型鋼水泥土攪拌墻在濱海軟土地基深基坑中的工程實踐

周 婉

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著城市化進程不斷加快，在用地愈發(fā)緊張的城市中心，結合城市建設和改造開發(fā)大型地下空間已成為一種必然[1]。超大面積深基坑工程的數量在上海地區(qū)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢[2]，同時上海作為典型的軟土地區(qū)，地面多分布濱海沉積相的軟土，其具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、靈敏度高等地質特性，對基坑開挖影高響較大[3]。

型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）是一種在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內按一定間隔方式插入型鋼形成的復合擋土隔水結構，在軟土地基中有廣泛應用。本文以上海某新建高檔服裝服飾生產基地項目的基坑工程設計為例，探討型鋼水泥土攪拌墻圍護形式在軟土地基中的應用實踐。

1 工程概況

上海某新建高檔服裝服飾生產基地位于閔行區(qū)。擬建建筑包括1棟4層產業(yè)樓、4棟8～13層產業(yè)樓，設置整體2層地下車庫。地下車庫為鋼筋混凝土框架結構，工程樁采用PHC管樁。本工程基坑面積約33 700 m2，周長約1 021 m，總體呈狹長梯形，普遍開挖深度10.3 m，靠邊集水井深坑區(qū)域開挖深度11.6 m。

本工程東側為蓮花南路，道路下分布有少量市政管線，道路上空高壓電纜線距基坑約10.3 m；南側為規(guī)劃四路、某構件廠、若干活動房及磚砌體倉庫等；西側為淡水河；北側為南潮浜。用地紅線與基坑間的距離很近，為6.2 m左右（圖1）。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

2 場地地質條件

本工程擬建場地屬濱海平原地貌，開挖深度范圍內的土層主要包括飽和黏性土、粉性土和砂土，呈水平層理分布。場地東北角沿地下車庫邊線有一處暗浜，浜填土厚約1.10 m，層底埋深約3.54 m，主要為灰黑色流塑狀淤泥。場地內對開挖有影響的承壓含水層為第⑦層砂質粉土，其相對隔水層為第③、④、⑤1及⑥層。經初步估算，該基坑承壓水安全系數均大于1.05，可不考慮承壓水頭對基坑穩(wěn)定性的影響，但擬建場地北鄰南潮浜，西鄰淡水河，在基坑開挖設計與施工中仍需采取有效的防滲漏措施。

3 基坑支護方案設計

3.1 方案選型

綜合分析本基坑的規(guī)模、地質條件、結構形式及工期要求等因素，總結出本工程的特點如下：

1）擬建場地除淺層一定厚度的填土和粉質黏土外，普遍分布有第④層淤泥質黏土，其厚度達12 m左右。基底標高位于該土層中，且基底以下淤泥層厚度較大。該淤泥質黏土呈流塑狀態(tài)，屬于高壓縮性、低強度的軟弱土層。

2）基坑面積及開挖深度大，時空效應顯著，長時間的開敞施工會增大圍護結構變形、坑底隆起和地表沉降。因此，需要通過合理的支撐平面布置和科學的整體工序安排，以有效控制基坑變形，保證工程安全實施。

3）業(yè)主方對本工程工期及造價要求較高，整個基坑開挖施工周期必須控制在6個月內。這就要求設計方合理選擇支護方案和基坑分區(qū)開挖方案，施工方嚴格遵循分區(qū)施工流程與土方開挖要求，確?；蝇F(xiàn)場施工的質量與安全。

針對上述特點，并結合上海地區(qū)的類似工程經驗，本基坑工程曾考慮了2種支護方案：

1）鉆孔灌注樁＋水泥土攪拌樁止水＋內支撐。鉆孔灌注樁施工工藝成熟，圍護樁剛度較大，對變形控制能力強，結合水泥土攪拌樁作為止水帷幕，彌補了自身的防滲缺點；但鉆孔灌注樁的養(yǎng)護時間較長，造價相對較高。

2）型鋼水泥土攪拌墻＋內支撐。型鋼水泥土攪拌墻作為一種復合擋土止水結構，沒有開槽或鉆孔的工序，減少了對鄰近土體的擾動，對周圍環(huán)境影響小，并具有較好的剛度和止水性能，能夠滿足本基坑的擋土及隔水要求。同時，型鋼水泥土攪拌墻養(yǎng)護時間短，可有效縮短施工工期、降低施工措施費，內插型鋼能重復回收利用，造價較經濟。

