PC工法桩和SMW工法桩在基坑工程中的应用与分析

PC工法桩和SMW工法桩在基坑工程中的应用与分析

文 韬 

身份证：330203199205050616

摘  要

基坑围护体系是土体、支护结构相互共同作用的有机体。因为不同基坑的周边环境、安全等级、施工工期以及经济成本等一系列因素的不同，所以支护结构的选择尤为重要。

PC工法桩工艺是这几年来刚发展起来的一种新型围护桩工艺，这种工艺主要采用型钢、钢管、拉森钢板材料而任意组合成围护桩，由于工程的复杂性，应选择比较切合实际的工法桩形式来进行组合，主要有管桩+拉森钢板桩、钢管+型钢、型钢+拉森钢板桩这三种组合方式。PC工法桩的主要优点是桩身刚度大、施工过程迅速、没有泥浆、不会产生噪音、对场地的要求比较低、能够有效的阻止水流的渗出、用完后可以回收再利用等诸多优点。

SMW工法由日本成幸工业株式会社1976年开发成功。作为基坑围护结构的一种施工方法，它在日本、美国、法国以及东南亚和台湾等许多地方得到了广泛应用。它是一种劲性复合围护结构，通过特殊的多轴深层搅拌机在现场按设计深度将土体切散，同时从钻头前端将水泥桨强化剂注入土体，使之在搅拌过程中与地基土反复混合搅拌。在各施工平面之间，采取重叠搭接，在水泥土混合体未硬之前插入受拉材料（常为H型钢），作为应力加强材料，直至水泥结硬、形成劲性复合围护墙体。这种结构充分发挥了水泥土混合体和受拉材料的力学特性，同时具有经济、工期短、高止水性、对周围环境影响小等特点。

PC工法桩和SMW工法桩技术经实践证明其在节能环保方面具有很大优势，经济效益和社会效益非常显著，具有很高的推广应用价值。

文章的主要内容由下列部分组成：

（1）简单介绍支护结构的几种形式；

（2）简述PC工法组合钢管桩和SMW工法桩的优缺点；

（3）介绍通途路综合管廊项目的工程概况以及采用PC工法桩和SMW工法桩的监测数据对比分析。

【关键词】支护结构；SMW工法桩；PC工法桩；基坑变形。

第一章 基坑支护与基坑支护结构分类

在我国经济发展较快较发达的地区，城市人口的容量也非常大、水电气等管道与网线交错分布，建筑发展趋势也是朝着高空与地下发展，所以正确地选择支护结构就显得越来越重要，不仅要节省开支而且还要能够方便在施工过程中得到应用，能够保障整个工程的安全。 根据我国相关标准对深基坑的定义：浅基坑指的是挖掘深度在5米以内的基坑，凡是挖掘深度大于5米的统称作深基坑；基坑支护结构通过使用性质划分为临时性支护结构与永久性支护结构；又根据它们在工程的重要程度划分为一级支护结构和二级支护结构。所以我们可以看出关于基坑支护结构类型的设计和选择以及他们如何施工就变得极其重要，不仅仅要符合国家的对基坑开挖的相关规定，还应当满足规范与行业标准，并且得到建设单位的肯定。

1.1 基坑支护简述

通过查阅了相关资料了解到，关于基坑支护的分类，有很多种不同的标准和方法，主要有按照基坑的深度、开挖方式、支挡结构物、使用时间的长短以及基坑的重要程度这几种形式分类。总结了各种支护结构之间的区别与使用条件之间的差异，下面主要讲述基坑工程的几种分类方法。

1.2 按基坑支护结构分类

按基坑支挡结构物分类，可以划分为以下几种形式：

常见的几种支护结构的特点及各自的适用条件等如下表1-1。

根据支护结构的受到的力的性质划分为主动受力支护结构、被动受力支护结构以及支护结构物。

受到主动力作用的支护结构主要有土钉墙支护和树根桩支护以及粘土地区的搅拌桩和高压旋喷桩支护技术，它最大的特征就是利用各种方式和施工方法来增强土体的刚度，使得支护结构能够与土体融合成一体形成一种支护体系，以此来实现支护结构稳定土体的目的。这种支护形式能够节约成本，有较好的安全性能，施工方法比较简单，工期也比较短，不会造成较大的噪音污染，与传统的支护形式相比，有很多优点，以往的支护结构与很多缺点，给施工构成了很大的不便，这些支护技术的使用改善了以往支护结构的诸多不足之处，所以主动受力的支护结构这些年发展异常迅速，尤其是土钉墙支护在工程中的推广与普及使用。

