董 磊

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，地下空間的開發(fā)成為一種必然的發(fā)展趨勢，例如高層建筑地下室、地下倉庫、地下商場、地下停車庫、城市地鐵、地下民防工事以及各種其他地下設(shè)施等［1］。地下空間的開發(fā)使得建筑基坑規(guī)模越來越大［2］。

基坑工程中常見的剛性支護(hù)形式主要有地下連續(xù)墻、護(hù)坡樁、重力式水泥擋土墻［3］以及 SMW工法樁［4］。

以上剛性支護(hù)形式中，除SMW工法樁可對型鋼進(jìn)行回收外，其他支護(hù)形式均不具備材料重復(fù)利用的功能。

SMW工法樁是由型鋼和水泥土攪拌樁組合形成的一種復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)，適用范圍為高壓縮性土層。臨時(shí)性支護(hù)使用功能結(jié)束后，型鋼可被回收再利用［5］，水泥土無法回收。針對低壓縮性土地層，沒有配套使用的可回收剛性支護(hù)的施工工藝。

上述剛性支護(hù)形式中，護(hù)坡樁應(yīng)用最為廣泛［6］，市場上針對不同地層的施工工藝包括“旋挖鉆機(jī)成孔，水下灌注混凝土”以及“長螺旋鉆機(jī)成孔，后插鋼筋籠”等［7-9］?；臃什刍靥詈?，護(hù)坡樁失去其作用，造成鋼筋、混凝土等材料的浪費(fèi)。因此研究一種在基坑肥槽回填后，可重復(fù)使用的護(hù)坡樁具有極高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益［10］。

國內(nèi)外關(guān)于可回收護(hù)坡樁的應(yīng)用尚不廣泛，主要原因在于沒有可應(yīng)用的形式替代鋼筋混凝土護(hù)坡樁或回收難度大。

2 可回收鋼結(jié)構(gòu)基坑護(hù)坡樁設(shè)計(jì)

可回收鋼結(jié)構(gòu)基坑護(hù)坡樁（以下簡稱鋼結(jié)構(gòu)樁）采用一種圓管形鋼結(jié)構(gòu)替代目前常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)護(hù)坡樁（以下簡稱鋼混樁）。在樁成孔后，吊放鋼結(jié)構(gòu)樁，與外部混凝土或水泥凈漿形成整體?；娱_挖過程中由鋼結(jié)構(gòu)樁承擔(dān)外部結(jié)構(gòu)荷載。待基坑回填后，采用隔離劑、通過千斤頂、吊車等外力將鋼結(jié)構(gòu)分節(jié)吊出，待下個(gè)工程使用。

2.1 構(gòu)件組成

鋼結(jié)構(gòu)樁及起拔設(shè)備（見圖1）由錐形鋼管、預(yù)留孔洞、千斤頂、反力梁及提升杠組成，立面示意見圖2。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)樁提升裝置

圖2 鋼結(jié)構(gòu)樁立面圖

2.2 保證鋼結(jié)構(gòu)樁拔出的設(shè)計(jì)措施

鋼結(jié)構(gòu)樁替代鋼混樁的核心問題在于鋼結(jié)構(gòu)樁能否拔出。保證鋼結(jié)構(gòu)樁拔出的設(shè)計(jì)措施主要有以下4個(gè)方面：

（1）上粗下細(xì)的錐形設(shè)計(jì)

采用上粗下細(xì)的圓錐形圓鋼管，這種形式存在易于拔出的優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)樁受到千斤頂提供的外力后，產(chǎn)生向上的位移，由于上粗下細(xì)的圓錐形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整體圓鋼管與周圍混凝土或水泥凈漿脫離形成空隙。此時(shí)，更換吊車提供外力，完成吊運(yùn)工作，相比較SMW工法樁的型鋼回收工藝，可大幅提高拔樁效率。

（2）鋼結(jié)構(gòu)樁的起拔部分的細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在千斤頂施加外力的過程中，鋼結(jié)構(gòu)樁本身必須保證足夠的強(qiáng)度，以地下3層的建筑為例，基坑深度15 m，設(shè)計(jì)護(hù)坡樁樁徑800 mm，樁長20 m，樁側(cè)土層側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值60 kPa，經(jīng)計(jì)算單樁樁側(cè)承載力特征值約270 t。必須保證千斤頂提供270 t的外力后鋼結(jié)構(gòu)樁不變形。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)樁拔出的外力要求，鋼結(jié)構(gòu)樁頂部90 cm需進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，圖3為加強(qiáng)區(qū)設(shè)計(jì)。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)樁頂部的加強(qiáng)設(shè)計(jì)

