市政工程常用基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型及設(shè)計(jì)原則

黃定江

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230041)

0 引言

我國(guó)大量的深基坑工程始于20世紀(jì)80年代，隨著城市高層建筑的建設(shè)而迅速發(fā)展。近幾年，由于城市道路、立交橋等工程的迅速發(fā)展，道路地下管網(wǎng)、地下泵房、下穿立交等都存在著基坑開挖問題。市政工程基坑周圍通常存在交通要道、已建建筑或管線等各種構(gòu)筑物，這就涉及到基坑開挖的重要問題，即要保護(hù)其周邊構(gòu)筑物的安全使用。而一般的市政工程基坑支護(hù)大多是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，投資太大易造成浪費(fèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)不安全又勢(shì)必會(huì)造成工程事故。因此，如何安全、合理地選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)并根據(jù)基坑工程的特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)是基坑工程要解決的主要內(nèi)容。

1 市政工程常用基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型、特點(diǎn)及其適用范圍

支護(hù)結(jié)構(gòu)的種類很多，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地周邊環(huán)境、開挖深度、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、施工作業(yè)設(shè)備和施工季節(jié)等條件綜合考慮而因地制宜地選擇合適的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型。

（1）放坡開挖

當(dāng)施工場(chǎng)地滿足放坡條件，周圍無重要建筑物時(shí)，一般均按放坡開挖。放坡開挖主要缺點(diǎn)是土方回填量大。采用放坡開挖的基坑開挖深度不宜超過7 m?；娱_挖深度超過4.0 m時(shí)，應(yīng)采用多級(jí)放坡的開挖形式。放坡開挖的基坑邊坡坡度應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)、開挖深度確定，各級(jí)邊坡坡度不宜大于1:1.5，淤泥質(zhì)土層中不宜大于1:2.0；多級(jí)放坡開挖的基坑，坡間放坡平臺(tái)寬度不得小于1.5 m。

（2）鋼板樁

鋼板樁是異型型材的一種，是一種現(xiàn)代基礎(chǔ)與地下工程領(lǐng)域的重要施工材料。隨著鎖口密封劑的使用及各種止水工具的應(yīng)用，鋼板樁逐步應(yīng)用于柔軟地基及地下水位較高的深基坑支護(hù)。鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種類型，其優(yōu)點(diǎn)是高強(qiáng)、輕質(zhì)、隔水性好、耐久性強(qiáng)、可重復(fù)使用、安全性高、對(duì)空間要求低、環(huán)保效果顯著。其缺點(diǎn)是抗彎能力較弱，多用于較淺基坑或溝槽；支護(hù)剛度小，開挖后變形較大，一般在樁身設(shè)置一道或多道支撐。

（3）人工挖孔灌注樁

人工挖孔灌注樁圍護(hù)墻目前應(yīng)用較為廣泛，其多用于7～10 m的基坑工程。其優(yōu)點(diǎn)為施工時(shí)無振動(dòng)、無噪音、無擠土現(xiàn)象，對(duì)周圍環(huán)境影響??；樁身強(qiáng)度高、剛度大，支護(hù)穩(wěn)定性好，變形小。其缺點(diǎn)為勞動(dòng)強(qiáng)度大、單樁施工速度較慢、安全條件差、樁間縫隙易造成水土流失，施工過程中易造成生產(chǎn)安全事故。人工挖孔灌注樁圍護(hù)墻適用于粘土質(zhì)地區(qū)，不得用于軟土或易發(fā)生流沙的場(chǎng)地（淤泥、淤泥質(zhì)土）、地下水位以下的砂層、粉土夾砂層和粉土、富含承壓水砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶（或殘積層）區(qū)域），地下水位高的場(chǎng)地，應(yīng)先降水后施工。

（4）預(yù)制鋼筋混凝土板樁

預(yù)制鋼筋混凝土板樁具有施工簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)周期短等特點(diǎn)，曾在基坑中廣泛應(yīng)用，但由于預(yù)制鋼筋混凝土板樁的施打一般采用錘擊方法，振動(dòng)與噪音大，同時(shí)沉樁過程中擠土也較為嚴(yán)重，目前在市政工程中應(yīng)用較少。

