排樁內(nèi)支撐復(fù)合支護(hù)體系在深大基坑中的應(yīng)用

劉玉華

中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，上海 200000

深大基坑支護(hù)體系由單一支護(hù)方式轉(zhuǎn)換為復(fù)合支護(hù)體系，在復(fù)合支護(hù)體系設(shè)計過程中，基坑的安全性及造價的經(jīng)濟(jì)性尤為重要，在保證基坑開挖安全的基礎(chǔ)上，需提高施工效率及工程造價的經(jīng)濟(jì)性。文章以蘇南某地區(qū)某深基坑的復(fù)合支護(hù)體系的設(shè)計分析與施工為例，探討了排樁內(nèi)支撐復(fù)合支護(hù)體系在工程中的應(yīng)用。

1 擬建工程概況

擬建工程由主樓（25F）、裙房（5F）及純地下車庫組成，整體設(shè)三層地下室。建筑設(shè)計相對于黃海標(biāo)高5.5m，現(xiàn)狀地面黃海標(biāo)高約5.1m。純地庫開挖深度約15.9m（基礎(chǔ)墊層底建筑標(biāo)高為-16.3m），主樓部位開挖深度約16.9m（基礎(chǔ)墊層底建筑標(biāo)高為-17.3m）。

該項目基坑開挖面積約12000m2，周長約470m?；娱_挖底標(biāo)高及挖深如表1所示。

表1 基坑開挖深度及標(biāo)高一覽表 單位：m

擬建工程場地北側(cè)為一期已建地庫及內(nèi)部道路，南側(cè)為一期已建建筑，東側(cè)為消防通道，西側(cè)為一期已建建筑，東北角為既有辦公建筑。需要保護(hù)的對象主要為道路管線及周邊相鄰的建筑物，如圖1所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

2 基坑周邊荷載條件

根據(jù)基坑周邊環(huán)境條件，結(jié)合土方車輛、商品混凝土罐車、裝載機(jī)和反鏟挖機(jī)等常用機(jī)械的等效荷載，以及鋼筋、砂、碎石等建筑材料堆放的等效荷載并考慮消防車荷載，綜合考慮確定西側(cè)、北側(cè)和東側(cè)外側(cè)荷載條件均為20kPa滿布均布超載+15kPa局部均布超載，基坑南側(cè)荷載條件為20kPa滿布均布超載+10kPa局部均布超載。

3 地質(zhì)條件

3.1 場地地形地貌

擬建場地整體地勢平坦，局部略有起伏。

3.2 工程地質(zhì)

3.3 水文地質(zhì)概況

場地地下水類型為上層滯水和承壓水。上層滯水主要埋藏于①層填土中，該含水層水位在不同時段是有變化的，由大氣降水、生活、生產(chǎn)用水等補(bǔ)給，以蒸發(fā)、滲流等方式排泄。

巖土勘察期間（2019年9—10月）測得該層水位埋深為地下0.8～1.8m，平均標(biāo)高約3.8m，水位及水量隨季節(jié)變化，變化幅度約1.0m。

由土質(zhì)條件結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，①層填土滲透系數(shù)可取1.0m/d。第Ⅰ承壓水Ⅰa（④1、⑤1、⑤2層土）勘察期間實測水位標(biāo)高為2.7m，近3～5年最高為3.0m，最低為-2.0m，年平均主要補(bǔ)給來源為長江、滆湖、上層滯水越流，以人工排泄為主，滲透系數(shù)為0.7m/d。Ⅰb1（⑥4a層土）勘察期間實測水位標(biāo)高為-0.66m，與長江水、Ⅰa承壓水呈補(bǔ)、徑、排關(guān)系，滲透系數(shù)為0.4m/d。Ⅰb2（⑧1層土）勘察期間實測水位標(biāo)高為-0.74m，滲透系數(shù)為0.5m/d。

3.4 工程地質(zhì)參數(shù)

綜合考慮該基坑的周邊環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜程度、基坑深度等因素，確定該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，基坑重要性系數(shù)γ0為1.1。

將朗肯土壓力計算理論作為土側(cè)向壓力設(shè)計計算的依據(jù)，則主動土壓力系數(shù)ka的計算公式如下：

式中：φ為內(nèi)摩擦角，°。

深圳港水上“巴士”航線的經(jīng)濟(jì)性由上述3個指標(biāo)構(gòu)成的成本價值量來決定，通過與其他路徑經(jīng)濟(jì)性的比較，分析深圳港水上“巴士”的優(yōu)劣勢.

