基坑支護工程的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用探討

王海號

摘要：基坑工程是地下空間開發(fā)的基礎(chǔ)，具有很強的復(fù)雜性，對基坑工程進行優(yōu)化設(shè)計，一方面可以更好地保證安全性；另一方面也可以節(jié)省工程投資具有非常實用的研究價值。本工程結(jié)合實際地理位置，制定了合理的施工方案，給類似工程的基坑支護設(shè)計與施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：基坑支護；優(yōu)化方案；應(yīng)用

1. 工程情況簡介

擬建工程場地位置件見圖 1，基坑占地面積約 22000m2，開挖深度約19m。采用常規(guī)明挖順做法施工，需設(shè)置4道大面積鋼筋混凝土水平支撐，存在造價高、土方開挖與地下結(jié)構(gòu)施工不便、工期長等缺點。本工程基本情況如下：

（1）擬建工程包括2棟超高層建筑（高度分別為140m，180m），1～4 層商業(yè)裙房；

（2）擬建工程地下設(shè)4層整體地下室，基坑開挖深度約20 米；

（3）工程為地鐵上蓋工程，地鐵6號線民權(quán)門站整體位于本工程地下結(jié)構(gòu)內(nèi)；

（4）擬采用地下連續(xù)墻做止水、擋土結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻厚1.0米、深 47米。

圖 1 工程現(xiàn)場平面圖

由圖 1 看出，本工程基坑開挖深度很大，基坑支護結(jié)構(gòu)體系、土方開挖、地下室結(jié)構(gòu)施工規(guī)模大，條件復(fù)雜，基坑施工風(fēng)險高、施工難度大。

2. 常用基坑支護方法

2.1支護型式

工程所在場地地下水位高、土質(zhì)軟弱。根據(jù)大量工程經(jīng)驗（經(jīng)過多方調(diào)研和考察），基坑支護方式的選擇有如下特點：

（1）采用土釘支護的基坑深度一般不超過5m；

（2）采用懸臂式排樁支護的基坑開挖深度不大于6m；

（3）對深度大于6m的基坑，需采用內(nèi)撐式或樁錨式支護；

（4）對于不可拆卸的錨桿，不允許超出工程用地紅線；且開挖深度大于 10m 的基坑，采用排樁（或地下連續(xù)墻）+錨桿的支護方式，由于土質(zhì)條件軟弱，設(shè)置在黏性土中的樁錨支護的變形往往較大；

（5）一般而言，基坑開挖深度6m～12m 時，可采用一道～二道內(nèi)支撐；基坑開挖深度 10m～14m 時，可采用二道～三道內(nèi)支撐；基坑開挖深度 13m～18m 時，可采用三道～四道內(nèi)支撐；坑開挖深度 18m～25m 時，可采用四道～五道內(nèi)支撐。當(dāng)土質(zhì)軟弱、基坑周邊變形控制嚴(yán)格時，內(nèi)支撐的數(shù)量需 在上述基礎(chǔ)上適當(dāng)增加。

因此，本工程的基坑支護方式不可能采用土釘支護或懸臂式排樁支護，而只能排樁（或地下連續(xù)墻）+多道內(nèi)支撐的支護型式。同時，內(nèi)支撐可采用鋼筋混凝土支撐或型鋼支撐。

2.2 基坑施工方法

對于本工程，可考慮采用的基坑支護方法有如下幾種：

2.2.1 設(shè)置四道水平支撐+明挖順做法（傳統(tǒng)做法）：

明挖順做法如圖2所示。對于設(shè)置4道水平內(nèi)支撐的情形，其施工工序為：

（1）施工豎向支護結(jié)構(gòu)+止水帷幕

豎向支護結(jié)構(gòu)包括排樁、地下連續(xù)墻等。當(dāng)水平支撐長度較大時，還需對水平支撐設(shè)置豎向支托系統(tǒng)。由于地下水位高，還需設(shè)置阻斷基坑內(nèi)外地下水聯(lián)系的止水帷幕，防止基坑內(nèi)降水時基坑外地下水位下降并由此導(dǎo)致地面沉降，造成環(huán)境影響。

