淤泥土質(zhì)深基坑支護方案比選研究

蔣大為JIANG Da-wei

（中鐵二十五局集團第二工程有限公司，南京 210046）

0 引言

濱海軟土地區(qū)，其“三高三低”特性為：含水率高、高壓收縮高、敏感性高，強度低、密度低、滲透低，其承載能力低，工程性質(zhì)不佳，壓縮后容易發(fā)生變形。在地震或荷載作用下，土體會發(fā)生流變、觸變或自身固結(jié)等現(xiàn)象，致使地基發(fā)生沉降變形，若不加以適當?shù)闹闻c加固，會造成基坑開挖后發(fā)生塌陷，造成基坑底部隆起、沉降變形過大、橫向變形過大等嚴重的基坑工程事故，嚴重影響了工程的進度，也給工程帶來了很大的安全隱患。

本課題擬以連云港-鎮(zhèn)江連鎮(zhèn)高鐵灌云站車站前廣場的深基坑開挖為研究對象，對濱海平原軟土地基中的復合式支護方案進行了深入的研究，以其對同類工程具有一定的參考價值。

1 工程概況

連云港-鎮(zhèn)江連鎮(zhèn)高鐵灌云車站綜合旅客運輸中心工程地處江蘇省連云港市灌云縣，占地35271m2，南北長203m，開挖深5.1m，東西長194m，東側(cè)挖深6.3m，西側(cè)挖深6.1m，開挖面積約40000m2，開挖方量230000m3。由于鐵路部門的緊急決定，需要將地鐵的地下停車場和站前廣場與鐵路同時開放，按照通車時間的先后順序，40 天內(nèi)，將需要完成深基坑周邊的圍護和230000m3的淤泥質(zhì)松軟土的挖掘工作。

1.1 基坑周邊環(huán)境

本項目南北側(cè)為項目新建道路，西側(cè)為204 國道，東側(cè)為連鎮(zhèn)鐵路站房。場地為水稻田，地勢平坦開闊，場地原狀見圖1～圖2。

圖1 場地原狀圖

圖2 場地原狀圖

1.2 區(qū)域地質(zhì)

本工程開挖影響范圍內(nèi)的工程地質(zhì)層自上而下依次為：1b 素填土：雜色，成分主要為黏土、植物根系、夾碎石、磚塊，塊徑1～5cm，最大10cm，松散～稍密狀態(tài)，土質(zhì)不均，層厚0.3～1.6m，連續(xù)分布；1-1 粘土：褐黃色，軟塑，切面光滑，土質(zhì)不均勻，局部夾薄層粉土，層頂埋深0.30～1.60m，層頂高程2.10～3.36m，層厚1.20～2.40m，連續(xù)分布；1-2 淤泥：灰色、灰黑色，流塑，切面稍有光澤，含有機質(zhì)，有腥臭味，層底夾粉土薄層，層頂埋深1.50～3.30m，層頂高程0.16～1.86m，層厚5.40～7.90m，連續(xù)分布；2-1 黏土：黃褐色，硬可塑，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，夾砂礓，砂礓塊徑1.0～3.0cm，最大6cm，含量5%～15%，層厚0.60～4.00m，連續(xù)分布。

本工程開挖影響范圍內(nèi)的土層主要由雜填土、粘土、淤泥和黏土組成。其中，淤泥土層具有高含水率、高壓縮性、低強度的特點，極易在震動或加載條件下產(chǎn)生流變或固結(jié)沉降，對基坑穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。因此，選擇合適的支護方案對于確保施工安全和工程質(zhì)量至關(guān)重要。

2 常見支護方案設(shè)計

在考慮本區(qū)域同類基坑的建設(shè)實踐后，提出了六種可能的支護方案：水泥攪拌樁或SMW 工法樁、型鋼斜撐、PHC 管樁、鋼管樁、鋼板樁和邊坡開挖。這些建議是在對基坑周邊環(huán)境及開挖深度進行詳盡調(diào)查的基礎(chǔ)上提出的。水泥攪拌樁和SMW 工法樁具有高強度和良好的止水性能，但需要較長時間達到強度，可能會影響施工進度。型鋼斜撐安全系數(shù)高，受氣候影響較小，但施工步驟繁多且成本較高。PHC 管樁材料運輸迅速，施工效率高，但占地面積大且成本高，不適用于該工程。鋼管樁抗彎性能好，適合復雜條件下施工，但打樁設(shè)備噪音大，且有滲水問題。鋼板樁支護施工速度快，可重復利用，但若基坑過深易導致變形。邊坡開挖安全度高、成本低，但土方量大、受氣候影響明顯，且需要較大的工作面。各方案均有利弊，具體情況分析如表1 所示。

