前撑式注浆钢管在基坑围护工程中的应用与分析

前撑式注浆钢管在基坑围护工程中的应用与分析

郑泽彬

中铁二十四局集团上海建设投资有限公司   201800

一、前言

因受上海及周边地区的地质特性影响，在单层地下室施工时，前撑式注浆钢管支撑工艺在近几年是一种比较普遍应用的新型基坑支护型式，其具有施工方便，有利于基坑开挖，施工周期短、节约施工成本等特点，与常规基坑支护体系相比较更显得有优势。现以上海市松江区某商品房项目为例，对前撑式注浆钢管支撑工艺在基坑支护工程中的应用进行总结分析，对该工艺的优缺点进行对比，为今后类似工程的施工及工艺优化提供借鉴。

二、工程概况

本项目占地面积约为46112.60㎡，总建筑面积138404.31㎡。由1#～16#楼组成，地下室1层，地上16～18层（其中3#、4#、6#、7#为5层叠墅）。工程基础型式为高强混凝土预应力管桩基础，主体结构型式为钢筋混凝土框架+装配整体式剪力墙结构。工程基坑面积42392㎡，基坑延长米约889米，开挖深度为5.5～6.0m。基坑支护采用SMW工法围护形式，内插H500型钢；北侧、东侧竖向设置φ325前撑式注浆钢管支撑，西侧、南侧竖向设置φ609钢管斜抛撑，基坑四周用C30砼浇筑压顶梁与压顶板，并设置混凝土内支撑。

前撑式注浆钢管工艺：注浆钢管桩穿越围护桩压顶圈梁至坑底以下，注浆钢管桩长25m，间距3.6m布置，钢管采用用φ325×8，单根水泥用量≥6.0t，最终注浆压力1.5～2.0MPa，钢管水平倾角均为45°，材质采用Q235B，水泥采用P.O 42.5级，水灰比0.55；钢管穿越地下室底板和外墙区域设置环形止水钢片。

三、工程地质及水文地质条件

根据勘察报告揭露，拟建场地属冲、湖积平原地层组合，主要由粘性土、粉粉性土组成，场地地势较为平坦。对本工程基坑围护体系施工影响较大的土层情况如下表1所示，拟建场地基坑开挖影响深度范围内以粘性土为主。

基坑开挖过程中需考虑的地下水类型主要为潜水。本场地内的潜水主要赋存于表部土层中，其富水性具有明显的各向异性。场地内潜水补给来源主要为大气降水，排泄方式主要为蒸发，地下潜水稳定水位埋深一般在地面以下0.40～1.50m。对基坑开挖影响较大。

表1基坑影响范围内土层情况

四、施工工艺流程

工艺流程：基坑围护体系SMW工法围护桩施工→挖除第一批土，施工圈梁及前撑式注浆钢管桩并立即跟踪注浆→分层分块挖除坑边配筋垫层设计宽度内的土方→开挖到底后8h内跟踪施工配筋垫层→穿越地下室外墙和底板区域位置的钢管焊接止水钢板环→配筋垫层强度≥80%设计强度后，分层分块挖除基坑中部区域至坑底标高范围的土方，并按要求时间内浇筑完成垫层和底板→进行地下结构至±0.000m标高施工，待地下室底板和换撑强度≥80%设计强度后，可根据实际变形情况采取间隔法对称割除前撑式注浆钢管桩或保留前撑式注浆钢管桩→基坑回填，割除墙内外前撑式注浆钢管

施工支护体系配筋垫层时应注意，开挖该区域土方需采用“岛式跳仓开挖”的形式，即先挖除坑边配筋垫层设计宽度的土方，并进行分块跳仓施工，避免支护体系在未全部形成前，因一次性暴露区段过长导致支护结构变形过大。

开挖初期，跳仓距离宜按10m左右划分为一段，即先沿支护纵向挖除一段10m左右长度的土体并施工配筋垫层，随后跳开10m左右进行下一段土体及配筋垫层的施工，如此重复跳仓施工。待相邻2块配筋垫层达到一定强度后，进行中间区域的土体及配筋垫层施工。若此期间基坑监测情况良好，可适当将跳仓距离调整为10～20m。

