自立式钻孔灌注桩-深层搅拌桩复合围护结构的设计

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

某工程主要为低层住宅，分南北2 块，地下整体设置1 层地下车库。基坑总面积约40 000 m2，基坑周长约1 280 m，开挖深度约4 m。基坑周边环境普遍较简单，但南块基坑东南角紧邻用地红线有一座中国联通通信基站发射塔，北块基坑东侧紧邻用地红线有1 根燃气管线。发射塔高逾30 m，为高耸结构，主体为钢桅杆结构，塔基基础为钢筋混凝土板，埋深约0.5 m，距离基坑边线最近仅1.9 m。最近的燃气管线距离基坑边线也仅2.3 m（图1）。

根据工程地质勘查报告，本场地属于澙湖沼泽平面地貌类型。从地基土层的力学参数来看， 土质条件一般，并且场地内分布多条暗浜。地下车库开挖所影响到的地层主要为黏土层和粉质黏土层。

2 围护设计方案

2.1 围护选型

本基坑周边普遍具备放坡开挖的条件，但南块基坑东南角的发射塔距离基坑边线仅1.9 m，北块基坑东侧的燃气管线距离基坑边线仅2.3 m，且基坑边线与用地红线之间的距离也很小。由于这些限制条件，可选的围护结构形式并不多。采用直接放坡开挖或重力坝的空间不够，复合土钉支护则因土钉出红线而不能采用。可选择的合适的围护方案主要有工法桩/钢板桩+斜抛撑、自立式钻孔灌注桩-深层搅拌桩复合围护2 种。

前者底板需2 次浇筑，施工工期较长，工艺较复杂，而内支撑不便于大开挖施工，支护费用较高，同时，斜抛撑支撑时需穿越外墙，外墙留洞不利于防水。再者，插拔型钢或钢板桩时，对施工净空要求较高，这样可能会影响发射塔安全。

后者水泥土搅拌桩重力坝一方面起止水帷幕作用， 另一方面利用搅拌体本身强度起一定的支护作用， 使土体对灌注桩作用力位置降低， 并减少灌注桩的悬臂高度， 使其受力更趋合理[1-3]。

钻孔灌注桩围护工艺成熟，施工质量易控制，无挤土效应，施工时对周边环境影响小，刚度大可满足基坑变形控制要求，且施工后无需拔除，施工空间及净空要求较低。

自立式围护便于大开挖施工，提高挖土效率，可节省工期，降低工程造价。综合考虑后最终选定自立式钻孔灌注桩-深层搅拌桩复合围护作为发射塔区域和北块基坑东侧区域的围护方案。

2.2 围护方案

钻孔灌注桩采用φ850 mm@1 000 mm的布置形式，插入深度为5 m。钻孔灌注桩顶部设置压顶梁，压顶梁规格为1 100 mm×700 mm，顶标高同重力坝顶板标高，并在基坑角部设置厚250 mm封板。

双轴水泥土搅拌桩重力坝墙体厚度为1.7～4.7 m，有效深度9.5 m。该区域被动区土体采用φ700 mm@500 mm双轴水泥土搅拌桩墩式加固，加固体宽度为4.2 m，加固范围为坑底以下4 m，搅拌桩水泥掺量适当提高。

通过压顶梁的整体加强作用、被动区土体的加固作用和基坑角部封板的围护加强作用进一步减少开挖过程中的基坑围护变形，确保基坑、发射塔及燃气管线安全（图2）。

图1 基坑环境平面示意

图2 发射塔区域围护剖面

3 基坑安全性分析

为了预测基坑开挖对发射塔的影响，分析基坑安全性，采用岩土有限元软件Plaxis模拟基坑开挖过程。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。

基坑模型计算宽度为基坑边线外延开挖深度的5 倍。主要模拟施工步骤有：计算初始应力场、施工基坑围护、挖除全部土体至基底。

通过数值模拟分析，得出最危险工况下土体及围护结构的内力和变形情况。计算结果显示，当基坑开挖至基底时，围护结构最大水平位移24 mm，发射塔塔基最大位移12 mm，表明本工程基坑开挖对周边环境的变形影响可控制在其允许的范围之内。图3～图6给出了有限元计算的主要计算结果。

图3 开挖结束时总位移云图

图4 开挖结束时水平变形云图

图5 开挖结束时垂直变形云图

图6 钻孔灌注桩及塔基基础最大位移

4 施工要求

为了保护发射塔及邻近燃气管线，提出了一系列低扰动施工的技术要求。首先，保证搅拌桩的水泥土掺量、搭接长度等，且整个桩长内应复搅，保证桩的质量，要求搅拌桩起挡水作用， 要尽量连续作业，确保形成地下封闭连续墙；其次，合理安排水泥土搅拌桩的施工顺序，应先施工靠近发射塔塔基区域的双轴水泥土搅拌桩，降低施工时土体对塔基的挤压效应；最后，严格控制水泥土搅拌桩的施工速度、喷浆流速、压力等施工参数，以防止搅拌桩施工过程中对塔基产生侧向影响。

钻孔灌注桩采用跳打法施工。施工之前应先探明每根桩桩位处有否地下障碍物及废弃管道等，如存在应先处理。施工过程中一定要控制好泥浆稠度，并注意钻进速度，防止发生坍孔和桩颈缩等现象而影响工程质量。

采取以上低扰动施工措施后取得了良好的工程应用效果，保证了发射塔及邻近燃气管线的安全。

5 监测分析

为了及时跟踪掌握围护结构的变形和环境变化情况，保证基坑安全，防止已有构筑物及信号发射塔可能出现的破坏，从降水开始到底板浇筑完毕为止，采取了比较严密的监控措施。

在围护结构、发射塔及燃气管线上均布置有相应的沉降变形观测点。监测数据分析表明：基坑开挖结束后， 发射塔塔基位移6 mm， 灌注桩桩顶最大位移为 21 mm ，燃气管线沉降11 mm，地表最大沉降19 mm，与计算结果较为吻合。同时，满足了规范要求，基坑开挖进展顺利，发射塔和燃气管线的沉降变形得到很好控制。

6 结语

采用深层搅拌桩内套打钻孔灌注桩排桩形成复合围护体，二者共同工作，既起到止水帷幕作用，又作为浅层支挡，且降低了灌注桩的合力作用点，发挥了刚度不同的围护体各自的长处，是一种较好的支护结构形式，在浅基坑局部范围内可以有较好的应用效果[4-6]。