被動土壓力系數(shù)kp的計算公式如下：

各工程地質(zhì)支護(hù)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 基坑支護(hù)設(shè)計參數(shù)一覽表

4 基坑支護(hù)設(shè)計方案

4.1 該基坑工程的特點及難點

（1）周邊環(huán)境及場地地質(zhì)條件復(fù)雜?；娱_挖深度影響范圍內(nèi)的土層由上及下主要為①層雜填土、③1層粉質(zhì)黏土、④1層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤1層砂質(zhì)粉土、⑤2層砂質(zhì)粉土、⑥2層粉質(zhì)黏土、⑥3層黏土、⑥4層粉質(zhì)黏土。其中①層雜填土工程性質(zhì)差，開挖后自穩(wěn)性差，易坍塌。④1層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土為軟塑～可塑。⑤1層黏質(zhì)粉土、⑤2層砂質(zhì)粉土富含地下水，透水性較大，極易造成流砂管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，道路管線眾多，距離周邊建構(gòu)筑物較近，基坑開挖卸荷后，破壞原有地應(yīng)力平衡，極易造成基坑側(cè)壁及周邊地表變形過大，從而危及周邊建構(gòu)筑物及道路的安全和正常使用。

（2）基坑開挖面積大、深度深、陽角多，時空效應(yīng)顯著。該工程基坑開挖面積約12000m2，基坑開挖深度約15.9～16.9m，屬深大基坑，基坑開挖施工周期長。深基坑工程實施過程中受到基坑開挖、施工動載及大氣降雨等許多不確定因素的影響，基坑時空效應(yīng)顯著。另外，該工程基坑平面陽角多，尤其是基坑西側(cè)連續(xù)大、小陽角，其受力不利于基坑支護(hù)。

（3）深厚粉土層，止降水難度高。該工程地表以下5～19m為深厚粉土層，透水性較大，地下室施工期間長期大面積降水，易造成周邊地表大面積下沉。基坑底部為砂質(zhì)粉土（基坑開挖后僅剩約2m厚），降水漏斗影響范圍小，尤其是主樓部位的坑中坑，底部砂質(zhì)粉土基本挖穿。側(cè)壁為軟～可塑狀粉質(zhì)黏土及砂質(zhì)粉土，易產(chǎn)生蠕變從而導(dǎo)致滑動變形和管涌失穩(wěn)。因此，地下水的控制須綜合考慮安全、工期、造價等因素，地下水的控制措施是該工程的關(guān)鍵點。

4.2 該基坑工程總體方案選型

根據(jù)類似基坑工程的設(shè)計、施工經(jīng)驗和技術(shù)水平，適用于該基坑工程的總體方案有順作法和逆作法兩種。

（1）順作法。順作法是基坑工程的傳統(tǒng)開挖施工方法，施工工藝成熟，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與主體結(jié)構(gòu)相對獨立，相比逆作法，其設(shè)計、施工均比較便捷。由于傳統(tǒng)工藝對施工單位的管理和技術(shù)水平的要求相對較低，施工單位的選擇面較廣。另外，順作法相對于逆作法而言，其基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與主體設(shè)計關(guān)聯(lián)性較低，受主體設(shè)計進(jìn)度的制約小。目前絕大部分基坑均采用此種圍護(hù)方式。但是，隨著城市用地不斷緊縮、施工場地的局促以及開挖深度的不斷增加等情況的出現(xiàn)，順作法明顯體現(xiàn)出其不足和問題：①對于深、大、復(fù)雜基坑，需設(shè)置和拆除大量的臨時支撐；②支撐體系拆除時圍護(hù)墻會發(fā)生二次變形，拆撐爆破及拆撐后廢棄的混凝土碎塊會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響；③對于三層及三層以上地下室結(jié)構(gòu)的深基坑，采用順作法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工的工期較長；④在一些繁華區(qū)域，幾乎用足地下紅線，施工場地狹小，不利于施工的開展。