五、施工要点控制

5.1钢管加工制作

单节钢管杆体长度控制在6～12m，上下节钢管连接可采用捍接连接，外套钢管不小于母材箸强度。

钢管端部设置注浆段，钢管底端拉尖封闭。端部每间隔50cm梅花形布置出浆孔，孔径8～10mm出浆孔外侧设置囊袋（土工布袋）每张3m×4m，将钢管外侧包裹。

5.2打设前撑式钢管

前撑钢管采用焊接工艺连接成桩，连接点抗压强度不小于母材抗压强度。钢管桩桩段加工完成、沉桩钻机就位后，即可开始沉桩施工。沉桩施工以桩长满足设计要求为主，沉桩能力为辅进行控制。本工程前撑注浆钢管的持力层为4-2层粉土夹粉砂，密实度较好，土性较好，现场施工控制以钢管持续压入5min以上未继续下沉作为停止压桩标准，对于欠送部分钢管可予以割除。

沉桩施工过程中，根据设计要求严格控制桩身角度、桩顶标高和有效桩长，并做好对注浆孔的保护。

在打设钢管时需进行挖沟槽引孔。若土层容易打入，可直接利用带振动臂挖掘机直接压入预定深度。在压入钢管时要注意压入角度，角度太大钢管难以压入，角度太小对基坑安全不可靠。故在打设钢管时需使用振动臂挖掘机先将钢管压入一定深度，再调整角度。若角度存在较大偏差应及时进行调整，待到满足要求后可继续下压直至压入指定标高。打设时，应避开深坑部位及工程桩。

5.3泥浆拌制、储存及泵送

拌制浆液的配合比应该严格按方案及设计要求进行操作，浆液的搅拌时间以2min为宜，但不得少于1.5min。

集料斗上口应设置水平筛网，拌好的浆液在倒入集料斗时，起到对浆液进行过滤的作用。每次拌和前应计算好浆液用量，集料斗内的浆液应随拌随用，不应有过多的留存。制备好的浆液不得离析，不得停止时间太长，超过2h应降低强度等级使用，超过初凝时间的浆液不得再用。

灰浆泵所使用的压力表必须检定合格，对泵体、电器等相关设备进行检查。灰浆泵的性能应满足其产品额定值，确保其性能。

在浆液泵送前，必须确认浆液稠度符合设计及规范要求。最佳稠度应控制在8～12s范围内。

5.4钢管桩身注浆

钢管桩沉桩施工完成后即可进行注浆施工。本工程注浆施工采用3次注浆工艺，第1次注浆量为设计注浆量的60%，第2、3次注浆量各为设计注浆量的20%，每次注浆间隔时间1.5～2.5h；注浆流量不宜超过40L/min，注浆最终完成的标准以单根桩水泥用量和最终注浆压力控制：单根桩水泥用量不少于设计吨数，最终注浆压力砂性土、粉性土不超过2Mpa，粘性土中不超过1.5Mpa。

5.5钢管内灌注碎石和注浆

钢管桩身注浆完成后，钢管内填满20～40mm级配碎石，并用纯水泥浆液灌满，完成成桩。石子粒径必须满足相关的设计要求，且不宜夹杂有机物质和泥土，灌浆以溢出为标准。

5.6钢管穿越墙身和底板处理

采用前撑式注浆钢管支护技术，基坑底部通常需采用配筋垫层的做法，在施工工序上应先行施工配筋垫层部分及反压板。

前撑式注浆钢管施工需穿越外墙及地下室底板时，在底板及外墙处应有加固堵漏措施且通过止水钢板进行止水,防止渗漏，具体做法详见图1。

图1前撑式注浆钢管穿越底板和墙身处理示意图

六、施工工艺优缺点对比

6.1施工灵活简便

相较于传统的钢筋混凝土支撑而言，无需表层卸土、支撑施工、养护及拆除等繁琐工序。支护体系形成后即可开挖到底。根据施工现场场地的特点可选择多种支撑形式，如内拉式、外拉式、组合式等多种支撑形式，设计灵活，施工简便。

