饶 倩

（上海黄浦江越江设施投资建设发展有限公司，上海市 200093）

0 引言

随着我国经济的发展，城市化进程的加速，在土地资源日趋紧张的今日，利用或改造地下空间迫在眉睫。

目前，地下空间的开发多集中在浅层空间（地下0～15 m），主要采用明挖法和非开挖工法实施。明挖法具有工艺成熟、适应性强等优点，当基坑开挖深度不深时，应用广泛。

常见的基坑围护体系有钢板桩、钻孔灌注桩、型钢水泥土搅拌桩（SMW）、地下连续墙等结构。钢板桩具有轻型、施工速度快的特点，基坑施工结束后可拔除，循环利用性好，但刚度较小，变形大，一般适用于开挖深度不大、周边环境保护要求不高的基坑工程；型钢水泥土搅拌桩即为受力结构，又做隔水帷幕，内插型钢可回收，软土地区开挖深度一般不大于13 m，且施工机械平面尺寸大、高度高，对施工场地有较高要求；钻孔灌注桩适用性广、工艺简单、噪声小、不存在挤土效应，但环保性较差，会成为地下障碍物，不利于城市地下空间的全方面开发；地下连续墙适用于于开挖深度较大、对环境保护等级要求高的基坑工程，墙体刚度大、施工安全性高，通常在其他围护结构无法满足要求时采用，但工程费用巨大。

因此，很有必要研制一种快速施工、绿色环保、满足多种要求的基坑围护结构。近年来，一种新型围护结构——钢管桩，由于其承载能力大、规格多、桩长易调整、循环利用浪费少、施工速度快等诸多优点，在各种工程中得到了应用：宝兰客专王家沟隧道饱和黄土软弱地基加固措施[1]即采用钢管桩加固。

为此，有必要从承载性能、工程可行性等角度研究钢管桩的特点，可为相似工程所借鉴。

1 工程概况

本文以上海市武宁路快速化改建工程为背景，拟开挖基坑工程为10 m 宽、10 m 深条形基坑，共设两道支撑：第一道钢筋混凝土支撑：800 cm×800 cm，第二道钢支撑规格：D 609×16。

由上至下依次发育的土层为：①1-1杂填土、②1褐黄～灰黄色粉质黏土、②3-1灰色黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉质黏土、⑥暗绿～草黄色粉质黏土、⑦1草黄～灰黄色粉砂、⑦2灰黄～灰色粉砂、⑧1灰色粉质黏土、⑧2-1灰色粉质黏土夹粉土。相关力学参数及层厚见表1。

表1 土层参数表

为研究比较各种围护结构的差异性，本文选取三种围护结构做比较：预制钢管桩（φ1 m×20 mm）、钻孔灌注桩（φ1 m）、型钢水泥土搅拌桩（密插型钢HN 700×300×11×24）。

2 围护结构模拟分析

2.1 有限元计算软件

本次数值模拟采用M idas-GTS（-NX）[2]软件进行分析。GTS-NX（New experience of Geo-Technical analysis System）是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，可进行二维和三维的有限元模拟分析，全方位真实模拟多种施工工况。

2.2 力学参数及本构模型选取

围护结构、混凝土支撑及钢支撑等结构，一般处于弹性受力状态，本文采用各向同性弹性模型模拟[3]。

描述土体的本构模型（应力-应变关系）有很多：摩尔库伦模型、DP 模型、HS 模型[4]等，其中，HS模型为等向硬化弹塑性模型，可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，采用MC 破坏准则，适合于对多种土类的破坏和变形行为的描述。本文根据上海地区多为软土以及基坑开挖卸载等特点，选取HS 模型作为土体的本构模型，如图1 所示。

