù)壁的方式成孔的，施工過程中產(chǎn)生大量泥漿，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；鋼筋籠現(xiàn)場(chǎng)制作、混凝土水下澆筑，質(zhì)量控制依靠技術(shù)工人，難度大；樁體所采用的鋼筋和混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度通常不高，且施工時(shí)下籠及灌注環(huán)境較為惡劣，鋼筋混凝土夾泥后影響樁身強(qiáng)度。作為止水帷幕的水泥土攪拌樁目前應(yīng)用范圍最廣的有雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁2種，這2種技術(shù)均存在材料消耗大、攪拌均勻性差、 質(zhì)量控制難、環(huán)境污染大、施工效率低等問題。如針對(duì)該類圍護(hù)體系提出安全可靠、造價(jià)可控、環(huán)保綠色的替代性圍護(hù)方案將會(huì)帶來顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 采用預(yù)制構(gòu)件的新型圍護(hù)體系概述

針對(duì)傳統(tǒng)圍護(hù)體系的不足，不少工程技術(shù)人員進(jìn)行了新的探索研究。而在這些新的解決方案中，采用預(yù)制構(gòu)件作為受側(cè)向土壓力的支護(hù)構(gòu)件成為了研究熱點(diǎn)。張鵬等[2]提出了采用預(yù)應(yīng)力工字形樁來替代鋼筋混凝土圓樁或SMW工法，并進(jìn)行了樁體的抗彎性能研究；黃廣龍等[3]論述了采用預(yù)應(yīng)力管樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)承受水平向側(cè)壓力，充分發(fā)揮其較強(qiáng)的抗彎性能；周文苑等[4]針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土矩形支護(hù)樁進(jìn)行了受彎性能試驗(yàn)，研究了該類樁的受彎破壞特征、裂縫開展情況和受彎承載力等問題；劉帆等[5]就后張法預(yù)應(yīng)力混凝土工字形樁的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)比了理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果；劉小樂等[6]為改善預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗剪能力差的現(xiàn)狀，使其能廣泛應(yīng)用于支護(hù)工程中，從管樁的抗剪承載力計(jì)算公式入手，對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)；周建凡[7]系統(tǒng)地論述了PHC管樁基坑圍護(hù)的可行性、沉樁擠土效應(yīng)分析及對(duì)基坑的影響，并結(jié)合案例進(jìn)行實(shí)例化分析；劉洋[8]詳細(xì)地論述了PCMW擋墻的設(shè)計(jì)計(jì)算與施工方法，并利用有限元對(duì)工程案例進(jìn)行模擬；楊抗[9]詳細(xì)地論述了T（工）形圍護(hù)工法并對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了受力分析。

采用預(yù)制構(gòu)件來承擔(dān)側(cè)向土壓力，具有以下優(yōu)勢(shì)：構(gòu)件工廠化生產(chǎn)，較現(xiàn)場(chǎng)制作鋼筋籠、水下灌注混凝土具有更好的質(zhì)量可靠性；植入土中后無需養(yǎng)護(hù)，較現(xiàn)澆混凝土在工期方面可以節(jié)約近1個(gè)月的時(shí)間；矩形、H形、工字形截面較圓形截面受力更為合理，鋼筋混凝土用量均有較大節(jié)約，造價(jià)具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。但預(yù)制構(gòu)件單獨(dú)并不能形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，需要與適當(dāng)?shù)闹顾畼?gòu)件結(jié)合形成豎向圍護(hù)體系。

如果要將預(yù)制構(gòu)件進(jìn)一步應(yīng)用到基坑工程中，應(yīng)以安全、經(jīng)濟(jì)、低污染、施工速度快為原則，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)及施工環(huán)節(jié)進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)化研究。

2 新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的需求分析

新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有以下特性：圍護(hù)系統(tǒng)組成的各個(gè)構(gòu)件應(yīng)質(zhì)量可控；構(gòu)件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工都應(yīng)便捷；相對(duì)于同深度的傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有造價(jià)優(yōu)勢(shì)；整個(gè)生產(chǎn)、施工全過程低污染，環(huán)保綠色。