表1 對比表

3 支護方案優(yōu)化設(shè)計

經(jīng)過對六種基坑支護方法的綜合比較分析，項目部針對本區(qū)域的具體工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境要求，深入研究后制定了最合適的支護方案。該方案充分考慮了基坑穩(wěn)定性、施工安全、工期要求以及成本效益等多方面因素，確定采用如下支護方式：①東側(cè)連通通道采用拉森鋼板樁+型鋼支撐的形式。②基坑東側(cè)采用放坡開挖，坡面設(shè)置鋼板樁體系。③基坑西側(cè)采用樁錨支護體系，支護樁采用600mm 管樁，錨桿采用預應力錨索系統(tǒng)。

3.1 東側(cè)連通通道鋼板樁+型鋼支撐

位于紅線附近的地下停車庫入口坡道和人行道，其基坑的規(guī)劃挖掘深度為6.3m，并且該基坑被歸類為第二級安全等級。鑒于開挖區(qū)域有限，同時需考慮到上方的站前大道施工作業(yè)，因此采取了一種支護措施，該措施結(jié)合了拉森鋼板樁和鋼管的內(nèi)部支撐系統(tǒng)。拉森鋼板樁的優(yōu)勢在于其對環(huán)境的影響較小，便于循環(huán)使用，并且可以回收利用，這些特性在挖掘面積受限和工期緊迫的情況下尤為突出。

圖3 拉森鋼板樁+型鋼支撐

3.2 基坑東側(cè)鋼板樁

位于東側(cè)的施工區(qū)域，由于面臨的限制條件較少，為了有效減少挖掘作業(yè)中土方的移除量，同時減輕潛在的安全風險，在施工方案的制定上，優(yōu)先考慮了傾斜開挖的方法。在此基礎(chǔ)上，為了增強局部區(qū)域的穩(wěn)定性，實施了鋼板樁的加固措施。此外，為了防止坡面土壤松動或滑落，采取了土釘墻技術(shù)進行加固保護，以提升整個坡面的結(jié)構(gòu)安全性。（圖4）

圖4 鋼板樁支護

3.3 基坑西側(cè)樁錨支護體系

由于地下車庫西側(cè)緊靠G204 國道，其外立面與輔道的邊坡僅有7 至9m 的距離，并且在該區(qū)域內(nèi)分布著眾多市政管線。基坑設(shè)計深度6.1m，基坑安全等級為二級。出于對土方開挖過程中自身結(jié)構(gòu)安全性的考慮，以及為了保障G204 國道的穩(wěn)定使用，有必要對國道地庫范圍內(nèi)的輔道進行封閉，僅保留2m 寬的非機動車道，以此加快施工進度。在本工程中，共計劃使用直徑為600mm 的管樁345根，這些管樁將連續(xù)布置。錨桿的規(guī)格為直徑400mm，間距1800mm，總長度達到24m，其中自由段長度為10m；錨桿的傾角設(shè)置為35 度，內(nèi)部配備3 根直徑為15.2mm 的預應力鋼絞線，其軸向拉力的標準值為357kN，而預應力張拉力定為200kN。支撐最大間距6.0m，圍檁型號H400X400X13X21 型鋼雙拼，鋼板樁傳來水平力為135kN，單根型鋼W=3340cm3，支撐采用?609×12 鋼管支撐型鋼，支撐軸力1193kN，計算長度11.6m。

圖5 樁錨支護

4 施工技術(shù)要點

①鋼板樁+型鋼支撐：在施工前進行詳細的測量，確保鋼板樁的正確位置和直線度，以保障結(jié)構(gòu)的準確性和穩(wěn)定性。依據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)條件，選用適宜的打樁機械和設(shè)備，以保證施工效率和安全。合理控制打樁的速度，避免過快導致周圍土壤擠壓或振動過大，同時按照科學的順序進行打樁，以防止土壤結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。型鋼在安裝時，確保型鋼與鋼板樁之間的連接牢固可靠。在施工過程中采取有效措施防止?jié)B水，如必要時使用防水材料，并設(shè)置合適的排水系統(tǒng)以應對可能出現(xiàn)的積水問題。對施工過程進行實時監(jiān)控，包括樁身垂直度、周圍地面變化等，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工策略。②鋼管樁+旋噴錨索：依據(jù)勘察結(jié)果和設(shè)計圖紙，進行精確的現(xiàn)場放線，確定鋼管樁的位置。采用適當?shù)拇驑对O(shè)備和技術(shù)，控制打樁的速度和力度，防止周圍土壤過度擠壓或振動。在旋噴錨索的錨固段采用專業(yè)工藝進行施工，以確保錨索與土體的有效結(jié)合。對旋噴錨索施加預定的張拉力，并進行鎖定，以確保其在使用過程中的穩(wěn)定預應力。在施工過程中進行嚴格的質(zhì)量控制，包括鋼管樁的垂直度、錨索的張力等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測。制定并執(zhí)行安全預案，包括施工現(xiàn)場的安全管理、人員培訓和應急響應措施。采取措施減少施工過程中對周邊環(huán)境的影響，如降低噪音、控制揚塵和廢棄物處理。