图1 HS 模型应力-应变关系图

围护、支撑等结构及土体力学参数及本构模型见表2。

表2 各结构参数及本构模型表

2.3 施工工况

为降低不同变量影响，本文分析的不同围护结构仅类型及直径不一致（水泥土搅拌桩不考虑水泥土受力），围护结构桩长、支撑、开挖埋深等均相同。

基坑开挖模拟步骤如下：

步骤1 如图2 所示，土体自重应力平衡；

图2 土体应力平衡

步骤2 如图3 所示，分别施做不同围护结构；

图3 施做围护结构（钢管桩为例）

步骤3 如图4 所示，开挖至第一道支撑底，施做第一道混凝土支撑；

图4 开挖，架设第一道支撑

步骤4 如图5 所示，开挖至第二道支撑底，施做第二道钢支撑；

图5 开挖，架设第二道支撑

步骤5 如图6 所示，继续开挖至坑底。

图6 开挖至坑底

2.4 模型建立

最终可建立三种围护结构的有限元模型，如图7至图9 所示。

图7 钢管桩有限元模型图

图8 钻孔灌注桩有限元模型图

图9 型钢水泥土搅拌桩有限元模型图

3 承载性能分析

从围护结构的水平变形、地表沉降、支撑内力三个方面出发，分析比较不同围护结构的承载性能。

3.1 围护结构水平变形

基坑围护结构水平变形受结构刚度影响较大，通过软件计算得到围护形式的水平位移分布图，如图10 所示。

图10 围护水平位移对比图（单位：mm）

从图10 可以看出，各类围护结构基本呈现抛物线形的变形形态，坑底附近水平位移达到最大值；且钢管桩的水平位移最小，并不会导致围护结构水平位移的增大。

从墙体水平位移角度考虑，钢管桩能满足相关水平位移控制要求。

3.2 支撑内力

围护结构刚度大，则支撑所受内力相对较小；围护结构刚度小，则支撑所受内力较大。为此，所选围护结构必须确保支撑的安全可靠。通过计算得到，不同围护结构两道支撑所受轴压力大小见表3。

表3 支撑轴压力

从上表可以看出，钢管桩围护结构并不会导致支撑内力的突变，不论混凝土支撑、钢支撑，内力均无明显变化。在采用钢管支撑时，只需按照普通支撑设计方法设计即可确保安全可靠。

3.3 地表沉降

受基坑开挖影响，坑外地表会发生沉降。若所选围护结构导致地表沉降过大，就会导致周边建筑物发生倾斜，甚至倒塌等问题。因此，有必要研究钢管桩对地表沉降的影响，即研究坑外地表沉降曲线分布。

根据工程实践经验，沉降曲线分为凹槽形和三角形沉降[5]。通过有限元软件计算得到，不同围护结构的坑外地表沉降曲线，具体如图11 所示。

图11 坑外地表沉降对比图（单位：mm）

从上图可看出，不同围护结构的坑外地表最大沉降发生位置离基坑水平位移约0.7H（基坑开挖深度）～0.8H；若采用钢管桩围护结构，坑外地表最大沉降可比SMW 减小约70%，比钻孔灌注桩减小约20%，采用钢管桩围护结构并不会导致坑外地表沉降增大。

因此，从坑外地表沉降角度考虑，钢管桩能够满足相关控制要求。

4 工程实施性

4.1 施工高效性

施做钻孔灌注桩围护结构时，需要进行绑扎钢筋笼、挖孔、吊装、浇筑混凝土、止水帷幕施工等多个施工步骤，工序较繁琐，施工效率相对较低；施做SMW 工法桩时，需要进行重复搅拌、插入型钢、等待浆液硬化等施工步骤，施工效率并不太高。

相对而言，预制钢管桩是一种更加快速、更加经济的选择，在江浙沪中已得到大量应用，如图12 和图13 所示。

图12 预制钢管桩

图13 围护结构施做图

杭州阿里巴巴西溪园区四期项目，采用了钢管桩作为围护结构，由ICE 公司的416L 型液压振动锤施工插拔，实现了几分钟打入一根钢管桩的施工效率。

预制钢管桩之间存在锁扣，可通过内插钢板桩，实现围护止水的效果，并不需要另外施做止水帷幕，如图14 所示。

图14 钢管桩与钢板桩连接图

因此，采用预制钢管桩在施工技术上是可行的。

4.2 绿色环保性

钻孔灌注桩围护结构由钢筋混凝土组成，会永久地遗留在地下，若未来地下空间规划变更，会成为影响后续建筑物施工的障碍物，不利于地下空间的可循环利用，绿色环保性较差；SMW 工法桩内插型钢可拔除以重复利用，相对较绿色环保，但在施工过程中需要大量泥浆，而施工场地的泥浆处理往往难以达到文明施工的要求。

施做预制钢管桩围护结构时，可通过拔除预制钢管，实现尽可能降低对后期建筑物的影响，并可达到反复利用、降低造价的目的；且整个施工过程中基本不存在泥浆湿作业，更容易达到文明施工的目标。

4.3 质量可控性

钻孔灌注桩以及SMW 工法桩均需在施工现场完成，施工质量不易保证，且在地下成桩，无法检验施工质量。预制钢管桩可在工厂内加工，施工质量易于保证，且加工效率最高。

5 结语

通过有限元分析以及工程实例研究，得出以下结论：（1）预制钢管桩在承载性能上可行，钢管桩围护在围护结构水平变形、支撑内力、地表沉降三个方面的性能与普通围护无明显差异；（2）预制钢管桩在工程实施性上具有较好的优势：施工快速高效、绿色环保、质量可控、易于加工。预制钢管桩能较好地满足工程需求，是一种安全可靠、绿色环保、施工快速的围护结构。