依據(jù)以上原則，對(duì)新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)做了如下分析：

1）圍護(hù)受側(cè)向力構(gòu)件應(yīng)采用預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，這樣可以有效地控制板材的質(zhì)量。但對(duì)截面的形式、采用的鋼筋類型及混凝土的強(qiáng)度級(jí)別應(yīng)做深度討論。預(yù)制構(gòu)件均存在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)膯栴}，長度通常不得大于15 m，但15 m并不能滿足新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的需要，因此，應(yīng)考慮合理的接樁形式。

2）止水帷幕施工在滿足止水要求的同時(shí)，應(yīng)保證預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件能順利植入到位，因此應(yīng)選用一種高效、質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的水泥土攪拌技術(shù)。

在確定了需求后，筆者對(duì)新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)想如下：采用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉高效的水泥土攪拌樁作為止水帷幕，攪拌后的軟化水泥土可方便預(yù)制構(gòu)件植入。預(yù)制構(gòu)件截面宜選用受力合理且混凝土用量小的類型；構(gòu)件中的鋼筋應(yīng)采用高強(qiáng)鋼筋。相對(duì)型鋼，預(yù)制構(gòu)件截面較大，植入水泥土的過程中阻力較大，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備輔助進(jìn)行沉樁?？紤]生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)脑?，樁材長度單根不大于15 m，為了滿足基坑需求，應(yīng)考慮快速接樁。

為實(shí)現(xiàn)以上構(gòu)想，首先應(yīng)對(duì)預(yù)制構(gòu)件所采用的鋼筋進(jìn)行選擇，其次對(duì)截面形式進(jìn)行討論，并對(duì)樁材及接頭進(jìn)行性能測(cè)試，再次應(yīng)對(duì)工藝所需設(shè)備進(jìn)行選擇及工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

3 預(yù)制構(gòu)件性能試驗(yàn)

3.1 混凝土強(qiáng)度及鋼筋類型的確定

混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中通過蒸汽養(yǎng)護(hù)可讓混凝土構(gòu)件在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。對(duì)于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60的預(yù)制構(gòu)件，脫模后自然養(yǎng)護(hù)即可達(dá)到出廠強(qiáng)度。但設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80以上的構(gòu)件，脫模后需再進(jìn)入高壓釜進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)。在高壓釜內(nèi)高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，每米構(gòu)件成品成本增加6～8元，且隨著生態(tài)環(huán)境部“煤改氣、煤改電”要求落地，進(jìn)一步增加了高溫蒸汽的成本。因此，在考慮生產(chǎn)環(huán)節(jié)及基坑工程實(shí)際需求的前提下，新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)被定為C50。該強(qiáng)度易于達(dá)到，且完全滿足基坑工程要求。

圍護(hù)體系構(gòu)想中鋼筋混凝土構(gòu)件截面選用H形，該截面受力合理且節(jié)約混凝土的用量。但H形截面翼緣寬度不宜過大，鋼筋布置空間小。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒（PC鋼棒）直徑小，但強(qiáng)度高，有利于布置鋼筋，另一方面考慮到預(yù)制構(gòu)件廠PC鋼棒使用較多，如采用PC鋼棒作為受力主筋，設(shè)備改造少，有利于節(jié)約生產(chǎn)成本。我們需要考慮的是PC鋼棒是否滿足基坑工程使用要求，因此需對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。

3.2 PC鋼棒在純彎構(gòu)件中的性能試驗(yàn)

為了探討和驗(yàn)證在臨時(shí)性工程中用PC鋼棒代替常規(guī)鋼筋作為混凝土梁受彎主筋的可行性，筆者委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了PC鋼棒配筋和普通三級(jí)鋼配筋的預(yù)制混凝土梁靜力加載試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容、要求及方法

1）進(jìn)行3根梁（包括2根PC鋼棒配筋和1根普通三級(jí)鋼配筋的預(yù)制混凝土梁）的單調(diào)靜力荷載，荷載的施加方法和試驗(yàn)中荷載、位移和裂縫的量測(cè)均按照GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定進(jìn)行。在2根PC鋼棒配筋梁中，一根為端頭焊接錨固（1#），另一根為鐓頭錨固（2#）。

2）測(cè)量?jī)?nèi)容包括荷載、位移和裂縫寬度等，由此得到其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。