（2）逆作法。逆作法和順作法施工順序相反，在支護(hù)結(jié)構(gòu)、工程樁及豎向支承柱完成后，直接施工地下結(jié)構(gòu)的頂板或者開挖一定深度后再進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)頂板的施工，再依次逐層向下進(jìn)行各層的挖土，并交錯逐層進(jìn)行各層樓板的施工。逆作法采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其主要優(yōu)點如下：一是樓板剛度大于常規(guī)順作法的臨時支撐，基坑開挖的安全度得到提高，且一般而言基坑的變形較小，因而對基坑周邊環(huán)境的影響較??；二是可實現(xiàn)地上地下結(jié)構(gòu)同時施工，因此可縮短工程的總工期，地面樓板施工完成后，可為施工提供作業(yè)空間，因此可解決施工場地狹小的問題；三是采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以節(jié)省常規(guī)順作法中大量臨時支撐的設(shè)置和拆除，有利于降低能耗、節(jié)約資源。當(dāng)然，逆作法也存在不足，主要表現(xiàn)在以下五個方面：①逆作法為國內(nèi)一種比較新型的工法，技術(shù)難度相對較高，對施工單位的管理、協(xié)調(diào)、技術(shù)水平及該方面施工經(jīng)驗的要求比較高，因此業(yè)主對施工單位的選擇面較小；②逆作法是主體結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)全面結(jié)合的一種設(shè)計方法，基坑支護(hù)設(shè)計與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)聯(lián)度極高，因此對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的要求也很高，基坑支護(hù)設(shè)計進(jìn)度受主體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)度制約的程度較高；③由于逆作法大量挖土是在梁板結(jié)構(gòu)封閉后的空間內(nèi)進(jìn)行，并且基坑中還分布一定數(shù)量的豎向支承立柱及降水用井點管，使挖土難度增大，挖土效率遠(yuǎn)較順作法施工挖土效率低；④基于超高層塔樓豎向承重結(jié)構(gòu)的重要性，一般不適合采用逆作法，這是因為根據(jù)逆作法自身工藝特點，地下部分的主體承重結(jié)構(gòu)待基礎(chǔ)底板完成之后往上順作施工，在地下各層水平結(jié)構(gòu)位置均有施工縫，而且梁底下剪力墻、柱混凝土澆筑的密實性不及順作法的常規(guī)施工工藝；⑤地下連續(xù)墻作為主體結(jié)構(gòu)墻體，墻體接頭易滲漏，根據(jù)周邊地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗，逆作法一般適用于三層及三層以上地下室、基坑開挖面積達(dá)20000m2以上、周邊緊鄰地鐵、隧道、歷史建筑、重要的自來水總管和煤氣總管等需要重點保護(hù)的對象。該工程基坑開挖面積約12000m2，設(shè)置三層地下室，且基坑周邊無軌道交通等重要的建構(gòu)筑物需要保護(hù)，因此不適用于逆作法支護(hù)。

遵循“安全、經(jīng)濟(jì)、便于施工”的原則，結(jié)合類似項目工程經(jīng)驗，該工程適合使用設(shè)計理論成熟、施工經(jīng)驗豐富且經(jīng)濟(jì)性較好的順作法支護(hù)方案。

4.3 基坑支護(hù)體系選型

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗及工程地質(zhì)參數(shù)，遵循“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工”的原則，綜合考慮該基坑工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件及基坑開挖深度、面積等因素，在對各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，該工程支護(hù)方案擬選擇排樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)；止水方案擬選擇雙層止水帷幕，降水方案采用管井+輕型井點+盲溝。

（1）圍護(hù)體系選型。適合此類開挖深度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有鉆孔灌注樁排樁或地下連續(xù)墻。①鉆孔灌注排樁：鉆孔灌注樁的優(yōu)點是工藝成熟、質(zhì)量可靠、施工速度快且造價經(jīng)濟(jì)，缺點是與地下連續(xù)墻相比，其抗彎剛度和整體性相對較弱，當(dāng)基坑開挖深度較深、周邊環(huán)境要求嚴(yán)格時，其變形較地下連續(xù)墻大，對周邊環(huán)境保護(hù)不利。②地下連續(xù)墻：對于開挖深度較深的淤泥質(zhì)軟土地區(qū)的深基坑工程，地下連續(xù)墻被認(rèn)為是最佳的擋土結(jié)構(gòu)之一。地下連續(xù)墻具有剛度大、整體性好、有利于保護(hù)周邊環(huán)境的優(yōu)點，但其造價、施工難度要高于鉆孔灌注樁且墻體接頭易滲漏。根據(jù)該工程的實際條件、周邊環(huán)境情況、開挖深度及土層性質(zhì)，采用鉆孔灌注樁排樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)體，能夠保證安全且兼顧經(jīng)濟(jì)，故采用鉆孔灌注樁排樁，樁徑為1400mm，并在基坑陽角處設(shè)計補(bǔ)強(qiáng)排樁。

