▍摘要摘要：本文以武漢某軟土深基坑工程為實例，考慮復(fù)雜環(huán)境條件的影響，運用“天漢軟件”二維計算模型，結(jié)合Flac3D巖土有限元軟件建立三維等比例數(shù)值模型，進行分析計算工作，通過施工實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值結(jié)果，驗證了PC工法的安全性及合理性。項目在保證深基坑周邊環(huán)境安全，完成既定工程目標的同時，實現(xiàn)了基坑支護構(gòu)件全回收，達到了巖土工程的低碳排放、綠色環(huán)保的目的。該工程為指導(dǎo)類似項目設(shè)計及施工提供寶貴經(jīng)驗。關(guān)鍵詞：PC鋼管樁工法；復(fù)雜環(huán)境；軟土深基坑；變形控制；全回收；綠色低碳▍引言我國關(guān)于“雙碳”的國家總體政策將“推進城鄉(xiāng)建設(shè)和管理模式低碳轉(zhuǎn)型、大力發(fā)展節(jié)能低碳建筑、加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)”，在建筑領(lǐng)域提出了城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展的頂層要求。要建設(shè)髙品質(zhì)綠色建筑，大力推廣超低能耗、近零能耗建筑，發(fā)展零碳建筑；實現(xiàn)工程建設(shè)全過程綠色建造。這是我國城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域目前出臺的國家級頂層碳達峰碳中和工作意見，是城鄉(xiāng)綠色發(fā)展工作開展的思路綱領(lǐng)“?；庸こ屉m然是臨時工程，但其依然具有對資源能源消耗量大與產(chǎn)生污染物多等特點,而且在其支護及開挖過程中對生態(tài)環(huán)境與周邊環(huán)境造成一定程度的影響，因此需要對基坑支護設(shè)計方案的工藝選型進行合理優(yōu)化，以達到在確保工程安全的前提下，實現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的總體目標。傳統(tǒng)明挖深基坑多采用SMW工法樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等支護形式，隨著城市建設(shè)發(fā)展及土地資源緊張、地下空間拓展的需要，深基坑項目越來越多且低碳環(huán)保要求日益嚴格，傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)施工工藝在經(jīng)濟性、安全性及環(huán)保要求方面飽受詬病。PC鋼管樁工法（PrefabricatedCompositeSteelPipe）是通過焊接在鋼管樁上的鎖扣與一個或多個拉森樁連接形成鋼質(zhì)連續(xù)墻。使用鎖扣連接拉森樁和鋼管樁的改進方式即PC工法樁工藝已于2015年在國內(nèi)首次應(yīng)用于杭州大華飯店改造工程G20峰會配套項目，同年該工藝獲得了浙江省省級工法稱號。作為一種新型綠色圍護工藝，具有施工速度快、無需等待齡期、圍護結(jié)構(gòu)剛度大、止水效果好、可全回收重復(fù)利用、設(shè)備占地空間小、無噪聲無泥漿等諸多優(yōu)點。然而由于尚無針對該工法的國家、省市級規(guī)范標準進行指導(dǎo)，目前對于環(huán)境敏感的深基坑支護工程中應(yīng)用較少。本文介紹了一例深基坑工程，周邊環(huán)境極其敏感，基坑邊線緊貼國防光纜、機場髙速擋墻等重要保護對象，地質(zhì)條件以軟?流塑狀軟土層為主、基底含水層呈髙承壓性。本文通過“天漢軟件”計算，結(jié)合Flac3D巖土有限元軟件建立等比例三維數(shù)值模型，并通過施工實際監(jiān)測數(shù)據(jù)三者相互驗證，實現(xiàn)了PC鋼管樁工法在復(fù)雜條件下的成功應(yīng)用，為指導(dǎo)類似工程設(shè)計施工提供寶貴經(jīng)驗。