而受到被动力作用的支护结构体一般有各式各样的排桩结构、地下连续墙结构体系、桩锚支护体系以及各种围护支撑结构。它最突出的特点是支护结构靠的是自己的结构刚度、强度还要承受来自于土体及附近建筑物的侧面压力，防止土体形状的变化，能够使达到安全稳定的目的。被动受力支护结构体系在开挖深度比较大的超级深基坑支护中的使用非常地普遍，深受大家的欢迎，是一种相对比较成熟的基坑支护方法。

联合支护结构体系在土体力学特点的基础上将受主动作用的支护结构体系与受被动力作用的支护结构体系应用于同一基坑。同时具有两种支护结构体系各自的优点，从而达到节约成本，保障安全的目的，在各种基坑工程中被普遍采用，具有极其重要而深远的意义。

1.3 基坑支护类型和它们的应用范围

随着开挖深度越来越大，难度也逐渐增加，以前最开始使用的是放坡开挖，后来又发展出桩（墙）式支护结构和重力式支护结构，到目前为止已经有几十种类型，普遍使用的基坑支护结构有下面几种。

1.3.1 放坡开挖

放坡开挖首先应当正确地找出放坡的准确位置，使开挖时基坑边坡能够有足够的稳定性，防止边坡失稳。如下图1-1（a）所示：

放坡开挖一般适合在基坑附近地基土壤质量比较好、跟现场原有建筑物之间保持合适的距离、工程施工场地较大能够适合用于放坡。放坡开挖是一种比较经济的开挖方式，由于没有用到任何支挡结构物，所以特别适合在地下进行施工。因此，如果能够满足放坡开挖的各种条件，最好的开挖方式就是放坡开挖。

在工程进行放坡开挖的时候，为了使的边坡更加稳定，减少土方开挖的工作量，可以使用多种措施进行加固，比如：在坡脚利用草袋或者石块的重力进行挡土，或者用水泥砂浆在坡面进行加固

图1-1 放坡开挖与悬臂式支护结构

1.3.2 悬臂式桩（墙）支护结构

悬臂式桩、钢板桩、（墙）支护结构一般情况下使用钢筋混凝土灌注桩、预制方桩、预制管地下连续墙等结构形式来进行支护，悬臂式支护结构对材料的刚度要求很大。如上图1-1（b）所示。

悬臂式桩（墙）支护结构因为它在受力上比较简单，便于求解。最大的特点是保持安全与稳定的方式是利用支护结构较大的埋深与其自身的抗弯强度。悬臂式桩（墙）支护结构在基坑挖掘深度上不应太大，如果变形超过了合理范围就会对附近建筑、路基、水电输送管道造成干扰。所以，这种支挡结构体系一般只适用于土壤性能好，附近没有其他建筑，基坑挖掘深度不大的工程。

1.3.3 水泥土重力式挡土墙支护结构

水泥土重力式挡土墙是采取深层搅拌法或高压喷射注浆法将水泥浆固化剂与地基土进行原位强制拌合，浇筑成水泥土桩，凝固后就会变成强度较大的壁状挡墙，它不仅可以挡土而且可形阻止水流的渗出，能够有效的保障基坑边坡的稳定性能。其示意图如图1-2（a）所示。

因为水泥土的受力特点是抗压性能较好而抗拉性能很差，在受到拉力作用时的变形比较严重，基坑开挖深度较不大的情况下，水泥土重力式支挡结构的使用比较普遍。深层搅拌桩按照材料构成可以划分为两种形式，其一为深层搅拌水泥土桩，其二为深层搅拌水泥砂桩，重力式支挡结构一般能够用在土层性质较差的软粘土、砂土甚至于淤泥质土地区，它们的挖掘深度一般都不会超过6m。高压喷射桩普遍用在砂类土、卵石地层中，构成了水泥土、水泥卵石围护结构。