6.2施工工期缩短

1）常规基坑支护支撑体系的施工涉及到水平混凝土连梁支撑及灌注桩、立柱、格构柱桩等施工，以及后续支撑割除、破除等工序，施工工序比较繁琐。

2）前撑式注浆钢管支撑体系可与围护桩一起施工，工序上基本可以实现同步施工完成。后续挖土施工也可以在坑内进行大面积整体开挖方案。就本工程施工工期而言，通过现场实际对比，与常规基坑支撑体系预计节约工期30～40d。

6.3经济效益优势

对于开挖深度≤6m的基坑，基坑面积越大，其施工成本优势越明显，通过本工程实际经济核算可节省工程造价10%～20%。但当基坑开挖深度≥12m后，其钢管长度达到一定施工规模，所需的强度无法满足基坑支护本身的强度、安全及稳定性要求，已无法兼顾施工成本要求。

在确保基坑围护结构施工安全的前提下，工期得到合理缩短，对于降低施工成本、加速资金回笼进而减少资金压力，起到的经济效益较高。

6.4变形控制效果好

对本工程基坑围护体系施工影响较大的土层情况有：②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、③夹粘质粉土和④1粘土。根据上海及周边地区采用的常规重力坝施工经验，重力坝在③-⑤地基土层中变形较大且不易控制。

注浆钢管支撑顶端锚固于支护体系压顶梁之中，底部通过注浆扩大体锚固于深层土体中，坑底又有配筋垫层的加持，增强了支护体系的整体性及抗变形能力。

6.5施工工艺缺点

1）内拉式前撑式注浆钢管支撑体系，施工时需穿越地下室底板和外墙，虽然对地下室底板和外墙交叉部位采取设置止水钢板及端头封堵等措施，但该部位仍是施工薄弱点，还是易出现渗水、漏水等质量通病，且对后续施工处理造成一定的难度。

2）采用内拉式前撑式注浆钢管支撑体系，易与地下室地基基础中采用的各类管桩、灌注桩及其他桩型起冲突。根据地基基础中的桩基分布间距程度，影响程度也不尽相同，若桩基间距分布较密，造成空间交叉影响也就越明显，需要通过设计单位进行支撑位置调整。

3）前撑式注浆钢管桩在施工过程中还要尽量避开电梯井、集水坑等构件位置，在设计过程中，若无法完全避开时，应采取相应的措施以保证基坑围护结构的安全。

七、施工总结

1）经过现场实际施工及总结分析，前撑式注浆钢管支撑体系不仅完成了预期各项施工目标，也达到了预期的经济效益。本工程在施工过程中基坑各项监测指标均在设计控制范围内，未出现任何险情，通过实践证明了前撑式注浆钢管支撑应用于本工程是非常成功的案例。

2）前撑式注浆钢管支撑体系较常规内撑方案在节约工程造价、节省工期、施工便捷性方面有显著的优势。且此项技术为专利技术，后续如大规模推广运用相信会有一定的议价空间,节约工程造价方面优势会更明显。

3）基坑挖土的顺序和方法对支护结构稳定和安全影响尤其重要，基坑土方开挖过程中必须严格按照设计工况和实际施工情况进行施工方案完善并落实到位，若有土层或其它不定因素变化应及时进行相应的调整。

4）基坑施工完成后，前撑式钢管支撑部分材料可实现回收利用，采用无水平支撑设计，节省了大体量的支撑结构施工，降低施工成本，还起到低碳环保的作用。

5）前撑式注浆钢管支撑体系采取了无内水平支撑设计不仅方便了基坑挖土机械的施工，且大大的提升了挖土效率，还明显的提升了施工速度。同时还便于基坑挖土完成后快速为主体结构施工提供相应的工作面，很大程度上达到节省工期的目的。

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