3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，分析在臨時(shí)性工程中用PC 鋼棒代替常規(guī)鋼筋作為混凝土梁受彎主筋的可行性。

4）PC鋼棒配筋和普通鋼配筋的預(yù)制混凝土梁截面尺寸均為250 mm×500 mm，長度為6 000 mm（圖1、圖2）。

圖1 PC鋼棒預(yù)制混凝土梁

圖2 普通三級(jí)鋼預(yù)制混凝土梁

5）試件按照GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定選定支座形式，試件一端為固定鉸支座，另一端為滾動(dòng)鉸支座，跨度為5 100 mm，每端預(yù)留450 mm，采用三分點(diǎn)加載，用1個(gè)千斤頂通過分配梁對(duì)試件進(jìn)行加載。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）普通配筋梁的極限荷載對(duì)應(yīng)的跨中撓度與PC鋼棒梁的基本接近（表1）。

表1 預(yù)制鋼棒梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

2）PC鋼棒梁的裂縫發(fā)生、裂縫發(fā)展和分布的情況與普通配筋梁比較接近，沒有顯著的差別。

3）PC鋼棒梁1#試件的破壞形式與普通配筋梁基本相似，PC鋼棒梁2#試件由于發(fā)生受彎主筋（鋼棒）拉斷，其破壞形式稍有不同；根據(jù)以上3個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果，可認(rèn)為PC鋼棒梁受彎性能與普通配筋混凝土梁相似。分析PC鋼棒梁2#試件主筋拉斷的原因可能在于PC鋼棒張拉過度。

4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，3個(gè)試件均未發(fā)生受拉縱筋（PC鋼棒和普通鋼筋）錨固破壞。

5）根據(jù)GB/T 5223.3—2005《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》的有關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)中所使用的PCB 12.6-1420-35-L-HG型PC鋼棒，其公稱抗拉強(qiáng)度為1 420 MPa，建議按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，此類PC鋼棒抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取不大于1 006 MPa。

3.3 H形預(yù)制構(gòu)件樁材性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證H形截面預(yù)制構(gòu)件樁材的性能，筆者委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)制構(gòu)件的三分點(diǎn)加載試驗(yàn)。構(gòu)件混凝土強(qiáng)度級(jí)別選用了C50，鋼筋選用了φ12.6 mm的PC鋼棒，鋼棒抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取了公稱抗拉強(qiáng)度的70%，即994 MPa。考慮到PC鋼棒在純彎工況性能試驗(yàn)中鋼筋拉斷的情況，在制作預(yù)制構(gòu)件時(shí)，PC鋼棒僅做拉直操作，方便箍筋布設(shè)及滿足起吊即可，最大限度地釋放鋼筋的延性。試驗(yàn)分別針對(duì)預(yù)制構(gòu)件單樁及接頭進(jìn)行測(cè)試。

1）進(jìn)行3根6 000 mm×300 mm×650 mm的梁的測(cè)試（圖3），編號(hào)分別為4#、5#、6#。

2）測(cè)量?jī)?nèi)容包括荷載、位移和裂縫寬度等，由此得到其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。

3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析在臨時(shí)性工程中H形截面樁材的受力性能。

測(cè)試結(jié)果（表2）顯示樁材均為剪切破壞，下一階段試驗(yàn)進(jìn)一步增加箍筋直徑，提高配筋率。

圖3 H形預(yù)制混凝土樁截面

表2 H形鋼筋混凝土預(yù)制梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

3.4 預(yù)制H形圍護(hù)樁接頭性能試驗(yàn)

3.4.1 接頭的抗彎試驗(yàn)

在H形圍護(hù)樁接頭試驗(yàn)中，吸取前段試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步增加了箍筋直徑，且對(duì)接頭形式進(jìn)行了深入設(shè)計(jì)。

1）進(jìn)行3根3 000 mm×300 mm×650 mm的梁的測(cè)試，編號(hào)分別為4-1#、4-2#、4-3#。每根梁由2節(jié)長3 m的樁利用快速鋼連接頭進(jìn)行連接（圖4）。

圖4 H形預(yù)制混凝土梁接頭示意

2）測(cè)量?jī)?nèi)容包括荷載、位移和裂縫寬度等，由此得到其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。