圖 2 水平內(nèi)支撐+豎向立柱支托系統(tǒng)

（2）基坑預(yù)降水+開挖第一步土方。將基坑內(nèi)地下水位降低至第一道水平支撐以下，便于開挖第一步土方。

（3）施工第一道水平支撐；

（4）第二步降水+第二步土方開挖；

（5）第四步降水+第四步土方開挖；

（6）施工第四道水平支撐；

（7）第五步降水+第五步土方開挖至基坑底；

（8）施工基礎(chǔ)底板；

（9）回填基礎(chǔ)底板與圍護樁（墻之間的）土體，設(shè)置換撐傳力帶；

（10）拆除第四道水平支撐；

（11）施工地下負(fù)四層結(jié)構(gòu)；

（12）施工地下負(fù)一層結(jié)構(gòu)；

（13）回填地下負(fù)一層與圍護樁（墻之間的）土體；

（14）完成地下部分的施工。

2.2.2 周邊逆作+中間順作法

明挖順作法是由上到下逐漸施工臨時性的基坑水平撐，基坑土方開挖到基坑底后，再由下至上施工整體地下室結(jié)構(gòu)。該法的每層臨時性支撐也需拆除。對于大面積基坑來說，這部分支撐的造價也頗為可觀。對于基坑面積較大、預(yù)留反壓土寬度又不足時，可比選周邊逆作+中間順作法方案的可能性。 該法的特點是：

（1）分層逆施外圍結(jié)構(gòu)至坑底，隨逆施分層開挖土方；

（2）外圍施工至坑底后順施中部基坑；

（3）中部基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)分層與外圍逆施板連接；

（4）利用外圍地下結(jié)構(gòu)梁板體系逆施做內(nèi)支撐系統(tǒng)，節(jié)省支護造價；

（5）由于周邊逆施的結(jié)構(gòu)樓板寬度較大，作為水平支撐時，支撐剛度大，基坑變形控制良好；

圖 3 施工周邊負(fù)一、負(fù)二層樓板，開挖負(fù)三層土方

3. 基坑支護方案優(yōu)化

3.1常規(guī)支護方案及存在問題

目前，深大基坑工程并已成為當(dāng)前建筑業(yè)的一大技術(shù)難點。基坑的開挖深度可達到20～30m， 軟弱土中基坑一次性開挖面積達5萬m2～10萬m2甚至更大的大面積深基坑也越來越多。例如，上海虹橋交通樞紐開挖面積達15萬m2 以上，海河廣場基坑開挖深度17.5m，基坑開挖面積 約10萬m2，高銀 METROPOLITAN 中央商務(wù)區(qū)基坑開挖面積近10萬m2，大面積基坑開挖深度19m左右，大悅城基坑開挖面積約7萬m2，大面積基坑開挖深度15.5m 左右，津港中心基坑開挖面積達6萬m2以上。

從可持續(xù)發(fā)展的角度，當(dāng)前深大基坑支護工程的設(shè)計、施工方法基本還是套用傳統(tǒng)的深度不大的中小基坑的方法，即采用地下連續(xù)墻或排樁擋土，設(shè)置多道水平支撐或錨桿。由于基坑面積巨大，設(shè)置水平支撐造價高（每道水平鋼筋混凝土支撐的造價可達數(shù)百萬元，甚至上千萬元）、施工周期長、拆除不便、土方開挖與地下工程結(jié)構(gòu)施工不便，而且大量拆除的混凝土等固體廢棄物處置與再利用困難，需占用大量的堆棄場地等，浪費了大量的人力、物力和社會資源，不符合可持續(xù)發(fā)展的政策。

軟土地區(qū)深大基坑支護工程通常采用大量的地下連續(xù)墻（或排樁）和水平支撐或錨桿等臨時 結(jié)構(gòu)作為支擋結(jié)構(gòu)。當(dāng)基坑寬度較小時，可采用型鋼作為水平支撐，實現(xiàn)水平支撐的循環(huán)利用。但當(dāng)基坑寬度較大時，常采用鋼筋混凝土水平支撐。圖 4是某個大面積基坑的鋼筋混凝土水平支撐形式，每一道水平支撐的造價可達1000～1500萬元。