PC鋼管樁工法簡圖見圖1。▍1工程概況1.1項目背景及周邊環(huán)境項目位于武漢市東西湖區(qū)，本工程為管道改遷工程，工程目標是將現(xiàn)狀地面下埋深約11m處的一根DN1020鋼制污水管進行下彎改遷，以避讓與其斜交擬實施的盾構(gòu)（直徑4.25m）,使盾構(gòu)能夠順利穿越。由于現(xiàn)狀鋼制污水管為服務(wù)該片區(qū)約15萬居民的生活污水唯一排放主管，直接關(guān)系著附近居民的正常生活，相關(guān)管理部門要求改遷斷管時間不得超過2天，圍護結(jié)構(gòu)施工及基坑開挖期間，不得影響現(xiàn)狀鋼管的通水功能。管道下彎改遷完成后，需將所有支護體系全部回收，以保證后期盾構(gòu)施工順利穿越。管道開挖改遷位置位于現(xiàn)狀臨時便道下方，基坑周邊環(huán)境緊張，西臨現(xiàn)狀明渠，明渠岸坡上敷設(shè)有國防光纜距離基坑內(nèi)邊線僅1.24m；基坑?xùn)|臨漢飛大道機動車道，路邊埋設(shè)有現(xiàn)狀懸臂式擋墻，擋墻墻趾距離基坑內(nèi)邊線僅0.9m。基坑與周邊環(huán)境相對位置關(guān)系如圖2。1.2重難點分析基坑平面呈規(guī)則矩形，基坑平面尺寸為10m長x7.5m寬，開挖深度為地面以下11.91~12.91m，基坑重要性等級為一級，根據(jù)邊界條件，梳理本工程重難點如下：（1）為確保周邊居民正常生活排水，本基坑需要在最短時間內(nèi)完成管道的改遷工作,如何確?；邮┕ぜ伴_挖過程中，維持原有污水管的排水功能，是方案需要考慮的重點問題。（2）本項目實施的最終目的是使盾構(gòu)順利通過，所以管道改遷完畢后，盾構(gòu)穿越范圍圍護結(jié)構(gòu)需要全部回收，否則將成為地下障礙物，影響盾構(gòu)施工。（3）本項目總體工期要求緊張，如何在保障安全的前提條件下，加快施工進度、控制成本是本次設(shè)計需解決的首要問題。（4）本項目地質(zhì)條件較差，基坑側(cè)壁及基底分布有約7.0m厚軟?流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，開挖深度最大達13m左右，屬深基坑，保證基坑的安全實施是本項目順利實施的關(guān)鍵。（5）基坑周邊環(huán)境條件復(fù)雜。對于本工程而言，周邊重要保護對象主要為機場髙速髙架、漢飛大道、現(xiàn)狀擋墻、國防光纜等，支護結(jié)構(gòu)體系需要將周邊敏感建（構(gòu)）筑物水平變形及地面沉降均控制在允許范圍內(nèi)。（6）場地條件緊張，施工空間十分受限，基坑位于現(xiàn)狀唯一一條臨時便道正下方，施工期間無法行程環(huán)道，這對施工組織帶來很大的考驗。支護選型時需綜合考慮施工機械占位可行性、土方開挖及外運、施工材料臨時堆場等諸多因素，以保證支護方案的切實可行。▍2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件2.1工程地質(zhì)條件場地位于武漢市東西湖區(qū)，臨近機場河明渠。地貌單元屬長江北岸I?II級階地，地勢較平坦，場地上部為近代人工填土層（Qml）、第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）—般黏性土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土；中部為第四系上更新統(tǒng)沖洪積（。3出說）砂土層；下伏基巖為三疊系（T）中風(fēng)化白云巖?？辈旖衣兜貙佑缮现料路质鋈缦拢孩匐s填土（Qml）、③1粉質(zhì)黏土（Q4al）、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al）＞③4粉質(zhì)黏土（Q3al）＞④粉細砂（Q4al）、⑧中風(fēng)化白云巖（K-E）,各土層相關(guān)物理力學(xué)指標參數(shù)見表1。