3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析在臨時(shí)性工程中H形截面樁材接頭的受彎性能（表3）。

由于反力裝置在第1根梁試驗(yàn)中發(fā)生了一定變形，在調(diào)整后恢復(fù)試驗(yàn)，且加載千斤頂行程已到極限，接頭抗彎試驗(yàn)并未進(jìn)行到破壞階段。但根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)，接頭抗彎能力已滿足要求。

表3 H形鋼筋混凝土預(yù)制梁接頭抗彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

3.4.2 接頭的抗剪試驗(yàn)

H形預(yù)制構(gòu)件HCS-850B接頭試件的抗剪試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯拷宇^在靜力荷載下的受力狀態(tài)、傳力性能，測(cè)試接頭的極限抗剪承載力，分析試件的剪力-剪切位移試驗(yàn)曲線變化規(guī)律，并觀察其破壞形態(tài)（圖5）。

圖5 進(jìn)行接頭試驗(yàn)的H形預(yù)制混凝土樁接頭處截面

本試驗(yàn)共進(jìn)行2組H形預(yù)制構(gòu)件HCS-850B接頭試件的抗剪試驗(yàn)，試件的區(qū)別為接頭處是否安裝具有抗剪能力的定位銷，第1組試件在接頭處不安裝定位銷，第2組試件在接頭處安裝定位銷。

基于此，研究試件在純剪狀態(tài)下，不同接頭構(gòu)造形式的抗剪能力與破壞模式。

試件由樁A、B兩段組成，中間為接頭部分。試件A段采用地錨拉桿固定于高500 mm的型鋼墩上（圖6）。

圖6 抗剪試件加載示意

分析第1組試件的數(shù)據(jù)曲線（圖7）可以看出，第1組構(gòu)件在達(dá)到屈服荷載約為760 kN后，繼續(xù)加載，構(gòu)件進(jìn)入塑性變形階段，隨著位移的增加，荷載幾乎不變，穩(wěn)定在760 kN左右，出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，構(gòu)件延性較好。

分析第2組試件的數(shù)據(jù)曲線（圖8）可以看出，第2組試件沒有明顯的屈服平臺(tái)，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限荷載1 150 kN后，荷載急劇下降，而位移卻沒有明顯增長，構(gòu)件發(fā)生剪切破壞。

圖7 不帶定位銷H形預(yù)制混凝土梁荷載-變形關(guān)系曲線

圖8 帶定位銷H形預(yù)制混凝土 梁荷載-變形關(guān)系曲線

綜合分析本次試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及破壞現(xiàn)象，可得出如下結(jié)論：

1）第1組試件（無定位銷）的剪切破壞發(fā)生在板樁本體，板樁本體先于接頭破壞，得到板樁本體的抗剪承載力為760 kN；第2組試件（有定位銷）的剪切破壞發(fā)生在接頭處，得到具有定位銷的接頭抗剪承載力為1 150 kN。

2）第1組試件（無定位銷）荷載位移曲線有明顯的屈服平臺(tái)，板樁本體具有較好的延性；第2組試件（有定位銷）則沒有明顯的屈服平臺(tái)，具有定位銷的接頭延性較差。

綜上所述，具有定位銷的接頭抗剪承載力比板樁本體高約50%，但其延性較差，因此定位銷可明顯提高構(gòu)件的抗剪承載力但降低了構(gòu)件的延性。

3.5 預(yù)制構(gòu)件樁材及接頭試驗(yàn)總結(jié)

1）采用PC鋼棒作為鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋是合適的，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值選取994 MPa，安全余量是充足的。混凝土強(qiáng)度等級(jí)定為C50，適于目前階段工廠化生產(chǎn)的條件。

2）采用接頭處兩端的L形鋼板、對(duì)拉鋼筋、帶楔形槽鋼蓋板及高強(qiáng)螺栓組成的構(gòu)件快速鋼連接接頭抗彎能力、抗剪能力高于樁身的抗彎、抗剪強(qiáng)度，可以滿足工程需要。

3）H形鋼筋混凝土構(gòu)件樁材試驗(yàn)中均為剪切破壞，分析原因是箍筋配置率太低。在接頭試驗(yàn)中通過增大箍筋直徑，合理設(shè)置箍筋間距，平均抗彎能力提高約30%。

