PC工法桩在基坑支护中的研究及应用

随着城市建设发展及土地资源紧张、地下空间拓展的需要，大型基坑项目越来越多且安全环保要求日益严格，传统围护结构施工工艺在经济性、安全性及环保要求方面饱受诟病。本文引进PC工法作为新型支护工艺，补充和完善传统支护结构不足，比较后替代钻孔灌注桩及 SMW 工法桩作为基坑支护结构，对PC工法的普及和推广有着借鉴意义。

西子智慧产业园项目位于杭州市临丁路南侧，同协路西侧，某已建厂区北侧，用地面积 92821㎡ ，地下建筑面积为 64000㎡ 。工程主要由 10 幢高层建筑、4 幢 5 层建筑和整体单层地下室组成。工程桩均为钻孔灌注桩。本工程周边环境较复杂，西侧为厂房内部道路用地，外侧设临时围挡，距离地下室约 20m; 东侧地下室距离用地红线约 10m，红线外侧为绿化带，输油管线距离红线约 15m; 南侧为厂区内部道路，道路紧邻基坑边缘; 北侧地下室外墙距离用地红线＞13m，红线外侧为绿化带; 场地土土质较差，基底标高上下分布有较厚的淤泥质软弱土层。开挖土层主要为 1 杂填土、 2-1 粉质黏土、 2-2 黏质粉土、 2-3 粉质黏土、 2-4 黏质粉土、 3-1淤泥质粉质黏土，坑底大部分位于3-1 淤泥质粉质黏土，西部少数地段位于 2-4 黏质粉土中。工程地质剖面如图 1 所示。

基坑设计开挖深度 5. 30 ～ 7. 90m。根据基坑深度及周围环境情况，确定基坑安全等级为二级，重要性系数为 1. 0。本围护结构合理使用期限为 1 年。基坑围护方案如图 2 所示。

2.1  工程特点及选型原则

综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及其对周围环境的影响，本工程具有以下特点。

1) 基坑开挖面积较大，约 67605㎡ ，围护结构外围周长约 1331m。

2) 基坑局部承台、电梯井开挖深度较深。

3) 表层杂填土、黏土层较厚。坑底大部分为淤泥质土，土质较差，呈流塑状。

4) 南侧局部地下室距离厂区内部道路非常近，道路下方分布有污水管线。

5) 西南侧地下室外有部分工程桩及承台，与围护结构位置有冲突。

6) 场地内部有一河流南北向分布，围护施工前需回填处理。

7) 基坑形状不规则，西侧中间部分内凹形成一个大阳角。

根据工程特点及难点分析，结合主体结构和场地特点，确定围护方案选型原则如下。

1) 安全性

确保安全是第一要务，存在重大安全隐患的方案即使节约成本、缩短工期也无实际意义，且会带来巨大经济损失和社会影响。

2) 施工工期

方案设计应考虑工期和施工方便性，即可缩短工期和降低工程造价。

3) 经济性

在保证基坑工程方案安全、可行性基础上，优化基坑工程支护设计方案，合理控制和降低工程造价。

2.2  基坑围护方案选择

根据本工程地下室基坑特点，在“安全、经济、方便”的原则下，对各种围护方案进行技术可行性、经济合理性分析。

2.2. 1  排桩

基坑开挖范围内土层工程性质较差或一般，尤其是上部人工填土、淤泥质粉质黏土及黏质粉土，易发生坍塌、滑塌、管涌，故地下室距建筑红线较近区域不宜直接进行放坡开挖，须设支护系统。

钻孔灌注桩排桩支护工艺成熟，质量易控制，造价较经济，可有效控制围护结构的内力和变形，减小基坑开挖对周边环境的影响。根据类似地区工程经验，本工程为 1 层地下室，土层为不透水的黏土淤泥质土，采用排桩结合喷锚护坡具有较高的可行性，且有利于对基坑围护总体造价进行控制，但是与 PC 工法组合桩比较而言，钻孔灌注桩造价相对较高、工期较长( 需要养护) ，泥浆污染严重，不环保，在完成使用后会留下永久性障碍物。

SMW 工法工艺简单，成桩速度快，可缩短工期。受力结构和隔水帷幕合一，占用空间小，绝大多数情况下，型钢可以拔出重复利用，降低工程造价。

PC 工法组合桩采用直径 630mm 的钢管与拉森钢板桩间隔施工，钢管桩刚度大，桩与桩之间采用止水锁扣连接，同时具备挡土和止水功能。该组合桩采用专用设备施工，施工速度快，无泥浆污染，围护桩可以回收，节约成本。与 SMW 工法相比，无需再单独打设搅拌桩进行止水止土，无需进行水泥搅拌桩养护，具有造价低、缩短工期等明显优势。

2.2. 2  支锚结构

钢筋混凝土支撑承载力高、安全性好，能承受弯、剪、扭、压等复杂受力情况，可根据基坑的形状灵活布置。但本基坑平面尺寸大，如全部采用内支撑方案，支撑和竖向立柱桩的数量较多，围护造价相对较高且施工周期相对较长，也无法满足分段实施的需求，因此仅考虑在局部设置角撑。采用 PC 工法桩结合可回收旋喷锚索支护，因部分主楼邻近坑边、不能留设施工缝，且斜撑支护保留的三角土开挖困难，效率低; 一般斜撑支护变形偏大，对周边道路造成较大影响。

