多种组合式支撑结构在昆明软土基坑中的应用

涂 伟 曹 慧 许利东

云南建工基础工程有限责任公司 昆明 650501

1 工程实例

1.1 工程概况

背景工程拟建基坑深度约7 m，基坑周长约791 m，周边环境比较复杂，北面为一片自建民居，基础埋深约2 m，基坑开挖前已有民居出现倾斜现象；基坑南边紧邻另一个深11 m的基坑，该基坑采用内支撑支护；西南侧为昆明市政主干道广福路，日常车流量较大，且道路下面地下管线密集；基坑西侧紧邻1条宽约15 m的市政道路及3栋7层的浅基础建筑。基坑平面周边环境位置如图1所示。

图1 基坑周边环境位置示意

1.2 工程地质条件

根据本工程的岩土工程勘察报告，拟建场地属于昆明典型软土地区，场地地基土表部为具有一定厚度的杂填土，其下为冲积相、湖沼相、湖相沉积形成的泥炭质土及黏性土、粉土等，层位相对稳定。基坑底以上主要分布土层为①杂填土、②黏土、③黏土及④泥炭质土，基坑底全部在软塑-流塑状态的④泥炭质土上，基坑底以下仍存在厚约4 m的④层泥炭土，对基坑施工十分不利。

1.3 水文地质条件

场地土层以弱透水性的黏性土和泥炭质土为主，地下水的来源以大气降雨和地表水补给为主，所以枯水季节（旱季）的地下水位变化不会太大，坑壁土主要透水层第④层泥炭质土的渗透系数K分别为1.35 m/d和1.28 m/d，按混合抽水计算，其影响半径分别为52.29 m和54.31 m，富水性弱。综合评定本场地为弱透水场地。

2 基坑支护方案

2.1 原支护设计方案

在昆明软土地区，大多数基坑采用内支撑形式，但是内支撑的基坑支护形式存在施工速度慢、造价高、施工交叉多、工艺复杂等多种不足。在本基坑支护方案设计初期，经过多种经济对比分析后尝试采用排桩加锚索进行支护，采用φ800 mm长螺旋灌注桩加2排预应力锚索进行支护，并在桩顶预先进行放坡，长度为2.50 m，桩间施工高压旋喷止水桩与支护桩咬合，形成全封闭止水帷幕。

按照该方案，在北面选基坑剖面的20 m长度作为试验段。当施工完该段支护桩、止水桩及第1排锚索后，进行第1排锚索的预紧。在实际张拉锚索时，锚索锁定值未能达到设计锁定值，施工现场以100 kN张拉力完成锁定后进行第2层土方的开挖。当开挖至第2层锚索工作面时，监测数据表明桩顶位移及桩后土体裂缝均已达到基坑位移警戒值，基坑北侧道路已出现裂缝[1-4]。

2.2 变更设计方案

因在施工过程中，未挖到基坑底而位移已达警戒值，排桩加锚索的支护形式在该软土地区未成功使用。主要原因是该地区“草煤”层深厚，该土层流变性大，锚索在此土层中的应用难以达到设计所需锁定值，同时锚索徐变现象严重，锚索预紧值衰减速度快。结合以上原因及本基坑周边复杂环境、基坑形状不规则等因素，支护方案变更为双排桩、排桩加地锚、排桩加角撑的组合式支撑形式，图2为设计方案变更后的基坑支护平面布置。

如图3所示，有条件的区域采用排桩加地锚的形式进行支护，基坑阳角位置采用排桩加角撑的形式进行支护（图4），局部无条件区域采用双排桩支护（图5），紧邻南侧深基坑位置则直接采用放坡支护。设计方案的变更期间，本基坑已开挖段回填至冠梁顶，待变更方案出图后再重新进行施工。

图2 组合式支护方案平面布置

图3 排桩加地锚支护剖面示意

图4 排桩加角撑支护剖面示意

图5 双排桩支护剖面示意

2.3 变更设计方案优势分析

2.3.1 排桩加地锚

排桩加地锚支护结构是由前排支护桩、后排锚定桩以及锚索3部分组成的一种支护结构。坑壁先施工1排支护桩，在桩的后侧一定位置平行设1排锚定短桩，短桩需设置在基坑滑裂面以外，2排桩冠梁层用锚索连接并锁定，锚索的横向间距可根据变形要求设置，锚索外套PVC管或钢套管，无需灌浆，基坑回填后锚索可完全回收。本基坑开挖范围大，桩底为深厚软土层，普通预应力锚索不能达到设计抗拉力要求，若采用地锚形式，充分利用后排短桩的抗拉性能，锚索的抗拉值能大幅度提高，锚索预紧力衰减现象也可以忽略。在计算时一般地锚可作为钢性支撑进行考虑，不仅让基坑变形得到很好的控制，也可减少原设计第2排预应力锚索的施工，但地锚对场地要求较高，若施工场地狭窄则不可采用地锚支撑。

2.3.2 双排桩

双排桩支护结构是由前排桩、后排桩及2排桩之间的连系梁组成的一种空间结构。与单排桩悬臂式支护结构相比，双排桩支护结构具有侧向刚度大、内力分布优、桩顶位移小、安全可靠、支护深度较深等优点。同时，坑内不设支撑，不影响基坑开挖以及地下室结构的施工，可大大缩短施工工期，在较狭窄的场地也可以使用。但如果基坑深度过深，则双排桩控制位移的优势并不明显，仍然需要增设锚杆或支撑等才能较好地控制基坑变形，所以双排桩悬臂适用于深度不大于12 m的基坑[5-7]。