（2）水平支撐體系選型。從基坑開挖深度及換撐的角度考慮，可采用2道或3道內(nèi)支撐。從節(jié)省工期、方便施工的角度考慮，擬采用2道內(nèi)支撐，同時增大灌注樁直徑以控制變形，減輕對周邊環(huán)境的影響。2道內(nèi)支撐比3道內(nèi)支撐節(jié)約工期約90～100d，同時支護(hù)造價上亦有所節(jié)省。由于該工程基坑開挖深度較深，為了保證工程安全，該工程擬采用2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，平面布置采用角撐+對撐的形式；主支撐截面尺寸為800mm×900mm及1000mm×900mm；支撐下立柱樁采用灌注樁內(nèi)插鋼格構(gòu)柱；灌注樁樁徑為900mm，鋼格構(gòu)柱型號為4L180mm×18mm型；格構(gòu)柱插入灌注樁深度3m以上。

（3）止水帷幕選型。該工程坑底以下存在約2～3m厚的粉土層，止水帷幕壓力較大，若止水帷幕失效造成流土流砂，后果不堪設(shè)想。鑒于該工程止水的重要性，該工程采取三軸深攪拌樁（Ф850@1200mm）+圍護(hù)樁間高壓旋噴（Ф700@1200mm）兩道止水帷幕，亦可減小坑內(nèi)長期大面積降水對周邊環(huán)境的影響，坑內(nèi)鉆孔樁間采用掛網(wǎng)噴漿，防止樁間土流失。該工程東半部坑底以下存在⑥4a砂質(zhì)粉土層，該層存在承壓水，可能會導(dǎo)致坑底突涌，需加深止水帷幕形成閉合式止水帷幕，可減少坑內(nèi)長期大面積降水對周邊環(huán)境的影響。

（4）降水方案選型。該工程降水方案選擇管井+輕型井點+盲溝降水；在基坑底部設(shè)置40口管井；坑中坑部位設(shè)置14套輕型井點降水系統(tǒng)。坑內(nèi)降水本著按需降水的原則，嚴(yán)禁過量降水。在基坑外沿布置回灌井，在周邊地面沉降沒有異常的情況下，兼做監(jiān)測井。當(dāng)周邊地面沉降異常時，回灌井能夠及時回灌地下水，減少地面沉降。

5 基坑施工順序

（1）平整場地→灌注樁施工→深攪樁→高壓旋噴樁、立柱樁及管井施工。

（2）基坑開挖至第一層支撐圈梁底→施工第一層圈梁、支撐、棧橋梁、剛架梁、棧橋板、拉結(jié)板→基坑分層開挖至第二層支撐圍檁底標(biāo)高→施工第二層支撐及圍檁→基坑開挖至設(shè)計標(biāo)高→澆筑混凝土墊層至支護(hù)樁邊。

（3）主體結(jié)構(gòu)施工至負(fù)三層頂板→拆除第二層混凝土支撐→主體結(jié)構(gòu)施工至負(fù)二層頂板→拆除第一層混凝土支撐。

6 基坑開挖過程監(jiān)測

基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工期間沉降觀測及外圍建筑變形觀測結(jié)果顯示，監(jiān)測點的沉降值和位移值，均小于報警值。基坑施工結(jié)束后，周邊建筑及管線設(shè)施均未受到影響。

7 結(jié)束語

綜上所述，排樁內(nèi)支撐復(fù)合體系在深大基坑支護(hù)安全可靠，施工周期短，效率高，并經(jīng)濟(jì)較為適中。支護(hù)體系與連續(xù)墻相比，可節(jié)約25%的工期及30%的工程造價。該工程的成功說明復(fù)合支護(hù)體系在相同的工程地質(zhì)條件下具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。