南京某深基坑工程的支护结构选型与比较

刘俊生，张西平

（南京市测绘勘察研究院有限公司，南京 210005）

0 引言

近年来，随着我国城市化进程的迅速发展，我们对地下空间的需求越来越大，大量深大基坑不断涌现。而基坑工程开挖深度影响范围内或是建筑、道路密集，或是临近地铁、隧道、人防设施等地下构筑物，这给基坑工程带来很大不便。基坑工程的施工既要保证自身围护结构和地下结构的安全，又要确保周边建构筑物、道路和市政管网的变形稳定和结构安全，这就对基坑支护结构的安全、稳定性提出了更高的要求。本文以南京某基坑工程为例，对基坑工程的支护选型及设计进行深入的探讨。

1 南京某基坑工程概况

项目位于南京市江宁区，基坑东侧、北侧为城市主干道，且东侧地下为已施工完成的地铁一号线某车站，车站支护结构紧贴本工程地下室外墙；基坑南侧一路之隔为居民小区；基坑西侧为该项目再建的一期工程，一期工程与该项目形成整体地下室。

建设场地位于秦淮河漫滩之上，基坑面积约8000m2，开挖深度11.1～17.5m，场地地形基本平坦，地面高程为9.91～11.50m（吴淞高程系），基坑开挖影响深度范围内场区的地层自上而下为：

①-1杂填土，层厚0.5～5.0m；①-2素填土，黄褐－灰黄色，可塑，层顶埋深0.5～1.8m，层厚0.5～1.3m；②-1 粉质粘土，灰黄－黄褐 色，可－硬塑，层厚0.4～4.1m；②-1a粉质粘土，褐黄－黄褐色，软塑，层厚0.5～3.7m；②-2粉土、粉砂，灰黄色，层厚2.4～7.8m；③-1粉质粘土，灰黄色，可塑，层厚4.2～9.9m；③-2粉质粘土，褐黄色，可－硬塑，层厚1.8～6.6m；③-3粉质粘土，灰黄－黄灰色，软－可塑，层厚1.9～7.9m。④粉质粘土混粗砂、卵砾石，灰黄－灰色，粉质粘土为软－可塑，层厚0.2～1.9m。⑤强风化细砂岩，棕褐色－棕红色，层厚0.3～3.0m。

场地覆盖层厚度为25.7～28.8m，总体而言，上部土体工程性质较差，中下部土体工程性质相对较好，下伏基岩岩面较为平缓，岩体较为完整。场地各土层主要物力、力学技术指标见表1和2。

表1 建设场地各土层物理指标统计表

基坑开挖深度范围的地下水为潜水和弱承压水。潜水水位埋藏浅；弱承压水含水层为②-1a层软塑粉质粘土和②-2层稍密粉土、粉砂，其渗透性较强、厚度较大，含水丰富，为基坑开挖时的主要出水地层。

表2 建设场地各土层力学指标统计表

2 支护结构选型的分析和比较

支护结构的选型对基坑变形影响很大，并且与工程造价密切相关，本文首先对支护选型做概要分析和比较，然后，采用数值模拟分析的方法验证方案的可行性。

本工程场地东侧为地铁车站，地铁车站自身设置有地下连续墙作为围护结构，可作为本工程的围护结构使用；西侧为本工程一期项目地下室，环境条件相对简单；但是场地南北两侧临近道路，地下管线密集，对变形控制要求比较高。

综合南京地区经验，适合本工程基坑开挖深度的围护结构有地下连续墙、SMW工法、钻孔灌注桩等，支撑类型有水平内支撑及锚杆（土钉）结构，下面对各支护结构做简要分析。

（1）地下连续墙

地下连续墙是利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注适当的材料而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。地下连续墙施工工艺由于对周围环境影响小，施工时振动小，噪音低；墙体刚度大，可承受很大的土压力；另外占地少、止水性能好，也适用于多种地基条件，是深基坑工程常用的围护方法之一。但是地下连续墙如果用作临时的挡土结构，比其它方法所用的费用要高些。在一些特殊的地质条件下，施工难度很大，在城市施工时，废泥浆的处理比较麻烦。

（2）SMW 工法

SMW工法桩即在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土止水结构。现阶段可供选择的SMW工法桩抗侧刚度较为有限，在开挖深度超过11m的深基坑工程中，采用工法桩基坑开挖阶段的变形较难控制。由于其自身工艺特点，对基坑变形较敏感，变形超过一定范围SMW工法水泥土搅拌桩易产生开裂，从而带来严重影响基坑安全的渗漏水问题。

（3）钻孔灌注桩

钻孔灌注桩结合止水帷幕作为一种成熟的围护形式，其施工工艺简单、质量易控制，施工时对周边环境影响小，在长三角地区应用十分广泛，尤其适用于顺作法基坑工程。其止水帷幕可根据工程的土层情况、周边环境特点、基坑开挖深度以及经济性等要求的综合因素选用合适的工艺。灌注排桩支护结构施工便捷，造价经济，支护桩一般设置于地下室以外距离800mm位置，仅在基坑开挖阶段用作临时围护体。本工程南北两侧道路及地下管线对变形控制要求较高，钻孔灌注桩可起到很好的挡土和控制变形的作用。

（4）放坡

放坡开挖适用于浅基坑或周边条件相当简单的基坑。基坑可敞开式施工，工艺简单、造价经济、施工进度快。且本项目西侧距离一期建筑较远，存在放坡施工的空间，并无对变形要求严苛的建（构）筑物。因此，放坡开挖为本项目西侧基坑的首选方案。

