水泥土挡墙与单排灌注桩组合支护的应用

上海建工房产有限公司 上海 200080

0 引言

对于软土地层中开挖深度不超过7 m的基坑，水泥土重力式围护墙是一种常用的支护结构类型，具有施工简便、止水性能好等优点；但其占用空间较大，位移控制能力较弱。当基坑边场地空间不足以施工常规的水泥土围护墙时，往往不得不采用有内支撑的板式围护墙。这样基坑安全性虽有保证，但可能大大增强了施工复杂性，增加了工期、费用等投入[1,2]。

在水泥土重力式围护墙内插入单排钻孔灌注桩，形成悬臂式组合支护结构，是近几年在工程实践基础上发展起来的一种经济、便利的基坑支护类型。它兼具了2种围护结构的优点，对基坑变形控制能力大大优于传统水泥土围护墙，并能在一定程度上减小围护墙截面宽度。因而在遇到场地狭小的情况时，可考虑采用该支护结构解决问题。

1 工程背景

1.1 概况

上海朱家角A3-1地块项目47#商业楼有1层地下室，结构类型为框架结构，基础类型为桩+承台+筏板。基坑开挖深度为4.1 m，基坑面积约2 750 m2，周长约212 m。基坑北侧和东侧紧邻市政道路，东侧的规划红线距离商业楼基坑最小距离为3 m。东侧道路下埋有多条市政管线，与基坑的最小距离5 m。

1.2 工程地质概要

本项目场地原为农田，属于平原地貌类型。根据工程勘察报告，商业楼基坑工程主要土层从上往下为：①1素填土、①3浜填土、②2青灰色粉质黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、⑥1-1暗绿-草黄色粉质黏土、⑥1-2草黄色粉质黏土。

本场地对工程有影响的地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水和地表水，地下水位设计埋深取上海地区常年平均值，为0.5 m。

2 设计难点和对策

根据开挖深度和土层特征，一般可采用水泥土重力式围护墙作为本基坑支护结构。但在基坑东侧，基坑边线至红线距离小于常规水泥土重力式围护墙的设计宽度。如果在此部位采用板式支护体系，常见的是斜抛撑结合板桩围护墙形式，其优点是对于基坑安全有足够保障，但缺点也很突出：施工流程较为繁琐，施工时间长；制作（安装）、拆除斜支撑不易；工程造价高。

因此借鉴目前工程界内的一些研究理论和实践经验，考虑采用在水泥土重力式围护墙内套打灌注桩而形成悬臂状态的组合支护结构，改变单纯水泥土围护墙的工作状态。这样既可减小围护墙的宽度，以适应场地空间条件，又避免了支撑体系的设置[3-5]。

3 设计方案

3.1 方案初定

先按基坑边界空间尺寸初步布置组合支护结构：

1）水泥土重力式围护墙宽度暂按0.5倍开挖深度取，近似定为2.2 m，即4列水泥土搅拌桩。围护墙不按常规方式做成格栅型，而是将相邻水泥土搅拌桩都进行搭接。围护墙坑底以下深度按1.4倍挖深估算，近似定为6 m。

2）在水泥土围护墙迎坑面的第1、2排搅拌桩内布置钻孔灌注桩排桩，桩径初定为750 mm，桩间距900 mm。桩长初定为13 m。

3）组合支护结构平面总长度约33.6 m，水泥土搅拌桩向两端继续延伸，与其他部位的水泥土重力墙衔接闭合。

4）为控制支护结构的变形和增强基坑稳定性，有必要对基坑内被动土体进行加固处理，从而提高被动区土体抗力。故在基坑内设置裙边加固区，宽度4.2 m，坑底以下深度5 m。

组合支护结构平面和竖向布置如图1、图2所示。

图1 组合支护结构平面布置

图2 组合支护结构剖面

3.2 理论计算验证

采用Plaxis岩土工程软件，对本工程组合支护结构建模并进行有限元法分析，以预先判明随着施工的进展，基坑、组合支护及周边环境的变化趋势，从而采取有效的控制措施。在有限元分析中，土体采用适用于基坑开挖的Hardening-Soil（硬化土）模型，围护结构采用线弹性模型。在参数方面考虑了3种应变参数：主偏量加载引起的塑性应变、主压缩引起的塑性应变以及弹性卸载-重加载的卸荷模量。模型边界条件采用标准边界，施工步骤按照拟定工况进行计算（图3）。

图3 有限元网格模型示意

图4、图5为本基坑东侧组合支护区段的有限元计算结果。当基坑开挖至基底时，组合支护顶部最大水平位移为25.8 mm，坑外地表最大沉降为21.2 mm，均在规范允许的变形控制范围内，表明在本基坑工程中采用组合支护的方案是稳定可靠的。

图4 开挖至基底时总变形云图

图5 围护结构位移示意

此外，组合支护结构的整体稳定性、坑底抗隆起稳定性、抗水平滑动稳定性、抗渗流稳定性均参照现行规范中水泥土重力式围护墙、悬臂板式支护体系的计算式进行验算。其中对于整体稳定性，参考目前工程界内对此类支护结构研究和实践的成果，在灌注桩长度超出水泥土搅拌桩底端不多的情况下，仍认为灌注桩底端为倾覆破坏转动点，但将最小抗倾覆安全系数提高至1.4。经计算，各个稳定安全系数均大于允许值。