图1-2 水泥重力式支档结构体系与内撑式支挡结构体系示意图

1.3.4 内撑式支护结构

内撑式支护结构体系的构成要素一般有附近的围护结构设施及其自身的支撑结构。四周的围护设施一般使用钢筋混凝土排桩、钢筋混凝土墙、钢板桩和地下连续墙的形式构成；内部支撑结构使用钢管（或型钢）支撑和钢筋混凝土进行支撑。在基坑工程开挖过程中，如果开挖的深度较浅，只需要使用单层支撑或者斜支撑就能够满足需求，如果挖掘深度比较深，这是最好使用多层支撑才最保险，如图1-2（b）所示，内撑式支护结构在工程上被普遍使用，可以在很多土层和各种深度下使用。当基坑的平面尺寸较小且周围施工现场也不是很宽阔的时候，或不破坏附近基坑边原有建筑物或地下管道线路或在土层物理力学性质较差的土质上进行施工，使用内撑式支挡结构体系效果最佳，能够充分发挥其作用。

1.3.5 拉锚式支护结构

拉锚式支护结构的组成部分有围护结构和锚固结构。围护结构与内撑式支护结构非常相似，其组成形式一般有钢筋混凝土排桩、钢板桩、钢筋混凝土墙、钢板桩以及地下连续墙等等。 锚固结构又可以划分成地面拉锚结构和锚杆（锚索）结构这两种形式，地面拉锚结构应当设置地锚或别的大型建筑物作为锚固物，土体应当传给锚杆（锚索）锚固力应当满足锚杆（锚索）的需求。锚杆(锚索)的分布会因为开挖深度的不同而有所变化，国家制定的相关规范规定锚杆（锚索）之间的纵向距离应该是2m。拉锚支挡结构物如下图1-3（a）所示。

浅基坑中使用最多的就是地面拉锚结构，大多数都是钢板桩。锚杆式支护结构的使用条件比较严格，其只能在土壤的物理力学性质较好的沙土与黏性土的地基上使用，且在用地红线外的土层允许使用，否则将会破坏原有建筑物的稳定性。利用钢筋或者钢丝绳把基坑上面的支档结构锚固在锚桩上，并使它们能拥有合适的距离。

图1-3 拉锚式支护结构体系与土钉墙支护结构体系示意图

1.3.6 土钉墙支护结构

    护结构是在挖掘基坑的同时在边坡安放土钉（大多数情况是利用钻孔、插筋和注浆来进行作业），还应当在边坡上面防止钢筋网，并进行喷混形成钢筋混凝土面，使其能够变成加筋重力式挡土结构，增强其刚度与稳定性。如图1-3（b）所示。

    土钉墙支护结构的使用条件一般是在地下水位上方或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散性砂土、砾石土等土层上。不应当在淤泥质土及未经降水处理地下水位以下的土层上使用。土钉墙支护基坑的开挖深度通常在18米以内，使用时间也不宜过长，一般情况不应当超过一年半。

从开始在基坑中使用土钉墙支护结构，就因为其物美价廉、工艺简单、节省时间等一系列的好处而被普遍地应用。从字面上的意思我们就能猜到，就是利用钉子来对土体进行加固。现在的地质条件越来越恶劣各种条件错综发杂地交织在一起，这就使得土钉也应紧跟步伐，也发生着改变，但是他的本质并没有改变，就是在滑动面刚刚形成的时候，把土钉插入并穿出土体就好像手术针将伤口缝合一样，能够有效组织土体的往下移动。钢管土钉的抗拔能力跟普通的钢筋土钉相比要差一点，由于其施工比较方便，所以被大家普遍地使用。

第二章 PC工法桩和SMW工法桩的优劣

2.1 PC工法桩的优缺点

PC工法桩工艺是最近几年刚刚发展起来的全新的围护桩工艺方法，它主要是利用钢管、型钢、拉森钢板材料形式，能够随意组合为围护桩，再通过了解实际工程的需要来对工法桩组合形式进行选择，一般的组合形式有管桩+拉森钢板桩、钢管+型钢、型钢+拉森钢板桩。

PC工法桩的优点：

（1）主材可回收环保无污染；

（2）施工速度快；

（3）无需考虑水电配套；

（4）钢质连续墙体挡土止水；

（5）桩体强度高，抗弯抗剪性能好；

（6）适用各种土层地质条件；

（7）产品质量直观易控；

（8）中心距任意调整。

PC工法桩的缺点：

（1）PC工法桩的优点：

（2）材料定尺，不能微调；

（3）后期拔桩需要机械施工场地。

2.2 SMW工法桩的优缺点

SMW工法是是一种劲性复合围护结构，通过特殊的多轴深层搅拌机在现场按设计深度将土体切散,同时从钻头前端将水泥桨强化剂注入土体,使之在搅拌过程中与地基土反复混合搅拌。在各施工平面之间,采取重叠搭接,在水泥土混合体未硬之前插入受拉材料（常为H型钢）,作为应力加强材料,直至水泥结硬、形成劲性复合围护墙体。