（5）地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是在地面上采用一種挖槽機(jī)械，沿著深開挖工程的周邊軸線，在泥漿護(hù)壁條件下，開挖出一條狹長(zhǎng)的深槽，清槽后，在槽內(nèi)吊放鋼筋籠，然后用導(dǎo)管法灌筑水下混凝土筑成一個(gè)單元槽段，如此逐段進(jìn)行，在地下筑成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁。地下連續(xù)墻剛度大、止水效果好，是支護(hù)結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的支護(hù)型式。由于受到施工機(jī)械的限制，地下連續(xù)墻的厚度具有固定的模數(shù)，不能像灌注樁一樣根據(jù)樁徑和剛度靈活調(diào)整。因此，地下連續(xù)墻只有在一定深度的基坑工程或其它特殊條件下才能顯示出經(jīng)濟(jì)性和特有優(yōu)勢(shì)。一般適用于開挖深度超過10 m、對(duì)防水、抗?jié)B有較嚴(yán)格要求、鄰近存在保護(hù)要求較高的建（構(gòu)）筑物，對(duì)基坑本身的變形和防水要求較高的深基坑工程。在超深基坑中，例如30～50 m的深基坑工程，采用其他圍護(hù)體無法滿足要求時(shí)，常采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是施工時(shí)振動(dòng)小，噪音低，非常適于城市施工；防滲性能好，由于墻體接頭形式和施工方法的改進(jìn)，使地下連續(xù)墻幾乎不透水；墻體剛度大，用于基坑開挖時(shí)，可承受很大的土壓力，極少發(fā)生地基沉降或塌方事故；適用于多種地基條件，從軟弱的沖積地層到中硬的地層、密實(shí)的砂礫層，各種軟巖和硬巖等所有的地基都可以建造地下連續(xù)墻。其缺點(diǎn)是在城市施工時(shí)，廢泥漿的處理比較麻煩；用作臨時(shí)的基坑擋土結(jié)構(gòu)，比其它方法所用的費(fèi)用要高。

2 市政工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型

基坑支護(hù)的目的是確保基坑開挖自身坑壁的穩(wěn)定及施工安全、保證周圍臨近結(jié)構(gòu)物、地下管線的安全、便于基坑開挖施工及地下工程建設(shè)?；又ёo(hù)型式的合理選擇，是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的首要工作，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，周邊環(huán)境的要求及不同支護(hù)型式的特點(diǎn)、造價(jià)等綜合確定。安全是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的核心問題,不僅僅要考慮支護(hù)體系自身的安全,確?；娱_挖施工的順利進(jìn)行,又要保證周圍結(jié)構(gòu)物、地下管線的正常使用。支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性指的也不僅僅是支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的造價(jià),還應(yīng)該考慮到施工工期、安全等各方面的綜合經(jīng)濟(jì)效益。一般當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好，周圍環(huán)境要求較寬松時(shí)，可以采用放坡或放坡結(jié)合鋼板樁型式支護(hù)；當(dāng)周邊環(huán)境要求高時(shí)，應(yīng)采用較剛性的支護(hù)形式，以控制水平位移，如灌注樁或地下連續(xù)墻；當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件特別差，基坑深度較深，周邊環(huán)境要求較高時(shí)，可采用地下連續(xù)墻。

3 市政工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)其破壞后果的嚴(yán)重性分別采用不同的安全等級(jí)。若破壞后果很嚴(yán)重應(yīng)采用一級(jí)安全等級(jí)，破壞后果一般的采用二級(jí)，破壞后果不嚴(yán)重的采用三級(jí)?；又ёo(hù)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)要滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形的要求，即通常規(guī)范所說的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求。對(duì)于基坑來說，所謂承載能力極限狀態(tài)就是支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、傾倒、滑動(dòng)或周邊環(huán)境的破壞，出現(xiàn)較大范圍的失穩(wěn)；所謂正常使用極限狀態(tài)就是指支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形或周邊土體產(chǎn)生的變形過大，影響正常使用。