加強(qiáng)區(qū)相對非加強(qiáng)區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下4點(diǎn)：

①加強(qiáng)區(qū)鋼結(jié)構(gòu)樁壁厚增加到30 mm；

②增設(shè)壁厚20mm的格構(gòu)板，提高加強(qiáng)區(qū)整體性；

③增設(shè)起拔孔，用于為構(gòu)件拔出提供反力；

④加強(qiáng)區(qū)頂部設(shè)置鋼絲繩吊孔，用于鋼結(jié)構(gòu)樁配合吊車的起吊。

（3）采用隔離劑降低側(cè)摩阻力

為進(jìn)一步降低鋼結(jié)構(gòu)樁拔出時(shí)承受的周邊側(cè)摩阻力，鋼結(jié)構(gòu)樁周邊設(shè)置隔離劑。設(shè)計(jì)的隔離劑主要有3種方案，分別為脫模劑+薄膜、黃油+薄膜、黃油+塑料布。

（4）拆除鋼腰梁

為配合鋼結(jié)構(gòu)樁拔出，原支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼腰梁需拆除。原支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿的拉應(yīng)力通過鋼腰梁作用在護(hù)坡樁上，若不拆除鋼腰梁，則反力一直存在，鋼結(jié)構(gòu)樁難以回收。

拆除鋼腰梁前，肥槽應(yīng)回填至錨桿標(biāo)高處，原錨桿承受的拉應(yīng)力通過肥槽回填土分擔(dān)在結(jié)構(gòu)外墻及結(jié)構(gòu)板上。拆除鋼腰梁應(yīng)割斷錨桿鋼絞線，斷開鋼腰梁與護(hù)坡樁的連接。最后將鋼腰梁分段外運(yùn)。

由于鋼腰梁通常由采用大截面工字鋼制作，鋼腰梁拆除后可按廢鋼材折價(jià)回收，鋼腰梁的拆除已經(jīng)作為成熟的工法大范圍使用，不再論述。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)樁替代鋼筋混凝土樁的設(shè)計(jì)驗(yàn)算

為實(shí)現(xiàn)材料的周轉(zhuǎn)，鋼結(jié)構(gòu)樁需滿足不同地層、不同基坑深度等工況的綜合適用性問題［11］。

針對上述情況，在最不利工況下，鋼結(jié)構(gòu)樁設(shè)計(jì)采用頂部直徑630 mm，底部直徑530 mm，壁厚9 mm的模型，針對不同地層，大量案例的反復(fù)驗(yàn)算，該模型在以下條件下，能夠滿足適用性。

（1）對于樁頂位于地表的支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度10.0 m以內(nèi)；

（2）對于在樁部進(jìn)行放坡設(shè)計(jì)的支護(hù)形式，即“頂部土釘墻+樁錨支護(hù)形式”、“頂部擋土墻+樁錨支護(hù)形式”，基坑開挖深度13.0 m以內(nèi)；

（3）護(hù)坡樁成孔范圍內(nèi)的土層以IL＜1的黏性土、粉土、粉細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂為主；

（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級為二級或者三級。

在不滿足上述條件的情況下，需首先進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)樁替代鋼筋混凝土樁的適用性分析。

下面以表1所示的設(shè)計(jì)工況下驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)樁的強(qiáng)度、基坑整體穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移。

表1 鋼結(jié)構(gòu)樁設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼結(jié)構(gòu)樁長度13.5m，頂部外露冠梁部分高50 cm。頂部鋼結(jié)構(gòu)樁直徑630 mm，底部直徑530 mm。底部設(shè)置錐尖，錐尖高度500 mm。