SMW工法桩的优点：

（1）造价相对便宜；

（2）止水挡土等尺寸完成可充分利用土地资源；

（3）施工速度快；

（4）没有泥浆污染；

（5）施工环境相对于灌注桩略好；

（6）劲性材料拔除后无障碍物。

SMW工法桩的缺点：

（1）主材水泥是污染源不环保；

（2）对施工场地要求比较高需要能满足大型桩机行走的硬化道路；

（3）大型桩机重心高安全系数小；

（4）配套水电要求较高；

（5）水泥掺入比，有效搭接尺寸以及劲性材料的焊接定位都是质量隐患；

（6）劲性材料无法等尺寸布置；

（7）维护墙体R弧部位薄弱；

（8）后期拔桩需要足够的道路；

（9）隐蔽施工无法预估质量风险。

第三章 实际工程案例

3.1 工程概况及工程地质

3.1.1 工程概况

通途路综合管廊总长约 5.3 公里，西起世纪大道，东至东外环。起终点接入福明变、规划新乐变段管廊采用开挖施工，明挖段长度约 0.7km，其余段管廊均采用盾构施工，管廊盾构长度约为4.6km。在海晏路及东外环处各设置电力顶管隧道，总长约174m。

综合管廊盾构段沿线在主要道路交叉路口共设置了9个盾构工作井，4个盾构区间，2个明挖区间，2个电力顶管，本工程施工共分为两个标段。

2个明挖区间同时采用PC工法桩和SMW工法桩做基坑围护结构。

Ⅰ标段明挖管廊：起点明挖段总共包含A、B、C、D四个分区：

（1）A区：长339.5m；开挖深度为6.5~7.5m；基坑等级为二级；采用PC工法桩作围护结构，钢管桩长为20m，拉森钢板桩长为18m；采用一道钢支撑作内支撑；

（2）B区：长15.9m；开挖深度为9.7m；基坑等级为一级；采用SMW工法桩作围护结构，桩长为24.5m；采用一道砼支撑加两道钢支撑作内支撑；

（3）C区：长43m；开挖深度为6.3~6.5m；基坑等级为二级；采用拉森Ⅳ型钢板桩作围护结构，桩长为18m；采用一道钢支撑作内支撑；

（4）过渡区：长13.8m；开挖深度为6.8~11m；基坑等级为一级；采用SMW工法桩作围护结构，桩长为27m；采用一道砼支撑加一道钢支撑作内支撑；

（5）D区：长24m；开挖深度为11.4m；基坑等级为一级；采用SMW工法桩作围护结构，桩长为27m；采用一道砼支撑加两道钢支撑作内支撑。

Ⅱ标段明挖管廊：终点明挖段总共包含E、F、过渡段、G四个分区：

（1）E区：长58m；开挖深度为11~12m；基坑等级为一级；采用SMW工法桩作围护结构，桩长为32m；采用一道砼支撑加两道钢支撑作内支撑；

（2）F区：长56m；开挖深度为10~11m；基坑等级为一级；采用SMW工法桩作围护结构，桩长为29.5m；采用一道砼支撑加两道钢支撑作内支撑；

（3）过渡区：长6.9m；开挖深度为6.8~9m；基坑等级为二级；采用SMW工法桩作围护结构，桩长为27m；采用一道砼支撑加一道钢支撑作内支撑；

（4）G区：长62.5m；开挖深度为6.5m；基坑等级为二级；采用PC工法桩作围护结构，钢管桩长为20m，拉森钢板桩长为18m；采用一道钢支撑作内支撑。

3.1.2 工程地质

在勘探深度范围内，本场地自地表至78.7m深度范围内所揭露的土层均为第四纪松散沉积物，按场区勘察深度以浅地基土划分为9个工程地质层，27个亚层和夹层，所见土层自上而下依次为主要土层分布如下：①1a层杂填土、①1b层素填土、①2层黏土、①3b层淤泥质黏土、②1层粘土、②2b层淤泥质黏土、③1b层砂土、③2层粉质粘土夹粉砂、④1b层淤泥质黏土、④2a层黏土、④2b层粉质粘土、⑤1a层黏土、⑤2层粉质粘土、⑤3a层粘质粉土、⑤3T层粉质黏土、⑥2t层粘质粉土、⑥2层粉质粘土、⑥3a层黏土、⑥3b层粘质粉土、⑥4层粉砂、⑦2层粉质粘土、⑧1层粉砂、⑧2层粘质粉土、⑧3a层粉砂、⑨1a层粉质黏土、⑨1t层含粘性土粉砂。