5 施工監(jiān)測

本工程通過對基坑周邊建筑物、圍護結(jié)構(gòu)以及鄰近地面的位移情況進行定期測量，確保其變化在允許范圍內(nèi)，以評估基坑的穩(wěn)定性。實時監(jiān)控基坑內(nèi)外的水位變化，特別是在多雨季節(jié)或地下水位較高的區(qū)域，確保水位變化不會對基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。通過安裝在圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力傳感器，監(jiān)測土壤對圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力，以評估其是否在設(shè)計的安全范圍內(nèi)。對基坑支護結(jié)構(gòu)中的型鋼、錨桿等關(guān)鍵構(gòu)件進行應力和應變監(jiān)測，以檢測其在實際使用中的性能和耐久性。定期檢查基坑圍護結(jié)構(gòu)、鄰近建筑物及地面是否有裂縫出現(xiàn)，記錄裂縫的位置、長度、寬度和發(fā)展趨勢。利用精密水準儀或其他測量設(shè)備，監(jiān)測基坑內(nèi)外的沉降情況，確保沉降量控制在安全范圍內(nèi)。將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，及時識別潛在的風險，并編制詳細的監(jiān)測報告，為后續(xù)的風險管理和決策提供依據(jù)。

6 設(shè)計方案效果

在本項目的設(shè)計與規(guī)劃階段，我們嚴格依照國家頒布的專業(yè)規(guī)范《JGJ120-2012 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定的技術(shù)標準和計算方法進行了詳盡的設(shè)計計算工作。這一行業(yè)標準為我們的基坑支護系統(tǒng)設(shè)計提供了權(quán)威的指導和依據(jù)，確保了設(shè)計方案的科學性、合理性和安全性。通過遵循這些規(guī)范，我們能夠有效地對基坑支護結(jié)構(gòu)進行力學分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而保障施工過程中的安全以及后續(xù)使用的穩(wěn)定性。本工程所涉及的深基坑采用的組合支護系統(tǒng)在受力后的變形與內(nèi)力分布情況如圖6-圖8。

圖6 通道鋼板樁+型鋼變形內(nèi)力圖

圖7 東側(cè)鋼板樁變形內(nèi)力圖

圖8 西側(cè)樁錨變形內(nèi)力圖

7 結(jié)語

針對濱海地區(qū)淤泥質(zhì)深基坑的施工，項目團隊在深入考慮周邊環(huán)境、經(jīng)濟效益及工期需求等多個因素后，對該地區(qū)類似基坑施工中常見的幾種支撐方式進行了詳盡的梳理和對比分析。這些支撐方式包括傳統(tǒng)的水泥攪拌樁或SMW 工法樁、PHC 管樁、拉森鋼板樁、鋼管樁以及預應力錨索等技術(shù)。在權(quán)衡各種技術(shù)的優(yōu)劣后，工程采用了一種組合支護技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了鋼板樁和放坡、鋼管樁和預應力錨索的優(yōu)點，以適應復雜的地質(zhì)條件和嚴格的工期要求。特別是基坑西側(cè)臨近繁忙的204 國道，該方案通過使用鋼管樁提供了堅固的物理屏障，而旋噴錨索則增強了整體的穩(wěn)定性，有效防止了邊坡坍塌、沉降變形過大和水平位移超標等問題。

該淤泥土質(zhì)深基坑支護及土方開挖工程的成功實施，充分證明了組合支護技術(shù)在此類特殊環(huán)境中的可行性。工程在短短40 天內(nèi)完成了基坑四周的支護結(jié)構(gòu)搭建和超過230000 立方米（m3）的軟弱土體開挖，這一效率得益于精心的規(guī)劃和創(chuàng)新的技術(shù)應用。通過這次實踐，該工程不僅確保了施工期間的安全，還為今后類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗和參考。

此外，該工程的成功也展示了現(xiàn)代土木工程技術(shù)在解決復雜地質(zhì)和環(huán)境挑戰(zhàn)方面的能力和潛力。通過不斷探索和優(yōu)化支護技術(shù)，能夠更好地控制工程質(zhì)量、成本和工期，同時最大限度地減少對環(huán)境的影響。這不僅是技術(shù)進步的體現(xiàn)，也是對工程領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展理念的貫徹實踐。