3.3 最终方案

经计算验证，并结合工程经验，最终认可上述方案，并确定具体构造及参数如下：

1）围护墙水泥土搅拌桩：φ700 mm，相互搭接宽度200 mm。水泥掺量13%，采用P.O 42.5水泥，28 d无侧限抗压强度不低于0.8 MPa。

2）围护墙顶部设厚200 mm钢筋混凝土压顶板，板内配置φ8 mm＠200 mm×200 mm钢筋网片。最外一排搅拌桩内插入1排φ48 mm脚手架钢管，深度为6 m，间距1 m。

3）钻孔灌注桩排桩的混凝土强度等级为C30（水下混凝土提高一级)。根据软件计算得到的内力数据，按相关规范计算配筋，选定主筋为15φ25 mm，HRB400钢筋；螺旋箍筋φ10 mm＠150 mm，HPB 300钢筋。

4）排桩顶部设置通长钢筋混凝土压顶梁，截面尺寸为1 000 mm（宽）×700 mm（高），混凝土强度等级C30。

5）基坑内的被动土体加固，采用格栅式φ700 mm＠500 mm双轴水泥土搅拌桩，与水泥土围护墙搭接200 mm。搅拌桩所用水泥参数同围护墙。

4 施工技术要点

2种围护桩的施工先后次序是：先施工双轴水泥土搅拌桩，后套打钻孔灌注桩，两者间隔时间不小于48 h，不大于7 d。水泥土搅拌桩连续搭接施工，搭接时间不大于16 h；如果超过16 h，应对最后一根桩先进行空钻留出榫头以待下一批桩搭接；如超过24 h，须采取局部补桩或注浆措施。钢管应在水泥土搅拌桩成桩后16 h内插入。钻孔灌注桩间隔成桩，间隔时间不小于36 h。

水泥土搅拌桩和钻孔灌注桩的施工工艺、质量检测要求，须符合国家和地方相关工程技术规范。土方开挖在支护结构的强度和龄期达到设计要求后进行。整个基坑分块开挖，混凝土垫层在挖至坑底后24 h内浇筑完成，并严格控制底板结构施工时间。底板混凝土达到设计强度后，在底板与围护墙之间填补素混凝土，形成传力带。地下室顶板结构施工完成后，外墙防水和回填工程施工前，先在顶板标高处形成间隔式局部板块换撑，尽早控制住周边变形的发展。基坑边地面不堆载重物、不布置重型设备。基坑附近的地下管道在基坑施工前开挖暴露出来，待地下室结构完成后再回填覆盖。

5 监测

从基坑开挖至顶板局部换撑完成的过程中，进行基坑及周边环境变形的监测工作。针对围护墙及周边环境，主要监测内容包括：围护墙顶水平和竖向位移、深层土体水平位移、地下管线变形等。

监测报警值：组合支护墙顶和土体变形日变化量±5 mm，累计变化量±40 mm。刚性管线沉降日变化量±3 mm，累计变化量±10 mm。

监测频率：从土方开挖至底板结构浇筑完成的阶段，每天1次；从底板完成后至地下室结构完成为止，每周2～3次。

在围护墙长边的中点位置布置墙顶水平和竖向位移监测点。图6为围护墙顶水平位移曲线。土方开挖及底板钢筋、模板、防水工程用时约34 d。

可以看出，在底板混凝土浇筑前，墙顶变形较快，累计变形值较大；底板混凝土浇筑后，墙顶水平位移变化速率减小，逐渐趋于稳定。墙顶水平位移累计值控制在40 mm以内，小于报警值。深层土体水平位移监测结果与围护墙顶位移变化趋势接近，最大位移值在30～40 mm之间。组合支护结构止水性较好，外观无裂缝。基坑外地面和管线处于安全状态下。

图6 围护墙顶水平位移变化曲线

6 结语

在该项目中，采用组合支护结构，达到了预期目的，取得安全、工期和造价三者综合效益良好的效果。

工程实践表明，在基坑变形控制要求不高的情况下，若开挖深度和土质条件相同，采用上文所述组合悬臂支护结构，相比采用单纯水泥土搅拌桩形成的重力式围护墙，可在一定程度上减小支护结构截面宽度。对于一些退界距离不足，但深度又不大的基坑工程，可将该组合支护结构作为一个备选方案进行技术和经济综合分析评价，条件合适时可避免采用有支撑支护结构体系，从而方便施工和更好地控制工期和造价。

但对于变形控制要求较高的基坑，采用该形式组合支护结构则有较大的安全风险。总的来说悬臂式支护结构控制水平变形的能力有限；如果支护结构宽度被限制，整体安全储备也可能富余不多。在目前尚未形成一套成熟、统一的理论设计依据的情形下，此类支护结构仅可在一些特殊工况下作考虑[6-8]。