3.2 监测数据分析

由于起点明挖段仍在施工中，因此本次仅介绍终点明挖段。终点明挖段自2018年11月17日开挖至2019年4月23日顶板浇筑完成，一共分为E、F、G、过渡段 4个分区开挖，如图3-1所示，时间共计157天。

因为不同分区的围护形式、支撑形式、开挖深度、开挖时间、施工工艺、基坑等级以及报警值等因素的不同，所以不能直接拿来相互比较，因此下文通过实测数据与设计规范要求作对比分析，得出PC工法桩和SMW工法桩在本工程中的使用效果。

图3-1 终点明挖段分区示意图

图3-2 PC工法桩和SMW工法桩现场照片

3.2.1 深层桩体水平位移比较

SMW工法桩：测斜最大累计值为161.55mm，9个测斜孔均超过设计报警值±50mm，8个测斜孔超过相对基坑深度控制值0.5%；

PC工法桩：测斜最大累计值为81.27mm，1个测斜孔超过设计报警值±80mm，2个测斜孔超过相对基坑深度控制值0.7%。

详细数据如下表3-1所示：

表3-1 终点明挖段不同分区测斜数据

采用SMW工法桩，100%的测斜累计值超过设计报警值，89%的测斜相对基坑深度控制值超过规范要求；

采用PC工法桩，只有17%的测斜累计值超过设计报警值，33%的测斜相对基坑深度控制值超过规范要求。如图3-2、3-3所示。

图3-2 实测值超过设计报警值的数量占比

图3-3 实测值超过相对基坑深度控制值的数量占比

采用SMW工法桩，测斜平均累计值是设计报警值的226.12%，测斜平均相对基坑深度控制值是规范要求205.33%；采用PC组合钢管桩，测斜平均累计值是设计报警值的56.18%，测斜平均相对基坑深度控制值是规范要求98.57%。如图3-4所示。

图3-4 实测均值超过报警值和相对基坑深度控制值的百分比

3.2.2 地表沉降比较

SMW工法桩：地表沉降最大累计值为-105.06mm，26个地表点超过设计报警值±25mm；

PC工法桩：测斜最大累计值为-116.40mm，3个地表点超过设计报警值±50mm。

详细数据如下表3-2所示：

表3-2 终点明挖段不同分区地表沉降数据

采用SMW工法桩，90%的地表点累计值超过设计报警值；采用PC组合钢管桩，只有14%的地表点累计值超过设计报警值。如图3-5所示。

图3-5 实测值超过设计报警值的数量占比

采用SMW工法桩，地表点平均累计值是设计报警值的201.63%；采用PC组合钢管桩，地表点平均累计值是设计报警值的45.74%。如图3-6所示。

图3-6 实测均值超过报警值的百分比

实测数据表明，在基坑开挖深度较浅的情况下，使用PC工法桩做基坑围护结构效果较好，能够满足设计、规范的要求。

第四章 结论

4.1 结论

在工程建设中，基坑支护尤为重要，本文在进行实际测量和分析，最终总结出下面几条结论：

（1）使用多种方法与评判标准来对不同的支护结构类型进行对比，判断施工是否可行、能否达到安全标准和能否节约经济成本，通过对比选出最适合工程的最有利的方案。

（2）SMW工法桩在国外（尤其日本）应用很广泛，具有很高的经济效益，工程适应性也比较强。但是在本工程中的应用情况却不容乐观，没有达到预期的效果。

（3）PC 工法桩改变了钢管桩上企口位置使桩与桩之间的距离发生变化，钢管桩之间又可以安排插放多个钢板桩，使得以前的围护桩它们在桩间距上的缺陷得到了完善，使得设计方案更加节省成本也更加合理。在实际工程中也证明了使用PC工法桩有良好的效果。