4）采用H形截面，選用PC鋼棒作為受力筋，合理配置箍筋，根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)，通過多次試驗(yàn)確定了L形鋼板＋鋼蓋板的快速連接接頭。通過以上諸多措施最終實(shí)現(xiàn)了預(yù)制快速拼接鋼筋混凝土支護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，通過測(cè)算，其較圓形截面現(xiàn)場(chǎng)澆筑鉆孔灌注樁節(jié)約造價(jià)達(dá)27.8%。

4 預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件圍護(hù)應(yīng)用設(shè)備研究

新型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要具有擋土及止水的功能，且施工過程中應(yīng)確保擋土構(gòu)件具有較高的垂直度；止水帷幕應(yīng)質(zhì)量良好、對(duì)各種土性具有良好的適應(yīng)性，且造價(jià)應(yīng)具有優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步完善預(yù)制構(gòu)件圍護(hù)體系，我們應(yīng)首先確定專用施工設(shè)備，然后對(duì)施工流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最后應(yīng)確定施工的各項(xiàng)參數(shù)及質(zhì)控要求。

4.1 土體軟化及止水帷幕設(shè)備的選取

軟土地區(qū)基坑工程止水帷幕多選用雙軸水泥土攪拌樁、三軸水泥土攪拌樁及強(qiáng)制攪拌式五軸水泥土攪拌樁。

雙軸水泥土攪拌樁自20世紀(jì)70年代引入國內(nèi)一直沿用至今，理論上施工深度可達(dá)到18 m。水泥摻量通常為13%～15%，水灰比0.55左右。由于機(jī)械動(dòng)力較小，攪拌及噴漿技術(shù)落后，故成樁的質(zhì)量較難控制。

三軸水泥土攪拌樁在20世紀(jì)90年代從日本引進(jìn)，施工工藝中水灰比取值較雙軸大，通常為1.5～2.0，水泥摻量為20%～22%，水泥土漿液流動(dòng)性好。該種攪拌樁漿液攪拌均勻，止水效果較好，且攪拌深度可達(dá)33 m。

強(qiáng)制攪拌式五軸水泥土攪拌樁采用獨(dú)特的“上下式噴漿”，即在攪拌葉片上下各設(shè)置1個(gè)噴漿口，通過鉆桿正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來打開和關(guān)閉[10]。

正轉(zhuǎn)向下掘進(jìn)時(shí)，下部噴漿口打開，上部噴漿口關(guān)閉，漿液從底部噴出，通過攪拌葉片可以進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，提升反鉆時(shí)關(guān)閉下部噴口，打開上部噴漿口，噴出的水泥漿液進(jìn)行第2次充分?jǐn)嚢琛Ｍㄟ^以上的施工操作，機(jī)械一上一下完成了2次噴漿攪拌的動(dòng)作，水泥土攪拌更加均勻，質(zhì)量更好。五軸水泥土攪拌樁水泥摻量13%～15%，水灰比為0.8～1.2。

通過對(duì)比分析，筆者選用強(qiáng)制攪拌式五軸水泥土攪拌樁作為土體軟化及止水帷幕的工藝。

4.2 預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件植入設(shè)備的選取

在通過水泥土攪拌樁軟化土體后，預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件需植入至設(shè)計(jì)標(biāo)高。但構(gòu)件截面面積較大，植入過程中需選用輔助設(shè)備來進(jìn)行。目前預(yù)制樁沉樁一般采用錘擊、振動(dòng)、壓入3種方法：

1）錘擊法：利用樁錘下落時(shí)的瞬時(shí)沖擊機(jī)械能，克服土體對(duì)樁的阻力，使其靜力平衡狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致樁體下沉，達(dá)到新的靜壓平衡狀態(tài)，如此反復(fù)地錘擊樁頭，樁身也就不斷地下沉。該法施工速度快，機(jī)械化程度高，適應(yīng)范圍廣，現(xiàn)場(chǎng)文明程度高，但施工時(shí)有擠土、噪聲和振動(dòng)等公害，對(duì)城市中心和夜間施工有所限制。

2）振動(dòng)法：利用一個(gè)大功率電力振動(dòng)器（振動(dòng)錘），沉樁時(shí)，把振動(dòng)錘安裝在樁頂上，利用振動(dòng)力以減小土對(duì)樁的阻力，使樁能較快地沉入土中。