2.3.3 排桩加角撑

排桩加角撑的组合式支撑属于内支撑的一种，由排桩、混凝土支撑或钢支撑组成，适合于场地狭窄且阳角较多的基坑。本基坑形状极其不规则，共出现9个规模不同的阳角，若把所有阳角削去，则大大增加了基坑的土方开挖量与回填量，而在阳角位置采用锚索支护，则又容易出现锚索在地下交叉的现象，并且阳角位置的位移也不能得到控制。变更后的设计方案充分利用基坑形状，全面考虑工程地质情况及场地周边环境，采用阳角处刚性角支撑的方法，具有支撑杆件少、受力明确合理、施工速度快等优势，但在角支撑覆盖范围内的地下室工程桩需从地面开始施工，无法像桩锚式支护一样开挖至基坑底后进行工程桩施工。

2.4 变更方案施工技术要点

2.4.1 排桩加地锚

1）支护桩与锚桩同时进行施工，并同时施工冠梁，两端冠梁均预留锚索穿过孔洞，冠梁之间用地锚锚索连接。

2）地锚锚索采用1860级钢绞线，一端用锚具固定于锚桩冠梁，另一端锁定于支护桩冠梁，张拉锁定时，根据实际场地工作面可选择两端同时张拉，也可选择在其中一端张拉。

3）锚桩与支护桩间连接地锚采用开槽布设，并于钢绞线外套φ100 mm的PVC管，地锚无需注浆。地锚两端固定锁定后，对所开沟槽进行回填，沟槽回填后需进行压实，不可影响场地的正常使用。

4）在地锚张拉完成后，基坑土方开挖过程中，需对地锚锁定值进行检测，若锁定值衰减现象严重，则需随时对地锚进行补张拉。

5）基坑施工完成回填至冠梁层标高时，解除地锚锚索锁定，将钢绞线回收，并往PVC管内浇筑水泥浆。

2.4.2 双排桩

1）为加快施工进度，对每个采用双排桩支护形式的剖面安排2台长螺旋桩机，从两端分别向中间施工，因长螺旋钻机为高大重型设备，施工作业场地须满足安全运行条件，软弱面层应铺设厚不小于800 mm的砖渣，碾压密实后方可组织施工。

2）前后排支护桩施工采用梅花形布置。

3）前后排桩冠梁采用连系梁连接，连系梁截面尺寸与冠梁相同，间距为4 m，连系梁浇筑完成并养护后，其间隔处用土回填。

4）在基坑土方开挖过程中，对前后桩顶及桩身位移同时进行监测并对比分析。

2.4.3 排桩加角撑

1）角撑会影响到地下室工程桩的施工，在角撑影响区域，需在自然地面将影响范围内工程桩全部施工完毕。

2）根据设计方定位坐标图，将立柱下的立柱桩在自然地面进行施工，同时进行钢立柱的加工。

3）支撑梁的浇筑需进行支模处理，在支撑梁钢筋与钢立柱节点处，将钢筋穿过钢立柱，无法穿过时，在钢立柱柱身进行打孔穿钢筋处理。

4）基坑土方开挖时，土方开挖机械不能碰撞钢立柱。

5）拆除角撑梁前先进行换撑处理，拆除梁时应分段对称拆除。

3 基坑工程变形监测

本基坑的监测数据由第三方监测单位提供，对桩顶监测点C3、C9、C16、C17、C28、C30（C16、C17为试验段监测点）等6个点监测数据进行分析，对监测点共进行了101次监测，选取其中23次监测值变化较大时的水平位移变形值进行分析，图6为各监测点位移对比曲线。

图6 各监测点变形值对比曲线

由监测点位移图可知，在桩锚试验段进行桩顶以下第1层土方开挖时，位移开始发生较大变化；当开挖至第2层锚索工作面时，桩顶位移发生巨大变化，分别达到28 mm及29 mm，远远大于变形报警值，及时进行基坑回填后，位移值没有继续变化，且有少量减小。发生位移变化最大的工况为基坑开挖至基坑底及坑中坑开挖至底，位移量分别为20 mm及24 mm。

在基坑中央大面积开挖土方且未施工坑中坑时，桩顶位移量变化较小；在开挖坑中坑的过程中，桩顶位移发生持续变大，至所有坑中坑开挖至底时桩顶位移达到最大，而当基础垫层浇筑以后，位移量有所减小。由于本基坑支护结构多为刚性支撑，受力明确、徐变情况较小，故在本工程地下室施工过程中，支护桩顶水平位移量变化较小，稳定在19～20 mm，符合现行国家规范规程的要求，可见本基坑工程的支护设计变更非常成功，也再次证明了锚索在软土地区不适合应用。

4 结语

本基坑工程支护方案变更设计后成功地指导了施工，并得出以下结论与建议[8]：

1）软土地区基坑工程，尤其是有机质含量高的土层基坑工程，普通预应力锚索的适用范围很小，锚索抗拔力不能达到设计要求，锁定后预紧力的衰减情况很严重；

2）刚性支撑在软土地区基坑支护中有很好的应用；

3）充分利用基坑形状，可以采用多种支撑结构相结合的支护形式；

4）基坑支护方案设计时，需考虑坑中坑对支护结构的影响；

5）软土地区基坑工程不确定因素多，应加强监测，实施信息化施工。项目各方要重视基坑的监测工作，通过监测施工过程中的土体位移、围护结构内力等指标的变化情况，及时发现隐患，采取相应补救措施，确保基坑安全。