2.2. 3  放坡开挖

西北侧及东北侧 1 层地下室部分采用自然放坡开挖。放坡开挖是最经济的围护形式，具有施工速度快、土方开挖方便等优点，在条件许可的情况下应优先采用。本项目大部分区域坡脚位置土层为流塑状淤泥质土，不适合采用大放坡形式。

2.2. 4  土钉墙支护

土钉墙围护结构具有经济性好、施工方便、施工工期短等优点，在粉砂土黏土地基、开挖深度在 6m 以下的基坑工程中得到广泛应用。本项目周边环境较好，土钉未超红线，因此局部采用放坡+土钉墙支护。

本工程最终支护方案如下: 南侧及东侧距离道路较近位置采用 PC 工法组合钢管桩结合 1 道旋喷锚索支护; 北侧局部承台影响范围内采用 PC 工法组合钢管桩结合 1 ～ 2 道旋喷锚索; 西侧区域采用放坡结合土钉墙支护，北、南侧部分区域采用二级放坡结合土钉墙支护，坡脚设置槽钢。坑内承台高差采用 1 ：1自然坡。

PC 工法桩前身为传统的拉森钢板桩。传统拉森钢板桩不论是 U 型、Z 型还是直腹型，因其截面刚度小，在深基坑应用时需要多层撑锚结构，从而加大了施工难度导致其快速高效的优势难以发挥。为增大截面刚度，通过设置连接小企口将拉森桩与钢管结合使用，形成组合式围护桩，即 PC 工法桩，用于挡土和止水。

3.1  主要特点

PC 工法桩结合了钢管桩和拉森桩的优点，其与二者相比具有以下特点。

1) 施工深度深 PC 工法施工深度最深可达45m( 采用多节桩分级焊接) ，复杂地质情况采用先导前出钻设备，施工深度最深可达 55m。

2) 适用地层广泛不仅适用于一般的粉土、砂土、黏性土等，也适用于淤泥质土等各种复杂土层地质条件，且成墙品质高，桩体强度高、抗弯抗剪性能好，钢质连续墙体挡土止水效果显著，安全可靠，无须另设止水帷幕。

3) 节约工程量 无置换土，施工速度快，无泥浆污染，主材可回收，环保无污染。

4) 插入型材的间距不受限制 组合桩形式多样，可根据基坑设计要求任意布置钢管桩的桩长、桩径及间距，通过设置连接小企口，可以插入 1 ～ 3 支拉森桩，从而降低施工成本，连接企口如图 3 所示。桩径 630mm 钢管桩有 2 种不同桩距的 PC 桩组合，本工程采用桩径 630mm、桩距 1 100mm 的组合桩( 见图 4) 。

5) 信息化程度高 通过钻机的操作监控器获取和控制施工参数，通过沉桩速度、压力等参数调整纠偏，保证垂直度，施工操作灵活、无死角、打拔方便。

3.2  施工要求

3. 2. 1 沉桩

PC 工法组合钢管桩施工主要为振动法。施工前，应根据待建工程情况，包括地质条件、周边环境条件、桩径等选择合适的沉桩机械。钢管桩施工前，应根据桩位布置图进行测量放样并复核验收。根据确定的施工顺序，安排钢管桩、拉森钢板桩等物资的放置位置。

根据 PC 工法组合钢管桩的轴线开挖导向沟，并在沟槽边设置定位型钢，在定位型钢上标出钢管桩和拉森钢板桩的插入位置。三支点桩基底盘应保持水平，平面允许偏差为 ± 20mm，立柱导向架垂直度偏差≤1 /250。

沉桩时，钢管桩和拉森钢板桩应交替沉桩，以保证钢管桩与拉森钢板桩企口搭接质量。均匀控制沉桩速度，一般控制在 1m / min。下沉过程中应采取措施保证桩的垂直度，水平偏差≤10mm，标高偏差≤100mm。沉桩时，出现桩身倾斜、侧移、桩身破损或沉桩困难等异常情况时，应停止沉桩，待查明原因并进行必要处理后方可继续施工。吊桩时严禁桩身碰撞桩机，避免桩身损伤。

3.2. 2  质量检查与验收

1) 施工期间过程控制 检查施工机械性能、材料质量，钢管桩和拉森钢板桩规格、定位、长度、标高、垂直度下沉速度、拼接焊缝质量等。

2)  成墙质量验收 钢管桩和拉森钢板桩的企口搭接状况、位置偏差等。

3) 基坑开挖检查 包括钢管桩和拉森钢板桩的企口搭接状况、垂直度及渗透水等情况。PC 工法组合钢管桩的桩身材料检查如表 1 所示，插入允许偏差如表 2 所示，焊缝质量应符合相关规定。

选取南面临近红线位置作为实例进行计算。该处支护方案为 PC 工法组合钢管桩结合 1 道旋喷锚索支护。地下水位埋深2.50m，地面超载15.0kPa。土层参数如表 3 所示。计算简图如图 5所示。

采用理正软件进行计算，每根钢管桩内力与土体抗力如图 6 所示( 支撑反力是每延米的) ，地表沉 降计算结果如图 7 所示。由图 6 显示桩身水平位移≤10mm，抗力、弯矩剪力均控制在安全范围内，地表沉降合理，且稳定安全系数和抗隆起安全系数均 大于 JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》要求 值。锚杆抗拔计算结果如表 4 所示，由表 4 可知锚 杆抗拔系数为 2. 61，大于要求安全系数 1. 6，轴向拉力也小于抗拉强度设计值，故采用 1 道旋喷锚索即可。