3）壓樁法：是借助于樁架自重及樁架上的壓重，通過滑輪換向把樁壓入土中。壓樁法的特點(diǎn)主要有：

① 施工時(shí)無沖擊力，產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)較小，施工應(yīng)力小，可減少打樁振動(dòng)對(duì)地基的影響。

② 樁頂不易損壞，不易產(chǎn)生偏心沉樁，精度較高。③ 能在施工中測(cè)定沉樁阻力，為設(shè)計(jì)施工提供參數(shù)，并預(yù)估和驗(yàn)證樁的承載能力。

④ 由于專用樁架設(shè)備的高度和壓樁能力受到一定限制，較難壓入30 m以上的長樁，但可通過接樁，分節(jié)壓入。

⑤ 機(jī)械設(shè)備的拼裝和移動(dòng)耗時(shí)較多。

考慮到靜壓方式無噪聲，且不易影響樁頭質(zhì)量，新型圍護(hù)植樁宜采用靜壓方式。常規(guī)的靜壓樁機(jī)壓樁位置位于機(jī)械的中部，但基坑圍護(hù)樁施工均離紅線較近，常規(guī)壓樁設(shè)備無法滿足要求。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要及工藝的需求，筆者同設(shè)備生產(chǎn)廠家共同研制了全自動(dòng)遙控機(jī)器人邊樁機(jī)。該設(shè)備完全滿足基坑工程植樁需求，縱橫向行走、吊樁、壓樁全程遙控控制，操作簡(jiǎn)單，操作人員可遠(yuǎn)離吊樁區(qū)域，最大限度地保證施工安全，智能化操作，節(jié)省人工。設(shè)備兼有傳統(tǒng)靜力壓樁機(jī)的無振動(dòng)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，又比高頻振動(dòng)錘更高效節(jié)能，壓樁速度更快、質(zhì)量更高。構(gòu)件植入過程，有夾具的控制，垂直度可控制在1/500以上。

4.3 工藝的流程設(shè)計(jì)

4.3.1 施工流程

預(yù)制拼接鋼筋混凝土構(gòu)件圍護(hù)體系施工流程應(yīng)考慮施工場(chǎng)地大小、周圍環(huán)境等因素，搭接施工的相鄰圍護(hù)構(gòu)件施工間歇不應(yīng)超過16 h，如超過應(yīng)進(jìn)行復(fù)攪操作。施工過程中應(yīng)合理設(shè)計(jì)施工流程，確保安全。具體施工流程為：測(cè)量放樣→開挖溝槽→設(shè)置導(dǎo)向定位型鋼→強(qiáng)制攪拌五軸攪拌機(jī)就位，校正樁機(jī)水平和垂直度→啟動(dòng)自動(dòng)化后臺(tái)拌漿→下部噴漿口噴漿，切割土體下沉至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高→關(guān)閉下部噴漿口，打開上部噴漿口噴漿，提升至地面→移機(jī)至第2幅→全自動(dòng)遙控機(jī)器人邊樁機(jī)調(diào)平→H形鋼筋混凝土構(gòu)件第1節(jié)起吊定位→校核H形鋼筋混凝土構(gòu)件垂直度→植入第1節(jié)混凝土構(gòu)件→H形鋼筋混凝土構(gòu)件第2節(jié)起吊定位→利用快速鋼連接接頭連接構(gòu)件→植入第2節(jié)混凝土構(gòu)件→下一循環(huán)。

4.3.2 施工參數(shù)

1）強(qiáng)制攪拌式五軸攪拌樁設(shè)備直徑與軸距應(yīng)與預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件尺寸相匹配。φ800 mm@500 mm五軸樁對(duì)應(yīng)H650 mm×300 mm板樁；φ950 mm@600 mm五軸樁對(duì)應(yīng)H850 mm×400 mm板樁。

2）宜采用P.O 42.5水泥，水泥摻量宜取13%～15%，根據(jù)土層的情況，水灰比可在0.8～1.2之間合理選取。在特別軟弱的淤泥和淤泥質(zhì)土中應(yīng)適當(dāng)提高水泥摻量。建議水灰比1.2。攪拌樁28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于0.8 MPa。

