超大深基坑工程支护设计与施工

文/周予启 刘卫未 袁革忠 刘 芳 穆凤麟

超大深基坑工程支护设计与施工

文/周予启 刘卫未 袁革忠 刘 芳 穆凤麟

天津嘉里中心工程基坑面积73 011 m2，开挖深度17～23 m，属于软土地区超大深基坑。基坑支护设计和施工难度大，整体采用中心岛支护形式，局部应用旋喷锚桩、重力式挡墙、放坡卸荷等辅助支护形式。文章主要针对该基坑工程的设计方案、施工工艺、重点难点等进行详细的分析和研究，总结成功的工程经验。

软土；超大；深基坑；中心岛；旋喷锚桩；重力式挡墙；放坡卸荷

1 工程概况

天津嘉里中心由六经路、六纬路、八经路与海河东路围成，西侧与海河相望，占地面积86 164 m2，基坑开挖面积73 011 m2，地上总建筑面积49.9万m2，地下总建筑面积22.1万m2。分成两期建造，一期包括3栋62层的高级公寓住宅（高213 m）、1栋35层建筑面积约10万m2的香格里拉五星级酒店（高161 m）以及综合购物中心、地下停车场等；二期为1栋超高层高级办公楼（高约 333 m）。

天津是典型软土地区，地下水位埋深较浅（约自然地面以下2 m）。土质以粉质粘土、淤泥质土、粉砂为主，具有高含水量、高灵敏性、高压缩性、低密度、低渗透性等特性。基坑开挖深度大约17 m，局部深坑达23 m，属于超大深基坑工程，见图1。基坑东北侧与津滨轻轨地铁的距离不足30 m，南侧靠近重要交通枢纽保定桥，周边环境复杂，对基坑施工产生的变形量控制提出了较高的要求。

图1 场区平面布置

2 地质条件

表1 地层岩性特征

3 基坑支护设计方案

基坑开挖平面尺度巨大。因为分期开发，在一、二期之间设临时隔断，造成基坑平面形状极其不规则。若采用常规整体内支撑形式，因温度变形引起的附加应力和变形都不容忽视。整体内支撑体系面临因自变形过大而无法对周边围护体提供可靠支撑造成基坑整体变形过大，甚至不稳定的潜在危险。另外，内支撑方案施工周期长，材料用量大，费用高。

基坑设计为在基坑外围设置三轴水泥土搅拌桩止水帷幕；围护结构采用钻孔灌注桩；支护形式大部分区域采用中心岛法，对六纬路侧和海河东路侧采用旋喷锚桩支护调整方案，对1#公寓区域范围基坑外部采用重力式挡墙结构，在E区与F区交界位置采用放坡+抗滑桩的支护方案。基坑支护平面见图2。

图2 基坑支护平面

3.1 围护结构设计

选用“钻孔灌注桩+止水帷幕”的形式。钻孔灌注桩φ1 000 mm@1 200 mm，止水帷幕采用φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩。

3.2 支护结构设计

3.2.1 中心岛

基坑大部分区域采用中心岛支护形式，即先施工基坑周圈围护桩及止水帷幕，在基坑周边留设反压土台护坡，基坑中部放坡开挖到底，顺作施工基坑中部主体结构，待基坑中部主体结构施工至±0.00时，在基坑周边围护结构和中部主体结构间架设长度约22 m的短撑，将反压土挖除，然后顺作施工基坑周圈主体结构，完成换撑后，将支撑拆除，见图3。

图3 中心岛支护剖面

3.2.2 旋喷锚桩

六纬路侧采用4道旋喷锚桩+1道钢支撑的形式，海河东路侧采用6道旋喷锚桩的形式。

对于常规水电站，根据电站运行水头、所在地理位置差异等因素，机组技术供水方式主要有自流减压供水、水泵供水、二次循环供水等。对于循环供水系统，由于其水源没有取自机组流道，故其往往不需要设置汛期备用水源。而对于自流减压供水或水泵供水，其水源多来自机组流道。有部分电站则采用沉淀池供水做为机组冷却水的备用水源，当汛期来临，水库水质较差时，机组技术供水切换到沉淀池供水。