（1）鋼結(jié)構(gòu)樁強(qiáng)度驗(yàn)算

基坑內(nèi)側(cè)抗彎驗(yàn)算：

基坑外側(cè)抗彎驗(yàn)算：

基坑構(gòu)件抗彎剛度計(jì)算中，鋼結(jié)構(gòu)樁直徑按照截面530 mm進(jìn)行驗(yàn)算。

經(jīng)過驗(yàn)算分析，鋼結(jié)構(gòu)樁剛度滿足抗彎驗(yàn)算要求。

（2）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks＝1.669。

（3）鋼結(jié)構(gòu)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性分析

鋼結(jié)構(gòu)樁替代鋼混樁作為擋土結(jié)構(gòu)，剛度降低后，支護(hù)體系彎矩降低、水平位移增大。

基坑開挖至基底標(biāo)高后，采用彈性法計(jì)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移為21.71mm；最大負(fù)彎矩為233.61 kN·m，最大正彎矩為170.16 kN·m。

針對上述工況，φ530×9.0的鋼結(jié)構(gòu)樁設(shè)計(jì)，最大水平變形限值能夠滿足規(guī)范要求。

3 可回收鋼結(jié)構(gòu)基坑護(hù)坡樁的施工應(yīng)用

3.1 應(yīng)用項(xiàng)目概況

應(yīng)用項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)?；悠矫娉叽缂s253.47 m×155.44 m，基底標(biāo)高約35.20 m，開挖深度約6.80～8.80 m。

場地地層巖性由上至下依次可分為：素填土①、一般第四紀(jì)沉積土層（包括粘質(zhì)粉土②1與砂質(zhì)粉土②2、砂質(zhì)粉土③1與粉質(zhì)黏土③2、細(xì)砂④、粉質(zhì)黏土⑤、粉質(zhì)黏土⑥1與砂質(zhì)粉土⑥2、粘質(zhì)粉土⑦1與粉質(zhì)黏土⑦2、粉質(zhì)黏土⑧1與粘質(zhì)粉土⑧2）。

為驗(yàn)證新體系的應(yīng)用效果，在同一基坑內(nèi)不同邊坡位置分別施工鋼結(jié)構(gòu)護(hù)坡樁與鋼筋混凝土護(hù)坡樁。圖4為鋼結(jié)構(gòu)樁開挖過程現(xiàn)場照片。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)護(hù)坡樁開挖過程

3.2 施工工序

（1）采用螺旋鉆機(jī)成孔。成孔直徑800 mm。成孔后灌注一定量的混凝土，混凝土灌注量等于鉆孔體積減去密閉鋼結(jié)構(gòu)樁體積。

（2）吊放預(yù)制好的鋼結(jié)構(gòu)樁（吊放過程視需要配合施工振動(dòng)錘）。隨鋼結(jié)構(gòu)樁下放，已經(jīng)灌注的混凝土被擠壓，充滿鉆機(jī)成孔與鋼管間的空隙。

（3）鋼結(jié)構(gòu)已吊放到位。鋼結(jié)構(gòu)尺寸高出地表50 cm，方便肥槽回填后，鋼結(jié)構(gòu)樁的吊出。

（4）鋼結(jié)構(gòu)樁施工完成后，上部用冠梁連接。

（5）鋼結(jié)構(gòu)樁與冠梁施工完成后，正常施工錨桿與鋼腰梁。

（6）基坑開挖至槽底完成上部結(jié)構(gòu)施工。肥槽具備回填條件。

（7）肥槽回填，錨桿鋼腰梁拆除。鋼結(jié)構(gòu)外露地面以上部分連接鋼結(jié)構(gòu)樁拔出裝置（見圖1）。通過千斤頂將鋼結(jié)構(gòu)樁頂松（鋼結(jié)構(gòu)上粗下細(xì)設(shè)置），后采用汽車吊吊出。

（8）鋼結(jié)構(gòu)拔出后，由于樁孔四周的混凝土保護(hù)，樁體不塌孔。嵌固深度部分回填素混凝土，上部回填素土。鋼結(jié)構(gòu)樁回收，存放。備用下個(gè)工地。

3.3 基坑變形監(jiān)測

在同一基坑內(nèi)的不同位置處，監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)樁與鋼混樁在相同的開挖深度、錨桿設(shè)計(jì)情況下，對比兩種體系抵抗變形方面的能力，對比參數(shù)選取深層水平位移以及樁頂位移。

（1）深層水平位移

基坑開挖結(jié)束后，通過預(yù)先埋置的測斜管，對比鋼結(jié)構(gòu)樁與鋼混坡樁深層水平位移。鋼混樁深層水平位移最大值為25.2 mm；鋼結(jié)構(gòu)樁深層水平位移最大值為27.2 mm。