對(duì)于市政工程而言，因工程建設(shè)多位于城區(qū)，對(duì)變形要求相對(duì)嚴(yán)格?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)在土側(cè)壓力的作用下若發(fā)生較大位移,那么周圍的地表勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)下沉,有可能導(dǎo)致周圍的結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)開裂,影響其正常使用，若變形量過大,甚至?xí)斐芍車ㄖ飪A斜、倒塌,地下管線斷裂等情況。因此,在進(jìn)行市政工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移量控制在允許范圍以內(nèi)，施工時(shí)一般要求進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)報(bào)警值見表1。

表1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)報(bào)警值

4 工程實(shí)例

（1）合肥工業(yè)大學(xué)排水泵站深基坑支護(hù)

合肥工業(yè)大學(xué)排水泵站位于合肥工業(yè)大學(xué)校內(nèi)，緊鄰馬鞍山路（城市快速路），周邊分布有教師宿舍樓（磚混，5層）、研究生院教學(xué)樓（框架，6層）、橫穿馬鞍山路人行地道等構(gòu)筑物，泵站平面位置見圖1。從平面位置來看，場(chǎng)地狹小?，F(xiàn)場(chǎng)地面標(biāo)高為18.9～20.1 m，而泵房基底設(shè)計(jì)標(biāo)高為10.1 m，埋深接近自然地面下約9.0 m，為保證交通及施工安全須設(shè)擋土結(jié)構(gòu)。

圖1 泵站平面位置（單位：cm）

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，場(chǎng)地內(nèi)分布有雜填土、淤泥質(zhì)雜填土、粘土，粘土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。該場(chǎng)地地下水類型為上層滯水和粘土層中少量孔隙水，無一定自由水面，水量不大。

表2 粘土物理力學(xué)指標(biāo)

因該工程位于高校內(nèi)，且周邊分布有教師宿舍、教學(xué)樓、城市交通干道，安全問題極其重要。經(jīng)綜合分析現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及施工條件，決定采用人工挖孔灌注樁支護(hù)。經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定樁直徑d=1.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，樁中心距為1.5 m，樁深5.0 m，樁頂標(biāo)高根據(jù)實(shí)際情況略有不同，樁長(zhǎng)H為13.8 m、12.4 m、11.9 m。為加強(qiáng)樁的整體性，在樁頂設(shè)1 000 mm×500 mm的冠梁。共有36根樁，要求施工時(shí)交錯(cuò)施工，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。施工期間未出現(xiàn)異常情況，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)期望。

（2）巢湖市景城路雨水出口溝槽基坑支護(hù)

巢湖市景城路雨水出口管道（管徑2.2 m）緊鄰湖光路（城市快速路），距湖光路邊線最近僅3.5 m，溝槽底距地面約5 m。場(chǎng)地①層雜填土、①1層淤泥質(zhì)素填土、②1層粉質(zhì)粘土、②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土均為軟弱土，③層粘土夾礫石為中硬土，擬建雨水管道位于②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層。場(chǎng)地地下水類型在勘探深度范圍內(nèi)主要為上層滯水及層間水，上層滯水主要分布于①層雜填土及①1層淤泥質(zhì)素填土中，水量較豐富；層間水主要分布于②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中，水量較豐富。

因該工程緊鄰城市交通干道，場(chǎng)地為軟弱土且地下水豐富，決定采用U型鋼板樁支護(hù)，見圖2。經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定采用400×170 U型鋼板樁（見圖3），樁身總長(zhǎng)10.5 m，外露5.0 m，并在樁頂設(shè)一DN200間距4 m的鋼管做為橫撐。工程于2013年8月建成投入使用，施工期間未出現(xiàn)異常情況。

圖2 鋼板柱支護(hù)斷面圖（單位：cm）

圖3 400×170U型鋼板柱示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

一般的市政工程基坑支護(hù)大多是臨時(shí)結(jié)構(gòu)，投資太大易造成浪費(fèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)不安全又勢(shì)必會(huì)造成工程事故。在堅(jiān)持“安全是市政工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的核心問題”這一原則前提下,根據(jù)具體市政工程情況具體分析，以選擇最經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)構(gòu)形式。

[1]JGJ120—2012,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].2012.

[2]GB50497—2009,建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].2009.