3）攪拌樁噴漿攪拌下沉速度宜控制在0.5～1.5 m/min，提升攪拌速度宜控制在1.0～1.5 m/min，并保持勻速下沉或提升。提升時(shí)不應(yīng)在孔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓造成周邊土體的過大擾動(dòng)，攪拌次數(shù)和攪拌時(shí)間應(yīng)能保證水泥土攪拌樁的成樁質(zhì)量。具體選用的速度值應(yīng)根據(jù)成樁工藝、水泥漿液配合比、注漿泵的工作流量計(jì)算確定，攪拌次數(shù)或攪拌時(shí)間應(yīng)確保水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量。

4）H形鋼筋混凝土構(gòu)件在攪拌樁施工完畢后3 h內(nèi)插入，要求樁體偏差不大于20 mm，標(biāo)高誤差不大于100 mm，垂直度偏差不大于0.5%。

5）高強(qiáng)螺栓應(yīng)擰緊，接頭連接應(yīng)可靠。

5 工程案例

5.1 工程概況

上海某工程基坑平面呈不規(guī)則形狀，基坑面積約4 147 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周長約306 m；一般區(qū)域基坑開挖的深度為5.65 m（承臺(tái)6.55 m）、局部落深區(qū)域開挖深度6.75（承臺(tái)7.65 m），根據(jù)上海市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DG/T J08-61—2010《基坑工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定》，基坑工程安全等級(jí)為三級(jí)。

項(xiàng)目周邊環(huán)境較為復(fù)雜，北側(cè)為已建2層樓的構(gòu)筑物，南側(cè)為變電站、電纜溝等，西側(cè)為某科研院所內(nèi)中央大道，東側(cè)為已建1層建筑物。基坑周邊建筑及地下管線較多，相對(duì)較復(fù)雜。

5.2 設(shè)計(jì)方案

基坑深度為5.95～6.95 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用H形板樁水泥土攪拌墻，5φ800 mm@500 mm水泥土攪拌樁內(nèi)插H650 mm×300 mm板樁，板樁間距800 mm，插入深度7.45 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比1∶1.19，深坑區(qū)域插入深度8.55 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比1∶1.23。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁結(jié)合水泥土攪拌樁止水帷幕圍護(hù)體系雖然應(yīng)用案例眾多，成功經(jīng)驗(yàn)豐富，但存在環(huán)境污染嚴(yán)重、材料浪費(fèi)大、施工速度慢、質(zhì)量控制難等諸多問題。本文旨在通過試驗(yàn)方式選取合理的材料、確定最優(yōu)的構(gòu)件截面及合理的接頭形式，在考慮施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的情況下定制研究專項(xiàng)圍護(hù)構(gòu)件及施工設(shè)備，形成了可替代傳統(tǒng)圍護(hù)的新型預(yù)制拼裝鋼筋混凝土構(gòu)件圍護(hù)體系，具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[11-12]：

1）構(gòu)件工廠化生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可實(shí)現(xiàn)定制。

2）連接接頭安全可靠，鋼筋混凝土構(gòu)件可快速拼裝，方便生產(chǎn)、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)施工。

3）H形構(gòu)件的截面形式合理，鋼筋混凝土的配置滿足基坑工程需求，節(jié)約大量建筑材料。

4）考慮土體軟化、止水及造價(jià)等多方面因素，選用五軸水泥土攪拌樁來進(jìn)行施工，安全、可靠、快速且適應(yīng)市場(chǎng)。

5）根據(jù)實(shí)際需求，定制了全自動(dòng)遙控機(jī)器人邊樁機(jī)來植入樁體，施工速度快、樁體垂直度高、無噪聲。

6）通過優(yōu)化施工流程，整個(gè)圍護(hù)體系施工工藝質(zhì)量可控，有效提高工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性。

7）H形預(yù)制拼接鋼筋混凝土構(gòu)件圍護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)于傳統(tǒng)鉆孔灌注樁方案有大幅的降低，是相對(duì)更為環(huán)保、綠色的工法。

工藝通過多項(xiàng)工程的驗(yàn)證，安全可靠，如能全面替代傳統(tǒng)方案將會(huì)帶來顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。