2.2水文地質(zhì)條件場地地下水可分為三種類型：上層為賦存于①雜填土層中的上層滯水，主要接受大氣降水和地表散水垂直入滲的補給，無統(tǒng)一自由水面，水位及水量隨季節(jié)性大氣降水及周邊生活用水排放的影響而波動，勘察期間測得其穩(wěn)定水位埋深為0.5?2.0m。中層孔隙承壓水賦存于④粉細砂，水量較大，與長江有密切的水力聯(lián)系，4?6月份勘察實測水位髙程為11.5~15.25m之間；下層為基巖裂隙水，水量貧乏，對工程影響不大。典型工程地質(zhì)剖面見圖3。▍3基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1總體方案比選從安全性、經(jīng)濟性、施工工期及便捷性等方面對可供選擇的三種方案進行了綜合比選:方案一：PC工法樁結(jié)合豎向三道內(nèi)支撐；方案二：直徑1.0m鋼筋混凝土灌注樁結(jié)合豎向兩道內(nèi)支撐；方案三：直徑0.85m三軸攪拌樁內(nèi)插300X700H型鋼SMW工法樁結(jié)合豎向三道內(nèi)支撐。方案一PC工法樁方案，圍護結(jié)構(gòu)剛度能夠滿足安全及穩(wěn)定性要求，無棄土及泥漿排放，對場地要求低，基坑回填后圍護樁可全部回收，滿足工程要求。方案二灌注樁方案，圍護結(jié)構(gòu)剛度大，位移控制效果好，但現(xiàn)場場地受限，樁機取土后的土方堆棄場地協(xié)調(diào)較為困難；灌注樁需要等待混凝土齡期，該方案施工工期較長；灌注樁將成為地障，影響后期盾構(gòu)穿越。方案三SMW工法樁方案，由于H型鋼剛度較弱，本項目基坑開挖深度較深、土質(zhì)情況差，基坑整體變形較大，不滿足對周邊環(huán)境的保護要求。綜合考慮各方案在安全性、施工便捷性、工期等方面因素，經(jīng)反復(fù)斟酌，最終確定采用方案一PC工法樁方案作為實施方案。3.2基坑支護方案本基坑場地狹窄，開挖深度深，基坑普挖深度為自然地面下11.91?12.91m。土質(zhì)條件差，周邊環(huán)境敏感，對基坑位移變形控制要求髙?；訃o結(jié)構(gòu)選用PC鋼管樁工法，采用?820mm,壁厚t=14mm鋼管樁，樁長22?23m；樁間采用U400X170型拉森鋼板樁，樁長L=15m,防止基坑側(cè)壁滲漏及流土。為使支撐構(gòu)件拆裝便捷，豎向設(shè)置三道鋼管內(nèi)支撐，內(nèi)支撐均采用?609mm,壁厚t=16mm活絡(luò)頭鋼管，圍標釆用雙拼H型鋼。平面支撐布置釆用角支撐形式，在有效控制基坑變形的前提下，能夠確保后期微型挖掘機能夠在基坑內(nèi)順利作業(yè)。由于鋼管樁與拉森鋼板樁均為鎖扣連接，在支護樁平面布置時需按照圍護構(gòu)件尺寸相應(yīng)模數(shù)布置，以確保支護樁之間均能夠通過鎖扣嚴密咬合。逆工況設(shè)計為由下至上，分層回填壓實素土至各道支撐底以下0.5m后拆除相應(yīng)標高內(nèi)支撐。施工工序見圖4、基坑支護平面布置圖見圖5、基坑圍護典型剖面圖見圖6。由于在基坑在施工及開挖過程中需保持現(xiàn)狀污水管道的正常運行，基坑側(cè)壁與管道交匯處無法封閉，存在流土風(fēng)險。設(shè)計釆取污水管道兩側(cè)精準定位鋼管樁，以盡量靠近既有管道，縮小孔洞寬度，并在基坑土方開挖時隨土方分層開挖，及時釆用型鋼橫向焊接與兩側(cè)鋼管樁進行孔洞封堵的處理措施。3.3基坑開挖計算分析首先釆用“天漢軟件”建立二維模型進行基坑開挖變形分析，由于鋼板樁樁長設(shè)計主要考慮其防止樁間土擠出功能，計算分析時將其作為安全儲備，圍護結(jié)構(gòu)僅考慮?820mm鋼管樁剛度?；訃o樁最大計算水平位移35.9mm，位于樁頂以下約9m處。為進一步驗證數(shù)據(jù)準確性，采用有限元軟件Flac3D建立三維有限元模型，對基坑開挖全過程進行模擬分析。為了較好地刻畫土體破壞行為、得到較合理的結(jié)果，選用工程中廣泛應(yīng)用的Mohr-Clulomb破壞準備模擬巖土體的材料特性。模型尺寸采用70mx60mx50m（長x寬x深），PC工法樁采用樁單元模擬，支撐及圍標構(gòu)件采用梁單元模擬。