對于本工程，完全采用上述方案均存在技術(shù)、經(jīng)濟方面的一些問題如下：

3.1.1方案 1：明挖順作方案

圖 4 環(huán)梁型鋼筋混凝土水平支撐

對明挖順作方案，有如下特點：

（1）由于基坑變形大，同時地鐵車站基坑距鄰近建筑物僅14m，基坑變形需嚴(yán)格控制，因此， 基坑支護體系需要有較大的剛度，故水平支撐若采用圖4所示的水平支撐，由上海城建設(shè)計院設(shè)計的本工程鋼筋混凝土水平支撐方案與圖4所示的某實際工程類似。

（2）造價：根據(jù)本工程基坑面積、開挖深度、變形控制要求，水平支撐需采用鋼筋混凝土水平支撐其布置見圖11。根據(jù)上海城建設(shè)計院的方案，明挖方案比蓋挖增加了4道混凝土撐，其混凝土方量約 12000m3，社會平均造價約2500 元/m3，支撐總費用約3000 萬元

（3）工期：大基坑開挖及結(jié)構(gòu)順作至0.00 標(biāo)高時間約14個月，即塔樓出地面的時間需要14個月。

3.1.2 方案 2：周邊逆作+環(huán)梁支撐+中間順作法方案

方案平面圖如圖 5 所示。

圖 5 周邊逆作+環(huán)梁支撐+中間順作法方案平面圖

與上述方案相比較，本方案特點如下：

（1）在塔樓與地下連續(xù)墻之間，由于反壓土寬度不夠，根據(jù)類似工程關(guān)于大面積基坑無支撐多級支護的成功經(jīng)驗，在此處的反壓土處打設(shè)雙排樁，形成二級支護，解決反壓土寬度不足的問題。外圍逆施至地下二層底板后，可開挖坑內(nèi)塔樓位置土方至坑底；

（2）可把一個塔樓包含在首先開挖到底的基坑范圍內(nèi)，從而可順施塔樓，同時逆施外圍結(jié)構(gòu)。

（3）外圍施工至坑底后順施中部基坑；

（4）中部基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)分層與外圍逆施板連接；

（5）利用外圍地下結(jié)構(gòu)梁板體系逆施做內(nèi)支撐系統(tǒng)，不需拆除。不必設(shè)置臨時水平支撐，節(jié)省工期和支護造價；

（6）可有效保證塔樓工期。

3.1.3 類似工程：

旺海國際廣場大面積基坑支護設(shè)計中的應(yīng)用情況：在基坑北側(cè)，基坑大面積開挖深度18.0m，局部深坑開挖深度 22.5m。由于塔樓與基坑邊的距離不夠，反壓土放坡后的寬度不能滿足基坑穩(wěn)定和變形控制的要求。為保證塔樓處也能進入中心島施工范圍，提前塔樓的工期，在塔樓與地下室外墻之間設(shè)置了雙排樁，使北側(cè)基坑最大開挖深度達 22.5m 的條件下，依靠多級支護，實現(xiàn)直接開挖到基坑底，根據(jù)調(diào)研情況，圍護樁頂?shù)乃轿灰圃?30mm～40mm，圍護樁距道路僅 3m，現(xiàn)場查看路面沒有出現(xiàn)任何開裂，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

4 .結(jié)論

仔細(xì)分析城市軟土地基大面積基坑支護的成功方案后，對擬建工程的基坑支護方案進行了優(yōu)化，計劃采用周邊逆作+環(huán)梁支撐+中間順作的方案，此支護方案可節(jié)省大面積臨時性鋼筋混凝土水平支撐的造價與工期，同時，使塔樓可以進入基坑首先開挖到底的范圍，可盡快開始塔樓地下室的順作，提前了塔樓工期，最終實現(xiàn)相對工期短、投入成本小、支護體系可靠的管理目標(biāo)。

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