旋喷锚桩通过高压旋喷和搅拌技术形成大直径的水泥土锚桩体（φ500 mm），在旋喷搅拌的同时将钢绞线及锚锭板直接带入形成锚桩，根据需要还可以形成扩大头。对于超大深基坑，在原中心岛法支护方案的基础上局部增设旋喷锚桩，不仅可以形成较开阔的土方开挖作业面，而且可以不受结构施工进度的制约，加快土方施工进度，同时土方开挖的顺序亦相对灵活。

3.2.3 重力挡墙

1#公寓楼距离基坑边线较近，如果采用中心岛支护形式，公寓楼主体结构需留设竖向施工缝，而根据结构设计单位及业主单位的要求，该位置底板需整体浇筑。为满足设计要求，考虑在1#公寓范围基坑内外采用三轴水泥土搅拌桩和高压旋喷桩对基坑内外土体进行加固，形成重力式挡土结构，与支护排桩共同承担基坑外部土压力，基坑内部不再留设护坡土台。

加固土体面积置换率达到55%左右。三轴搅拌桩水泥桩掺量为20%，搅拌桩插入毛竹作为加筋材料，以增强其抗拉弯承载能力。同时，护坡桩及帽梁施工完毕后，在1#公寓范围高桩的帽梁上与高桩对应的位置设置构造柱，构造柱尺寸1 000 mm×500 mm；基坑外部三轴搅拌桩局部区域延伸至自然地面；在自然地面上做硬化路面，具体做法见图4；采用φ28 mm（Ⅱ级钢）将延伸至自然地面的三轴搅拌桩与构造柱拉结起来。

3.2.4 放坡卸荷

为加快E区和F区交界位置地下结构施工进度，对支护方案进行调整，省去短撑，采取放坡+抗滑桩支护形式。放坡坡面局部采用喷射混凝土（内置φ4 mm钢丝网片）进行加固处理，坡顶沿着开挖线每隔10 m设置一口降水井，以保证放坡坡体的稳定性。

图4 重力式挡墙加固剖面

放坡采用二级放坡的方式，坡底标高-8.00 m，坡顶标高3.25 m，在标高为-4.475 m处留出一个平台，坡度均为1∶1，总共需要开挖土方约为4 000 m3。挖土完毕之后在土坡上喷射100 mm厚的混凝土，坡底和坡顶均打入钢钉。为避免坡底出现漏水，在距放坡边线5 m处每隔10 m设置一个直径为700 mm、管径为500 mm的降水井，降水井井底标高为-18.35 m，见图5。

图5 E、F区交界位置放坡+抗滑桩支护方案平面

3.3 基坑降水截水设计方案

沿基坑周边设置φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩形成封闭的止水帷幕，止水帷幕已经将上部潜水和⑦5层微承压含水层隔断。因此，对于上部潜水和浅层微承压水主要采取坑内设置大口管井进行疏干。疏干井主要分A、B型，A型井为单一疏干井，B型井较深，除了起到疏干井作用外，还考虑了止水帷幕在⑦5层局部可能不闭合的因素，起到减压井的作用。

深层⑨层微承压水，由于需降水头不大，采取坑外设置C型减压井的方式进行处理。

4 数值分析

关于反压土护坡，目前的规范并未对围护桩和反压土的最大允许位移做出说明。为保证基坑安全，同时对反压土护坡的围护体系的变形控制标准做出施工控制判断。首先采用理正基坑设计软件对反压土护坡体系进行了整体稳定性验算，随后采用FLAC数值模拟分析软件针对围护体系建立数值计算模型，根据土方开挖的实际工况，对反压土和围护桩的位移及内力进行数值模拟并结合天津地区反压土护坡工程实例，建立反压土护坡的变形控制标准，见图6和图7。

基坑开挖到底后，反压土台的位移趋于稳定，一、二级土台坡顶位移曲线形式类似，由此说明反压土台护坡的支护体系其稳定性满足要求。根据上述数值分析结果确定的不同开挖工况（开挖深度分别为2.5、5、10、15.5 m）对应的一、二级土台坡顶位移变化，考虑已经长期降水的有利因素，取计算值的70%左右；同时还提供基坑从±0.0开挖到基底时各级土台的位移监测结果。