（5）水平内支撑

深基坑工程中水平内支撑主要有钢筋混凝土支撑以及钢支撑两种形式：

钢筋混凝土支撑在开挖深度较深，形状不规则的基坑中使用最为广泛，且施工工艺成熟。不仅能加强整个平面结构体系的整体刚度，也能有效地减少围护体顶部位移。但是也有着不可避免的缺点，如，自重大、费工大、模板用料多、施工周期长，钢筋混凝土支撑的设置和拆除都比较费工，同时又需模板，且混凝土需在模板内进行一段时间的养护，致使工期延长。

钢支撑施工方便，安装和拆卸的速度快，而且可以回收利用，在一定程度上可以节省工程造价。但钢支撑体系相比混凝土支撑体系刚度小，对施工质量的要求较高。另外，由于钢支撑自身的刚度较低，且都为拼装构件，决定了钢支撑的跨度不能太大，限制了基坑开挖的出土空间。所以，钢支撑一般适用于形状较规则，宽度较小的基坑工程。

本工程基坑面积大，单个方向钢支撑长度过长，拼接节点多易积累形成较大的施工偏差，传力可靠性难以保证。由于工程基坑面积大，且开挖深度深，钢支撑支撑刚度相对较小，不利控制基坑变形和保护周边的环境。

（6）锚杆（土钉）结构

锚杆（土钉）结构具有以下特点：①结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性，破坏前有明显变形发展过程；②土钉数量众多靠群体作用，即便个别土钉有质量问题或失效对整体影响不大；③施工所需场地小，移动灵活，支护结构基本不单独占用空间；④施工速度快，不需养护或单独占用施工工期；⑤施工设备及工艺简单，施工对周围环境干扰小；⑥材料用量及工程量较少，工程造价低；⑦另外，由于孔径小，施工方便灵活，边开挖边支护便于信息化施工。

综合工程造价以及场地的工程地质、水文地质条件及基坑开挖深度，最终确定本基坑工程采用的支护结构方案为：① 南侧（ABCD段）采用钻孔灌注桩＋3排钢管土钉作为支护体系；北侧（KL段）采用钻孔灌注桩＋4排钢管土钉作为支护体系，桩间采用二重管高压旋喷桩形成止水帷幕。②东侧直接利用地铁一号线现有围护结构。③其余段采用自然放坡进行支护，坡面作挂网喷射砼处理。主要区域的支护结构剖面图如图1和图2所示。

图1 ABCD段支护结构剖面图

综合基坑开挖深度和支护结构类型考虑，本文选取KL段（即钻孔灌注桩＋4排钢管土钉）作为典型断面进行数值模拟分析。

3 典型断面的数值模拟分析

由于基坑施工过程中，坑内土体不可能完全达到被动状态，仍处于弹性变形阶段，所以可将作用于支护桩上的坑外土压力用水平作用力等效替换，并按弹性地基粱板法计算支护结构的位移与内力，这种方法称为弹性地基梁（板）法。

图2 KL段支护结构剖面图

本工程基坑支护方案的设计计算，采用《北京理正深基坑支护结构设计软件F-SPW》6.0版，并严格按照《南京地区建筑地基基础设计规范》以及《混凝土结构设计规范》）中的有关基坑支护结构设计要求和标准进行的。

（1）土的本构模型

土的本构模型采用目前使用最为广泛的文克尔模型，即假定地基上任一点的弯沉L，仅与作用于该点的压力P成正比，而与相邻点处的压力无关，反映压力与弯沉值关系的比例常数K称为地基反应模量，公式表示为：K＝P／L

（2）计算几何模型

本工程的侧壁安全等级为一级，重要性系数取1.1；土压力计算根据土层特性采用水土合算，坑外迎土面的土压力取主动土压力，开挖面深度以下的土压力按矩形分布取用，坑内开挖面以下背土面的土压力取被动土压力。

（3）计算方法

采用弹性地基梁法进行计算，把支护结构看作为一竖放的弹性地基梁，根据地基梁的变形方程和不同的边界条件分段列出其变形微分方程。

（4）计算参数

基坑开挖影响范围内的土层分为5层，本工程基坑没有采用被动区加固措施，基坑外侧水位深度为2.0m，土层参数按工程勘察资料选取。另外，基坑土钉共计4层，水平间距1.2m，竖向间距分别为4.5、1.8、1.8和1.5m，土钉入射角0°，四道土钉长度分别为10、10、12和10m，未施加预应力。

（5）计算结果

图3 基坑开挖至设计标高支护结构位移及应力计算示意图

根据瑞典条分法计算，Ks（整体稳定安全系数）＝2.262；根据 Prandtl（普朗德尔）公式计算，Ks＝5.544≥1.1；根据Terzaghi（太沙基）公式计算Ks≥1.15～1.25；均符合规范要求。

图4 基坑整体稳定性验算简图

图5 基坑抗隆起验算简图

4 结束语

基坑支护工程在不兼作主体结构时是一种临时设施，因此设计时必须从经济和安全两方面综合考虑，选用结构合理、施工方便、经济适用的支护型式，安全系数的选取不宜过大但也必须有一定的安全储备。总而言之，基坑支护工程与周边建构筑物、地下管线等的保护密切相关，每一个基坑工程都应该把安全放在首要位置，结合工程自身特点，充分考虑施工周期、工程造价、周边环境保护等各方面要素，因地制宜进行支护结构的设计。

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