東側(cè)基坑圍護樁最大水平位移15.05mm，位于樁頂以下約12m處。由于基坑西側(cè)現(xiàn)狀明渠地勢較低，基坑?xùn)|西兩側(cè)土壓力不平衡，以及基坑中部軟?流塑狀軟土共同作用，使得基坑水平位移呈向明渠側(cè)“鼓肚子”的趨勢。基坑水平位移云圖見圖7。通過三維數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，圍護樁對基坑變形起到了明顯的控制作用，最大位移深度位置及變形趨勢與“天漢軟件”計算結(jié)果基本吻合。但二維計算值較三維數(shù)值模擬計算值偏大，推測其主要原因是由于在“天漢軟件”二維計算中未考慮鋼板樁剛度貢獻；且本基坑平面尺寸較小，二維計算中無法考慮基坑尺寸效應(yīng)所致。通過兩種不同形式的計算分析，總體驗證了PC工法樁能夠起到在基坑開挖過程中對周邊環(huán)境變形的顯著改善作用。計算分析結(jié)果見圖83.4施工及監(jiān)測結(jié)果基坑開挖施工期間，隨著開挖深度的增加，圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移也逐漸增加。根據(jù)基坑的全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在基坑開挖至基底時，基坑圍護樁最大水平位移16.06mm,位于樁頂以下約10m處。樁頂以下20m至樁底，水平位移逐漸收斂接近零位移點?；訃o結(jié)構(gòu)的水平位移與設(shè)計計算變形趨勢基本一致，變形曲線整體呈典型的“鼓肚型”，圍護結(jié)構(gòu)對周邊土體變形起到了有效的控制作用。計算分析結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比見圖8。自圍護樁開始施工至基坑開挖到底，施工僅使用13天時間，提前達成了工期進度目標。管道改遷完畢后，隨著基坑的分層回填壓實土，拆除內(nèi)支撐，采用髙頻振動夾鉗結(jié)合跟蹤注漿方式對鋼管樁及鋼板樁進行了全部回收。本基坑從圍護樁打設(shè)、開挖、回填、圍護體系回收等全過程，周邊環(huán)境均安全穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)值均在允許控制范圍值以內(nèi)，未出現(xiàn)任何異常。驗證了在復(fù)雜環(huán)境條件下、軟土地區(qū)PC樁支護方案的可行性和可靠性?；訉嵕皥D見圖9、圖10。▍4結(jié)論本文建立“天漢軟件”二維計算模型，結(jié)合Flac3D巖土有限元軟件建立三維等比例數(shù)值模型，計算基坑開挖各工序圍護樁變形情況，并通過施工實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合對比驗證PC樁支護方案選型的安全性及合理性，得到以下結(jié)論：(1)對于計算分析而言，二維計算方法與三維計算方法基坑變形趨勢及最大位移深度基本吻合，但二維計算忽略了拉森鋼板樁(短樁)對圍護結(jié)構(gòu)的剛度貢獻，且由于本工程基坑平面尺寸小，尺寸效應(yīng)明顯，故二維計算結(jié)果變形絕對數(shù)值偏大，而三維數(shù)值分析在考慮以上因素后計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測情況更為接近。需要注意的是本基坑施工時間較短,可能存在基坑實際變形不充分的情況。PC樁施工安全性高。鋼管樁均在工廠焊接預(yù)制并探傷檢測完成后，整根吊裝打設(shè)，整體抗彎性好，有效避免現(xiàn)場焊接施工質(zhì)量缺陷。鋼管樁與鋼板樁之間采用鎖扣連接,組合形成鋼質(zhì)連續(xù)墻體，具備擋土和止水功能，成墻品質(zhì)髙。并可根據(jù)基坑開挖深度、周邊環(huán)境條件對鋼管樁直徑及壁厚進行選擇，有效控制圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。(3)綠