数值分析的结果与实际位移监测结果变化趋势一致，基坑变形距离位移包络图警戒值还存在一定距离，并且基坑变形趋势逐渐平缓，趋于稳定状态；但是也必须注意的是，软土基坑开挖到槽底后，基坑变形仍有一定量的发展。

5 基坑施工过程

土方开挖过程中，降水效果较好，基本未发现明显的积水。在土方开挖到槽底至基础底板施工过程中，钻孔灌注桩变形最大50 mm，围护结构未发生过大变形；基坑开挖对地铁轨道的影响很小（＜4 mm），槽底均未出现管涌等现象。

基坑最大水平位移约125 mm，其中较大的变形量主要发生在反压土护坡形成及持续过程中；而反压土开挖阶段，旋喷锚桩施工过程中发生的变形量相对较小约20 mm。反压土区域地下结构施工阶段，基坑变形增长值和增长速率都大大降低，变形曲线趋于收敛且基坑变形规律与理论曲线较吻合，说明基坑达到稳定状态。基坑外侧土体沉降也基本在规范允许范围以内，较大的沉降主要发生在反压土护坡阶段。对于1#公寓重力式挡墙支护区域，基坑变形随着基坑开挖线性发展，基础底板完成后变形速率大幅减小，基坑顶部最大变形约70～80 mm。

6 结语

1）天津嘉里中心基坑支护方案总体合理，同时兼顾了基坑不同位置的特殊需要，保证了基坑周围建筑物及邻近地铁的安全，为结构施工提供了便利条件。

2）中心岛+旋喷锚桩支护方案的优点。中心岛方案中部主体结构施工进度快、工程造价低等优势；具有旋喷锚桩技术的特点，能充分调动和提高岩土的自身强度和自稳能力，有效地改良土体，达到增加锚固体抗拔力的效果；同时，兼顾了基坑不同位置的特殊要求，采取有针对性的调整措施，多种方案相结合，使基坑内作业面开阔、施工安排灵活、土方施工进度加快，既保证了基坑及周围建、构筑物的安全，又节省了工期和造价，达到了较好的支护效果。

3）反压土护坡阶段属于被动支护过程，围护桩产生大变形阶段并不是发生在中心岛和保留土体开挖过程中，而是发生在这两个工序之间的时间段，这个时间段越长，围护桩顶向坑内的位移也越大。因此，中部主体结构施工阶段，应合理安排工序，尽量缩短主体施工时间，尽快形成支撑，将反压土挖去。

4）在很长一段时间内需要依靠反压土来抵抗坑外主动土压力，而天津这样的软土地区，当含水量过高时土体变形会显著增大。因此需要在坑内及反压土坡内布置足够数量的降水井，保证降水效果。雨季施工时，基坑坑外挡水和坑内排水更需引起高度重视。

5）基坑周边堆载需严格按照设计条件执行，对本工程而言，基坑周边2 m范围内不宜堆载，为人行通道，基坑周边2 m外超载不宜超过2 t/m2，反压土台上需严格控制，严禁作为堆场使用。

[1]JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S]．

[2]CECS 147—2004，加筋水泥土桩锚支护技术规程[S]．

[3]周予启，刘卫未．软土地区超大深基坑中心岛支护方案设计与施工[J]．施工技术，2011，（10）：52-58.

[4]周予启，秘志伟．津塔基坑施工监测和数值模拟分析[J]．天津建设科技，2011，21（2）：24-27.

□刘卫未、刘 芳/中建一局集团建设发展有限公司。

□袁革忠、穆凤麟/天津市建设工程质量安全监督管理总队。

TU753

C

1008-3197（2013）05-06-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.003

□课题项目：中建总公司课题：城市中心区特大超深基坑工程对周边环境的影响评估及控制关键技术（CSCEC-2011-Z-33）

中建总公司课题：不同地层结构超深基坑落底式止水帷幕型式研究和数值模拟分析（CSCEC-2013-Z-7）

2013-05-13

周予启/男，1971年出生，高级工程师，中建一局集团建设发展有限公司，从事基坑设计和施工工作。