鋼混樁深層水平位移最大值小于鋼結(jié)構(gòu)樁。二者均小于《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497-2009）規(guī)定的絕對值45～50 mm以及相對基坑深度控制值的0.4%～0.5%。

（2）樁頂位移

基坑開挖至基底后，鋼混樁樁頂水平位移最大值為11.25 mm，樁頂豎向位移為1.12 mm；鋼結(jié)構(gòu)樁樁頂水平位移最大值為13.11 mm，樁頂豎向位移為1.57 mm。

鋼混樁樁頂位移最大值小于鋼結(jié)構(gòu)樁。二者均小于規(guī)范規(guī)定監(jiān)測報(bào)警值。

3.4 拔樁效果分析

為確定最優(yōu)隔離劑，試驗(yàn)共選擇3類隔離劑，分別涂抹于不同鋼結(jié)構(gòu)樁外側(cè)，鋼結(jié)構(gòu)樁編號為A、B、C。表2為試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果。

表2 隔離劑對構(gòu)件拔出的影響分析

選用不同隔離劑的鋼結(jié)構(gòu)樁，均能實(shí)現(xiàn)回收。A型樁對應(yīng)的提升壓力最大，為10 MPa。B型樁與C型樁提升壓力相近。

拔樁過程中發(fā)現(xiàn)，C型樁采用黃油+塑料布的方式，樁回收后，塑料布完整，且相比較B型樁操作更簡單。綜上，采用樁身黃油+塑料布作為隔離劑，隔離效果最優(yōu)。

3.5 經(jīng)濟(jì)效果

以本工程為例，樁長13 m、直徑800 mm，鋼筋籠主筋14φ22鋼混樁為對比計(jì)算模型，采用新體系每根節(jié)約的成本如下：

節(jié)約成本3.2×350+0.44×4 500＝3 100元

（1）節(jié)約混凝土：3.2 m3

（2）節(jié)約鋼筋：0.44 t

以吊車每個(gè)臺(tái)班可拔15根鋼結(jié)構(gòu)樁為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，采用鋼結(jié)構(gòu)樁需花費(fèi)固定成本如下：

（1 400+450）／15+3.14×0.6×13×5+3.14×0.4×0.4×13×20+1.86×10＝395元

（1）吊裝鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)班+人工：1 400+450元

（2）隔離劑：5元／m2

（3）每方施工費(fèi)額外增加20元

（4）鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)輸及日常維護(hù)：10元／t

鋼結(jié)構(gòu)樁為長13 m壁厚9 mm的錐形鋼管，重量1.86 t，每根鋼結(jié)構(gòu)可變成本為1.86×5 000＝9 300元。

列方程，設(shè)X次可回收成本：

9 300／X+395＝3 100； X＝3.4

經(jīng)計(jì)算3.4次可回收購置鋼結(jié)構(gòu)所花成本，3.4次以后每根樁可節(jié)約成本3 100-395＝2 705元，多次使用經(jīng)濟(jì)效果顯著。

4 結(jié)束語

目前巖土工程領(lǐng)域“可回收”概念是近年來研究的熱點(diǎn)，針對土釘墻面板的回收，錨桿鋼絞線的回收都具備成熟的技術(shù)。針對護(hù)坡樁的回收國內(nèi)外在研發(fā)過程中。經(jīng)過可回收鋼結(jié)構(gòu)基坑護(hù)坡樁設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，總結(jié)本體系具有以下3方面的特點(diǎn)：

（1）提出的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)——可回收鋼結(jié)構(gòu)基坑護(hù)坡樁，其變形性能滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定，力學(xué)性能良好、安全可靠、承載力高，可有效限制樁后土體作用。

（2）采用黃油+塑料布作為隔離劑的方案，拔樁壓力小、無噪聲，為最優(yōu)方案，回收工藝簡單可行，可以實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)樁的回收再利用。

（3）鋼結(jié)構(gòu)樁可周轉(zhuǎn)重復(fù)利用，有效降低了臨時(shí)支護(hù)中對鋼筋和混凝土的浪費(fèi)，相比較鋼混樁在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性上均具有優(yōu)勢。

研究成果發(fā)明專利已授權(quán)［12］，專利證書編號201410513124.X。