3.2 支護方案

經比選后，本基坑最終確定采用型鋼水泥土攪拌墻＋內支撐的支護形式。型鋼水泥土攪拌墻采用φ850 mm@600 mm的三軸水泥土攪拌樁內插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，坑內豎向設置2道鋼筋混凝土水平支撐體系，以減少圍護結構水平位移，保證支護體系整體穩(wěn)定（圖2）。其中，水泥土攪拌樁采用套接一孔法施工，普遍區(qū)域型鋼布置采用“插二跳一”形式?？窟吷羁訁^(qū)域則采用“密插”的布置形式。2道內支撐凈距達4.6 m，滿足運土車行車高度要求和結構的施工空間要求。同時，考慮到基坑呈不規(guī)則長條形，為便于組織土方開挖、加快流水施工搭接速度并縮短工程工期等，支撐平面布置采用對撐、角撐結合邊桁架的形式，在支撐中部留設有7個較大的作業(yè)空間。為進一步方便施工車輛的運輸和挖機?？?，方案中結合支撐布置設置了部分施工棧橋，采用鋼板路基箱棧橋板結合鋼筋混凝土棧橋平臺及坡道，以提高施工效率并降低施工技術措施費。

圖2 圍護結構典型剖面

4 環(huán)境影響數值分析

在型鋼水泥土攪拌墻結合內支撐系統(tǒng)的支護方案下，為明確基坑開挖對基坑變形及周邊環(huán)境的影響，本工程采用平面有限元的方法進行分析。分析時，選取基坑東側高壓電纜線位置為危險剖面，結合施工工況，模擬分析基坑、圍護結構及周邊地表情況，以了解在施工開展過程中周邊環(huán)境的變化趨勢，以便及時采取有效的控制措施。

在數值模型分析中采用Hardening-soil（硬化土）模型模擬土體，以線彈性模型中的梁板單元模擬圍護結構，模型邊界條件采用標準邊界。施工步包括：場地平整，施工周邊圍護體；基坑預降水后，開挖至第1道支撐底標高，澆筑施工第1道鋼筋混凝土水平支撐；分層分區(qū)開挖至第2道支撐底標高，澆筑施工第2道鋼筋混凝土水平支撐；分層分區(qū)開挖土方至基底。

圖3、圖4給出了最危險工況下土體及圍護結構的變形云圖。當基坑開挖至基底時，圍護結構最大水平位移30.77 mm，基坑東側地表最大沉降18.91 mm，與規(guī)范規(guī)定的變形控制指標相比有一定的余量，表明采用型鋼水泥土攪拌墻結合內支撐的圍護方案能夠將基坑開挖對周邊環(huán)境的變形影響控制在允許范圍內。

圖3 開挖至基底時水平變形云圖

圖4 開挖至基底時垂直變形云圖

5 主要技術要求

5.1 土方分層分區(qū)開挖

本工程基坑面積較大，整體呈狹長梯形狀態(tài)，基坑開挖過程中產生的時空效應顯著。為能在最大限度控制基坑變形以減小對周邊環(huán)境影響的前提下保證施工速度，土方開挖需嚴格遵循“先撐后挖、限時支撐”的原則，采取分層分區(qū)分塊開挖、分段施工的方法，以減少基坑開挖卸荷后圍護體無支撐暴露的時間和空間。

本工程結合支撐體系的平面布置形式，采用了分層分區(qū)分塊的方法進行土方開挖。按支撐道數豎向分3層進行開挖。

1）第1層土方開挖對周邊環(huán)境影響較小，因此，采用由中間向東西兩側大面積退挖的方式同步開挖至第1道支撐底，之后及時澆筑形成第1道鋼筋混凝土支撐和棧橋。

2）第2層土方按照盡早形成南北向對撐、減少基坑無支撐暴露時間和空間的原則，分成4個分區(qū)，各分區(qū)按盆式開挖并及時澆筑支撐，使得局部支撐系統(tǒng)及時形成并發(fā)揮作用，直至整個支撐體系形成。該層土方分區(qū)開挖的先后順序為：A2→B2→C2→D2（圖5）。

圖5 第2層土方開挖分區(qū)示意

3）第3層土方根據基礎底板后澆帶位置及主樓基礎位置分成2個分區(qū)，各分區(qū)按后澆帶位置分塊開挖。該層土方分區(qū)開挖的先后順序為：A3→B3（圖6）。

圖6 第3層土方開挖分區(qū)示意

5.2 大角撐抗剪鍵設置

考慮到基坑呈狹長形的特點，支撐平面在4個角部均采用了3～5道角撐的布置形式。為確保在基坑施工過程中外側的水土壓力能通過支撐桿件有效傳遞并相互平衡，在角撐區(qū)域受力較大的第2道圍檁與圍護結構間設置抗剪措施（圖7），控制角撐變形。

圖7 抗剪鍵布置示意

6 結語

本工程屬于深、大基坑工程，在綜合考慮地質特性、周邊環(huán)境條件及工期需求等實際因素后，采用了型鋼水泥土攪拌墻圍護結合內支撐的支護結構形式。目前，該工程全部結構施工已完成，整個基坑工程采用信息化施工和動態(tài)控制方法，通過合理的土方開挖，嚴格控制施工質量，基坑開挖實施過程中周邊土質未出現(xiàn)擾動、下沉開裂及較大變形等現(xiàn)象，整體情況良好，為工程在既定時間內竣工提供了保障，具有一定的社會與經濟效益，可為今后類似工程提供參考經驗。